先进设计工具引入化工类卓越工程师培养的实践与思考

Bien

引子：本文为个人对化工设计竞赛的一个总结，文章尚未发表于正式期刊，欢迎各位化工设计竞赛的指导老师们尤其是青年教师交流。也希望能对学习化工这个专业的同学们增强对本专业的认同度起到小小的作用。水灌得有点长，在此先谢谢能耐心看完的朋友了。===========================分割线============================

先进设计工具引入化工类卓越工程师培养的实践与思考

摘要：化工卓越工程师作为承担提高当前化学化工类科技成果转化率和产业化程度重任的工程技术人才，其人才培养的核心能力是将化工新技术新装置等应用于解决传统化工过程问题的建模、求解及结果表达能力。文章结合当前国内开展的化工设计竞赛在高校学生及工业界产生的影响，进一步讨论了当前将行业先进设计工具引入化工类卓越工程师培养中的具体问题。

关键词：卓越工程师计划;  化工设计竞赛;  ASPEN; AUTOCAD;

Practice and Thinking on Cultivation of OutstandingChemical Engineers

with Advanced Professional Design Tools

Abstract: As the core engineer talents who take the responsibility toimprove the low rate of scientific and technological achievements transformationin chemical industry, The key innovation abilities of the outstanding chemicalengineers cultivated by colleges are identified as applying new technology and high-efficiencyequipments in solving traditional problems of chemical engineering.  Furthermore, considering the great influenceon students and the industrial community caused by chemical process designcontests which were carried out in recent years, the practical issues ofintroducing advanced professional design tools into outstanding chemicalengineers’ cultivation were discussed.  

Key Words: outstanding engineering project; chemical process designcontest;ASPEN; AUTOCAD

我国高等工程教育经过多年的发展，目前规模位居世界第一，但与此同时，我国科技成果转化率大约在25%，实现产业化不足5%，与欧美日等发达国家科技成果转化率达到80%的水平差距巨大。同时在中国制造业发展转型的问题上，“十七大”后国务院适时提出了走中国特色新型工业化道路，建设人才强国的重大战略部署。在此背景下，为培养出一大批能够支持国家开展产业转型发展以应对全球化竞争需要的创新型工程人才，2010年6月，教育部联合有关部门和行业协会，及时启动实施“卓越工程师教育培养计划”。林建在分析比较英美等发达国家关于工程师培养及注册体系后，提出将我国各类工程师按照层次分为服务工程师、生产工程师、设计工程师和研发工程师[1]。这一分类方法遵循了工业产品及工程项目的生命周期原则、工程师个人成长过程的原则、工科院校人才培养学历层次的原则和划分粗细适中的原则，考虑到了多方的需求，因此容易获得工业企业界、工程技术人才、工程教育方以及工程师注册管理方的认同。

化学工程师作为服务面向行业范围广泛、工程教育开设学校数量众多的工程师门类，广泛存在于第一批和第二批“卓越计划”试点院校的首次申报专业中。以浙江省为例，该专业试点单位涵盖了研究型大学建设单位浙江大学，研究教学型大学浙江工业大学和教学为主型本科院校宁波工程学院等不同层次高校。

一、化工专业“卓越工程师人才培养计划”现状

林建在对我国工程师的分类作出建议后，进一步指出，不同类型的工科院校应明确本校在工程师类型培养上的侧重点，他的建议是按照学校的层次来确定主要培养的工程师层次，如研究型高校主要培养研发工程师和少量设计工程师[1]。但部分院校在具体制订本校的本科层次的卓越工程师人才培养计划时，对此建议产生了误解。这些院校存在强调本学校所在层次特点（如地方院校的属性），将本科阶段卓越工程师的培养按照学校层次对号入座。人为制造了各层次工程师之间的鸿沟，忽视工程师分类中阶梯式注册的特点，打击了学生学习工程技术的积极性。对工程师培养中更为重要的工程师培养标准问题的讨论则有所欠缺。事实上，高校层次的定位一直是存在的，因此我国目前工程教育大而不强的现状，其根源显然不在于高校人才培养层次的划分不清，而在于工程人才核心能力标准的定位不清。

就化工及其相关类专业来说，目前国内本科学生毕业论文中设计性论文占比偏低，硕博论文偏重基础研究而非技术开发与应用研究现象普遍，工学与理学的界限不清。由此带来科研成果转化和产业化人才缺乏，科学研究的社会经济效益低下。基于此，越来越多的学校开始重视本科阶段化工专业学生设计能力的培养，并开设相关的课程，部分学校明确将设计能力的培养列入人才培养的标准中[2]。

设计能力在许多高校中被列为了创新型人才培养的核心指标，设计能力又被进一步细化为获取知识的能力（文献查阅、自学能力等）、应用知识的能力（综合实验能力、工程实践能力等）和创新能力（科学研究能力和技术开发能力等）[3]。在这些能力培养细分的基础上，高校教师开展了大量的教学内容改革和教学模式的改革，加强了对学生自主学习的引导和指导，收到良好的教学效果。

二、当前化工卓越工程师培养的问题

化工及其相关行业产业对化工类人才的需求巨大，与此对应的是，即使是像浙江大学这种化工专业是传统优势学科的学校，其化学工程与工艺专业一志愿填报率也较其他工程专业低，反而是从原传统化工领域分离出的高分子材料与工程、环境工程、制药工程、生物工程等专业受到学生青睐，这种化学工程与工艺专业一志愿率填报较低的情况在一些非化工学院类二本院校更为普遍。这在当前越来越多的高校开始实行校内转专业开放制度或按大类招生制度的情况下，化学工程与工艺专业越来越难吸引优秀学生的加入；另一方面，则是化工及相关行业企业由于技术改进及消化需求或本身进入事故多发期等原因，对生产工程师和设计工程师的需求不断增长。

而在化工专业教学的课堂上，教师在讲授工程制图、化工原理、化学反应工程、分离工程、过程分析与合成等课程时，存在两方面的困惑：一是很难将本门课程在整个人才培养中所处地位及作用准确的传达给学生，造成授课时大多只是讲授本门课程内容，而很难与其他课程建立起有机的联系；另一方面，由于化工真实问题计算的复杂性，使得教师很难深入讲解真实物系的真实化工过程，造成学生的设计能力锻炼的体验感不强，大三这一年也成为了学生学习热情的一个分水岭，也成为学生之间拉开差距的时间节点。以工程制图这门课程为例，许多学校一般在大二下学期至大三下学期开设，课程主要讲解CAD软件的使用技巧，部分学校期末要求画一个设备图或化工流程图作为考核内容之一。在这种教学环境下，绘图只是使用软件把已有的图纸再重新绘制一遍，学生很难理解这种做法在化工设计中有何意义。他既不明白绘图在化工设计整个流程中所处的节点，也不会理解绘图的难点与可靠性在设计中的重要作用。

在这种状况下，化学工程与工艺专业作为培养化工工程师的主要平台，一是对优秀学生的吸引力不足，同时在选择了化学工程与工艺这个专业的学生中，也未能激发他们对成为卓越工程师的学习热情。

三、化工设计先进工具引入化工卓越工程师培养的探索

2007年以来，浙江省在浙江大学的推动下，开始了第一届化工设计竞赛，竞赛伊始，就受到省内各高校及学生的热烈欢迎，参赛高校数量及参赛队伍数量稳步扩大，后该项赛事迅速推向全国，2013年参赛学校达到164所，参赛队伍超过1000支，在网络化工专业论坛中，参赛学生以及工厂、设计院、研究院的各类青年工程师们对此展开了热烈的讨论。这一赛事在行业及高校化工专业学生中产生了广泛而深远的影响。以本人所在地方二本学院为例，参赛学生在准备及完成作品的漫长的半年时间内，自主学习专业知识和专业软件的热情持续而高涨，在其三年的大学学习生涯中达到一个顶峰。另外，在本人所在学校开始施行学生全面自主转专业制度的情况下，通过在学生入学始业教育中对该项赛事的介绍，使得化学工程与工艺专业学生在一志愿填报率不高的情况下，保持了较低的转专业率（与同类院校及本校往年相比）。在这项赛事的倒推动作用下，各高校化学工程与工艺专业纷纷开设了化工设计软件等软件使用教学课程。同时，不少参赛获奖学生通过此次竞赛的帮助，获得了进入化工及相关类设计院和研究院工作的机会。

这一结果表明，在化工卓越工程师的培养中，引入先进化工设计工具具有显著的内外促进作用。这些先进设计工具包括ASPEN系列软件（包括ASPEN PLUS, ASPENENERGY ANALYZER, EDR、ASPEN DYNAMICS等等）、SW6、AUTOCAD、SKETCHUP、PDMS、RiskSystem甚至一些设备开发软件如FLUENT、COMSOL Multiphysics等。这些软件的学习首先是可以让更多学生了解化工技术和化学工程师的工作内容，吸引更多优秀学生进入化工工程师领域，其次是能够加深学生现代科技手段在化工设计行业的应用状况的认识，了解工程师们现有的可以利用的先进工具有哪些，大大激发学生学习化工技术的热情，培养了满足大量化工及相关行业企业需求的工程类人才。但与此同时，化工设计先进工具的引入仍存在一些值得探讨的问题。

首先，应明确化工设计软件作为设计先进工具的地位。化工设计软件确实能够提高学生的设计方面的能力。但作为一门工程学科来说，设计能力的核心应在于化工问题的计算及其结果表达，其中计算方面的问题包括化工原理中的物料衡算和热量衡算、化工热力学计算及过程速率计算、过程的集成与优化计算、化工设备的工艺计算及强度计算、控制方案及系统的测试及优化计算等等，这些计算由于其计算量大及复杂的程度，必须借助先进计算工具才可能完成；在计算得到有关结果后，进一步将这些结果利用绘图软件及三维工厂建模软件转化为各类图纸。对化工问题的理解及建模仍有赖于各门化工专业课程知识的掌握。

其次，先进专业软件作为一个可以起到串接各门课程知识以设计一个完整工厂的工具，更好的引入时间节点应该在各门专业课教学的过程中（比如ASPEN软件最早可在化工原理课程中引入），而非在专业课结束后作为一门独立课程开设。这种做法基本已成为欧美化工工程教育界的共识，许多高校教授在开设化工专业课程时都会留些作业要求学生利用计算工具或自己编程求解。这样做的好处是很明显的，学生在大一大二时学习了数学知识、程序设计基础知识、基本英语使用能力，尽早的要求学生使用先进计算工具或编程可以让学生学以致用以得到知识的反馈和应用能力的提高，继而更好的理解本专业中各门课程设置的必要性及其相互关系。但在国内，这个问题还未能引起专业任课教师足够的重视。非常多的化工专业课程的任课教师未能及时掌握先进工具来解决课程中的计算问题。当然，目前也有许多专业课程主讲教师开始尝试将先进专业软件引入课堂教学中，教学指导委员会和行业协会也在陆续举办软件使用培训班，教育部也开始化工设计课程的国家开放共享课程的建设（浙江大学吴嘉老师的化工设计课程）。但在将先进专业软件系统地引入卓越工程师人才的培养上，在专业教学教研室或教学团队中尚没有达成共识，其在人才培养过程中的引入大多依赖任课教师的自觉性，因此，此项工作工作急需教学管理部门作出统筹安排，并作出相应激励政策大力推动。

再次，工具的掌握有个积累的过程，需要在课程教学之外，额外提供机会激发学生掌握先进工具的动力。在这个问题上，浙江工业大学为加强化工专业学生的工程教育，构建了“金字塔”型的学科竞赛体系，分阶段的提供学生设计实践的锻炼机会。其设计的面向本科二、三年级组织开展的“基础化学实验操作技能竞赛”、“化工原理课程设计竞赛”、“ SKETCH UP三维模型设计”和“ASPEN 大型流程模拟设计竞赛”以及面向三、四年级开展的某化工产品的实际生产的“化工设计”学科综合竞赛等多层次立体竞赛体系，为培养学生理论联系实际、团队协作以及专业先进计算和表达工具的学习等方面能力锻炼起到了很好的作用。该校在历年来参加的化工设计竞赛中成绩不俗，位列全国高校前列和地方院校首位[4]。他们的经验很值得推广，其在人才培养质量上的突破有利于更好的形成高校间良好的竞争氛围。

最后，先进专业工具的引入需要加强与行业企业界的互动。当前绿色反应及分离技术及高效装备技术研究日新月异，我国在新工艺包开发上尚处于起步阶段，在新产品新工艺新装置等的科技成果转化过程中，工业企业等业主方本身对先进专业工具的了解程度不足，而设计单位也在一定程度上不愿承担风险，导致科技成果的转化率及产业化程度不高。与此同时，高校教师及学生对传统工艺设计时采用大量标准手册进行经验方法设计所知较少，双方交流的进一步加强有利于化工企业设计及生产管理模式上转型及卓越工程技术人才的培养。交流互动的方式可以使多种多样的，其一是工业企业对高校化工类各项设计性的学科竞赛的赞助，甚至竞赛的题目可以是企业生产中遇到的具体工艺改造问题；其二是相关的新技术新装备的工业应用方和设计方（通常是高校）通过开设讲座的形式，加强与学生就新技术应用带来的设计流程和标准上的改变的交流（在保护知识产权的前提下）。

参考文献：

［1］      林健. 工程师的分类与工程人才培养［J］. 清华大学教育研究,2010,(2) :51-60．

［2］      董华青,阮慧敏,刘华彦等. 地方院校卓越工程师培养方案的构建与实践,浙江工业大学学报（社会科学版）, 2013,（1）:93-98

［3］      李健秀,张鹏,高维平. 论化学工程与工艺专业学生应具有的素质、能力和知识结构, 2006,(3):19-23

［4］      肖春, 面向卓越工程师培养的学科竞赛体系探索. 浙江工业大学学报（社会科学版）, 2011,（6）:206-210

                               
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hanpingsiping

总结的精辟，到位{:1106_362:}{:1106_362:}{:1106_362:}

半边恶魔

恩恩。这个深有体会，激发自主学习的兴趣，我在大三一学期学到的比之前加起来还要多

wkh

很不错，在参加比赛之后有自己的思考，希望一些所谓名校能多培养学生的动手实践能力，不要再把学生引入应试教育的道路上。
对于企业希望能把侧重点转向产业链的上游，多开发出属于自己的专利技术，而不是一味的做详细设计或者只是模仿别人的工艺。

Bien

不知道这里有没有教化工专业课程的教师，后续有个想法，就是做一些案例，利用计算工具比如aspen来求解一些流体输送系统的实际设计案例什么的。本人想先在化工原理上先做，希望文章中的一些设想能真正做下去，期待企业及设计院的工程人员能够提供一些真实的案例。

lidengmhp

中国的工程师计划不知道什么时候能落实呀，一些学校专业开了个十来年就关了，又开其他的

deslll

Bien 发表于 2013-10-21 20:23
不知道这里有没有教化工专业课程的教师，后续有个想法，就是做一些案例，利用计算工具比如aspen来求解一些 ...

好想法！

青涩年华

2013年，大赛的参与者，非常有体会。