设备设计与课程设计实践研究

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摘要:为了改进民族大学过程装备与控制工程专业主干课教学效果，尝试将CDIO工程教育理念引入过程设备设计及课程设计中，以过程工程项目设计带动课程教学，课程设计分小组完成一个工段的设备设计，有效实现了实践教学与理论教学相辅相成、相得益彰，很好地调动学生学习的主动性和积极性，有利于学生建立工程意识，激发专业热情，增强团队协作。

关键词:过程设备设计;课程设计;CDIO工程教育;应用型人才

当今社会要求人才要具有较强的实践能力和创新意识，北方民族大学是教学型学校，学校的培养目标定位是为少数民族地区培养工程应用型人才，所以提高学生工程素质和实践能力尤为重要。同时，民族大学工科学生明显缺少在项目或团队合作方面的实际经验训练，所培养的工程技术人才在个人素质、人际能力、团队合作等方面存在短板。因此，需要工科教育者改革、探索并优化工程教育模式和手段。CDIO(Conceive－Design－Implement－Operate)工程教育理念即为采用构思－设计－实施－运行的教育模式，是引导学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习，从而提高学生的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力，培养具有较强工程能力和深厚技术基础的工程师［1］。过程设备设计是过程装备与控制工程专业的专业主干课，内容涉及材料、力学、腐蚀与防护、过程原理、机械设计基础和制图等学科知识，是一门多学科交叉融合的综合性专业课［2］。受传统教学观念影响，该课程主要以讲授理论知识为主，以考试成绩和平时作业作为评价学生学习效果的标准，实践环节少，缺少对学生工程能力的训练，缺乏应用和实践能力的考核，导致学生“工程”意识不强、团队协作不积极、职业道德缺失、与企业需求脱钩。近年来很多学校通过对过程设备设计课程改革以提高学生实践应用能力，李佳等［3］研究将形成性评价用于过程设备设计，能提高学生的学习主动性和学习效果评价的全面性，但仍存在评价构成影响成绩好的同学的学习热情、评价标准不准确、评价反馈过于简单、小组互评有失公平等问题。许桂英等［4］尝试将仿真研究融入过程设备设计课程教学，使学生综合能力得到提高。在本校，学院2014版培养方案将过程设备设计的教学课时从80课时减到64课时，为了探讨如何在有限的学时内达到较好的教学效果、改进过程设备设计现有教学体系的不足，本校过程设备设计课程组尝试将CDIO工程教育理念引入到过程设备设计教学及课程设计中，以CDIO人才培养理念开展课程的改革，取到了良好的教学效果。

1过程设备设计及课程设计教学现状分析

过程设备设计包含压力容器设计和过程设备设计两大部分内容［5］，其中容器设计部分要求学生掌握中低压和外压容器常规设计、了解高压、超高压容器分析设计和疲劳设计方法、学会压力容器整体设计等内容;而设备设计部分则是在容器设计的基础上，进一步掌握储罐、热交换器、塔、反应器等典型过程设备的结构设计;同时还要求学生了解和会查用现行容规(TSG21)和系列国家标准(GB150、GB151)、能源部标准(NB/T47041)、原化工部及机械部的相关标准，是一门直接面向工程实际，理论性和实践性都很强的课程。该课程工程性强，理论深奥、内容枯燥，学生学习兴趣不高，特别是压力容器应力分析部分，需要有坚实的弹性力学和弹塑性力学基础，而北方民族大学的学生70%以上是来自偏远地区的少数民族学生，生源背景决定着学生的力学基础比较薄弱，上大学后大学物理、工程力学都学得比较吃力，而本课程也受学时数的限制，不可能在课堂上大量补充力学知识，使得教学效果不太理想;同时又因为学生缺少工程实践机会，难以理解典型设备结构形式和工作原理、零部件结构和介质的流通通道等，这必然会影响学生对设备及零部件结构的认识和理解。过程设备设计课程设计是与过程设备设计课程匹配的一个重要的实践性教学环节。通过在教师指导下进行典型过程设备的设计训练，培养学生熟悉设计方案的分析论证、结构设计、设计规范以及化工制图等内容，通常安排在理论课结束之后进行，主要是单人单题，题目之间关联性少，同学间也缺乏交流，设计成果没有展示环节。

2基于CDIO理念的过程设备设计及课程设计的改革方案及实施

2.1改革方案。将CDIO理念引入过程设备设计课程中的设备设计内容的教学，重新整合规划课程教学内容，构建课程知识体系，制订基于CDIO理念的过程设备设计和课程设计的教学大纲，提出以设计任务(化工流程中工段设备设计案例)为中心来确定教学目标、设计教学方法、实施教学过程、强化效果考核，实现一体化探究式教学，在课堂教学中体现过程设备设计课程的实践性;把过程设备设计理论课和课程设计结合起来，将单台设备简单条件的课程设计变为生产流程中工段级别的相关设备设计，并且分成两段设计(概念设计和工程设计)，在实践氛围中使学生较好地掌握设计方法、熟悉各类标准、制定设计文件，培养学生的能力和素质。2.2具体实施过程。(1)前四章理论性强的压力容器设计内容由教师主讲，选后四章应用性强的设备设计内容切入CDIO模式，放弃传统课程教学以课堂知识传授为主的模式，教师讲学生做，让学生在完成具体项目的过程中通过“一讲一做”来构建相关理论知识。具体做法是以过程工程项目带动课程教学，确立了MTP流程中C3分离、脱乙烷、脱乙烯以及焦炉气制甲醇流程中脱硫、预精馏、加压精馏、常压精馏、甲醇回收等8个工段的设备设计，每个工段4～5台典型设备，基本上包含了塔器、热交换器、贮存容器，一开始讲授设备设计的内容就把题目公布。(2)让学生自由组队并选题，4～5个学生一组，引导学生在组对时考虑成绩梯度，争取优秀学生带着一般学生做。教师将上述8个工段中工厂在用设备的实际工况参数提供给学生，作为学生课程设计的参数，每组选一个工段，组员每人负责其中一台设备。(3)实施CDIO团队项目，以组内协作、组间竞争、自主探究的方式学习，完成一项包括构想、设计、实施、改进的全过程的团队设计项目的概念设计，并进行过程评价。首先要求每个小组根据学过的压力容器常规设计知识进行总体构思，包括人员组成和任务分解，确定项目内容和方向，通过查阅相关工艺背景、设计标准、设计手册等文献资料，小组成员互相讨论，根据组员特长和能力选择或分配设备，确定项目中各台设备设计的基本方案。在构思的基础上，组员对自己选定的设备进行设计思路的阐述，并进行小组内部答辩，由小组同学一起评价，供团队进一步修改方案。然后根据理论课程进度，逐步完成项目主体设备的概念设计(包括尺寸初步设计计算、设备零部件选型、控制方案选取等)。接着整理概念设计结果，结合理论知识，组员通过组内和组间讨论，找到各自构思和设计中存在的问题，进一步修正后得到整体满意的概念设计。(4)抽6～8课时(每小组约1小时，每人10～15分钟)采用小组辩论式教学，组员各自对概念设计中工艺参数确定、主体设备尺寸、零部件选型、控制方案设计等内容拿出有理有据的辩论材料，然后在全班同学面前进行辩论，最后和教师一起做出最终的概念设计总结，期间教师对每个学生的表现给与评价，同时各小组之间也互相评价，加权平均后作为CDIO项目成绩的平时部分。(5)最后小组提交一份CDIO项目成果，抽2课时(每小组约15分钟)展示CDIO项目成果，聘请企业工程师和指导教师对学生概念设计中存在的问题给予正确引导并给出修改建议，由教师和企业工程师一起评定小组CDIO项目成果成绩。(6)理论课结束后，每个小组成员将自已负责的设备根据CDIO项目成果展示时老师和企业工程师提出的修改意见仔细修改，然后按专业理论及设计标准进行系统的工程设计，整理设计资料作为课程设计成果，并将最终设计成果与现场设备进行比较，小组成员再次集体探讨在工程设计中存在的问题，并由企业工程师和指导教师共同完成课程设计成绩的最终评定。(7)改革课程考核方式:摒弃“一考定一课”的考核方式，评价重点关注学生整体学到的东西。考核体系包括理论考试、课堂表现、CDIO项目辩论、CDIO项目成果等几个部分组成，成绩评定以学生在全过程的实际表现和成果为依据，其中理论考试50%，课堂表现10%、CDIO项目辩论15%，CDIO项目成果占25%。

3取得的效果

由于整个过程设备设计课程设计以工程项目设计形式贯穿于理论教学的过程中，将集中两周的课程设计转变为分散进行、集中讨论、课堂辩论的方式，使课程设计与理论教学同步，并与理论教学相得益彰、相辅相成;将传统课程设计的单一设备设计改为小组合作的工段设备设计。由此可以激发学生的学习动力和热情，让学生了解设备设计的全过程，树立并培养学生的工程优化意识。同时，把过程设备设计理论课和课程设计结合起来，将单台设备简单条件的课程设计变为生产流程中工段级别的相关设备设计，并且分成两段设计(概念设计和工程设计)，指导教师能在各环节及时发现设计过程中不合理或不符合工程实际的问题，通过倾听学生答辩和参与学生的项目小组讨论，协助学生及时修改设计方案。这种理论教学与课程设计相结合的模式，有效实现了理论与实践相结合，相辅相成，真正实现了专业课程教学的有机统一。另一方面，由于工段设备设计任务复杂、难度高、工作量大，单个学生很难独自完成，而参与到小组项目中可促进同学间团结，有利于培养学生工程协作意识，亦可锻炼学生综合应用知识、表达自我及与人沟通的能力。

4结语

将CDIO工程教育理念引入过程设备设计及课程设计中，有效实现了实践教学与理论教学相辅相成、相得益彰，很好地调动了学生学习的主动性和积极性，有利于学生建立工程意识，激发专业热情，增强团队协作能力。

参考文献

［1］顾佩华，胡文龙，陆小化，等.从CDIO在中国到中国的CDIO:发展路径、产生的影响及其原因研究［J］.高等工程教育研究，2017(1):24－43.

［2］廖国进，闫绍峰，戴晓春.提高学生实践能力的过程设备设计教学改革研究［J］.辽宁工业大学学报(社会科学版)，2015，17(1):106－107.

［3］李佳，於秋萍.形成性评价在过程设备设计教学中的探索与实践［J］.化工高等教育，2017(2):58－62.

［4］许桂英，邓易元，霍峰，等.过程设备设计课程仿真教学与实践［J］．广州化工，2017，45(7):183－184.

［5］郑津洋，桑芝富.过程设备设计．4版［M］.北京:化学工业出版社，2015:1－7.

作者:刘天霞 白志浩 杜春 姜国平 单位:北方民族大学