面向能源工程类人才培养的

《化工原理》课程体系改革与实践

（成果总结）

正文

一、项目改革的背景

在目前普遍面临资源紧张、能源转型、环境要求苛刻的大环境下，企业迫切需要培养一批有创新意识、能够解决实际工程问题的高层次人才。这就要求学生能从课堂向生产快速过渡，高效提升工程素质，然而，这正是当前我国工程教育的薄弱环节。

《化工原理》作为化工学科最核心的专业基础课，是理论联系生产的桥梁。《化工原理》课程体系通常只包括《化工原理》、《化工原理实验》和《化工原理课程设计》（独立设课）。在课堂教学之前，学生尚未对现场建立感官认识；课堂教学中工程资源较匮乏；实验和实践环节仅针对基本单元过程，缺少大型综合工程训练（工业生产至少将几个甚至十几个单元过程集成），与实际生产相脱节，学生难以从课堂快速过渡到生产。

因此，本课程体系需融入新的教学环节。《化工认识实习》开设于《化工原理》之前，能让学生对现场有广泛了解，可对本课程进行必要铺垫。同时，在课堂教学和基础实践之后，开展大型综合性“工程实训”是由理论转化为生产的阶梯。由此我们设计了工程能力的递进培养模式，创建了“现场感官认知→理论学习→基础实践→大型综合工程实训”的“工程能力提升系统工程”，精准设计每个培养环节，实现学生素质的循序培养。其中，中国石油大学（北京）和北京石油化工学院共建的“工程特色实训”是改革成果的亮点。通过开展大型综合工程实验和工业仿真，可以向学生提供面向企业的工程实践途径，还能拓展学生的专业视野，使之快速适应石油加工、煤化工、天然气化工、新能源等能源化工需求。

不仅如此，培养高层次工程创新人才还需要工程经验和实践能力过硬的师资队伍。在本学科领域，中国石油大学（北京）有良好的教学和科研传承。建校初期，曹本熹院士、沈复教授、时铭显院士开创了本课程，同时也开发了引领行业的过程强化技术，并成为现代分离技术的开拓者；新一代领军人物卢春喜教授、刘艳升教授解决了工业上诸多“卡脖子”问题，实现了技术的良好传承。我们进行教学改革，目的也正是让这些突出的科研成果能为教学服务，形成架构更为合理的高层次课程体系、前沿教学知识模块和先进培养模式，让高新科技引领工程教育，更能体现大国重器、工匠精神。

就工程实训平台建设来说，中国石油大学（北京）和北京石油化工学院具备深度合作条件，两校都属能源行业院校，各具优势，可以互相促进、彼此补充。中国石油大学（北京）肩负着引领石油行业发展方向的重任，凭借自身在单元过程技术领域的创新引领，为北京石油化工学院的综合实验平台建设提供了有力支持。973首席科学家卢春喜教授等受邀进行长期指导，促进其整体水平的提升。同时，北京石油化工学院前身是燕山石化公司的实践基地，工程基础雄厚，长期为中国石油大学(北京)提供完善的实习、仿真和工程实验条件：①两校共享实习基地，定期请北京石油化工学院老师及企业技术人员做专业讲座。②凭借良好的软硬件条件，提供了共享实验平台。③近十年北京石油化工学院一直承办北京市“化工原理”竞赛，中国石油大学（北京）作为命题单位也积极携手承办。这些都为两校深度合作奠定了坚实基础。共建的“工程实训平台”展示了高校间工程资源共享和优势互补的教学模式，对工程教育具有很好的辐射示范作用。

项目改革总体思路如图1所示。

图1 项目改革思路

二、突出能源工程特色的《化工原理》课程体系建设成果

改革成果如下图所示。

成果1. 创立工程能力递进培养模式，大型综合工程实训成为亮点；高校工程资源共建共享，彰显工程教育辐射示范作用。

工程能力培养是一个系统工程，需要循序渐进。《认识实习》为后续单元过程原理和设备学习打下坚实基础。“工程特色实训”包括三部分：大型综合实物装置特点鲜明，分别针对工程放大、能源高效利用、环境治理等；工业仿真使复杂抽象的设备教学和工艺模拟简单直观；规范化设计实现了工程能力的实际演练。能使学生从课堂教学快速向生产实际过渡。

1.1 工业规模实物平台（6套大型综合装置）

① 6400×800×9000mm全国最大冷模精馏塔：重15.6吨，配备165kW风机（相当于首钢单台风机），与生产实际相对接，最能体现工业规模。

② Φ1200×1500mm工业规模浮阀塔：完全按工业标准设计制造，极适合设备结构教学和拆装演示。

③ Φ100×6000mm大型撬装多功能循环流化床：配备颗粒速度密度测量仪等先进仪器，可开展探索性工程实验。

④ Φ500×7000mm新型流化焦化反应器：采用多项专利，有助于理解工业焦化。

⑤ 大型有机废气VOCs一体化净化处理装置：采用光催化、等离子体吸收、催化燃烧等新技术实现挥发性实现有机物减排。

⑥ 单元过程大型综合实验装置：包括空气-乙醇气体吸收特色综合系统以及包含多个单元的大型综合实验装置，提升了对多单元协同耦合的综合认知。

前四套由中国石油大学（北京）建设，体现了特色科研成果，后两套由北京石油化工学院开发，是对多单元大型综合实验和工业热点的探索，分别针对工程放大、环境治理、能源高效利用等，各具特色。

1.2 工业仿真平台

① 3D塔设备仿真和流态化动态模拟：实现了设备的三维设计和智能装配，可视化教学方便学生了解工程实施过程，还拍摄了完整视频，丰富了课堂教学。

② 工业流程仿真：对常减压蒸馏、催化裂化等炼油特色装置和二甲苯临氢异构化反应等化工特色装置仿真训练，掌握典型工艺，熟悉单元设备及DCS控制系统，是实物教学的必要补充。

1.3 《化工原理课程设计指导书》和工业标准示范图集

① 编写了极具石油化工特色的《课程设计指导书》，增加了全塔负荷性能图、Aspen plus工艺模拟、物性数据库等内容。全塔负荷性能图是省部级科研奖励的重要成果，首次用于教学，通过瓶颈分析和多方案对比可帮助学生向工业设计过渡。

② 建立了“工业版”和“学生版”的化工原理课程设计标准示范图集。“学生版”是学生制图模板和教师评定标准。“工业版”可使学生获得完整工业信息。

成果2. 科研与教学深度融合，从“理论、技术、方法论”多维度实现知识体系的整体升华，打造一流精品课程。

团队拥有北京市教学名师、973首席等高层次人才，还包括催化裂化、流态化、精馏及塔设备知名专家，创新成果在国内182套工业装置成功应用，经济效益累计156.86亿元。籍此，丰富的工程经验与教学深度融合：

从“场－流”理论、“相控制”理论高度重新认识单元过程本质和传递普遍规律，使学生获取一流学科知识。将科研成果（2项国家奖、35项省部级奖）转化为精馏及塔器、流态化及气固分离、热集成等教学模块，以VQS高效快分、组合汽提等最新专业技术充实教学内容。此外，还将“工装一体化”思想和解决工程放大的“相似论”等研究方法论以及类比、演绎等学习方法论引入教学。通过树立前瞻性科学思想、吸收创新性的实用工程技术，实现了知识体系的整体升华。

成果3. 教师/学生同步提升，工程/创新并轨建设，人才培养稳步双赢

团队重视教师的工程素质培训：①邀请知名企业专家、团队的北京市教学名师、973首席等介绍经验，在《认识实习》和“工程实训”中以老带新，重视与高校之间和校企之间的交流；②鼓励青年教师参加教学比赛、集体观摩、定期组织专业学习，提升教学认识；③通过科研锻炼教师的工程/创新能力，建设一流师资队伍。目前团队中有工程经验和科研成果积累的教师占比达95%，涌现出一批优青、品牌课教师等后备力量。

学生工程能力培养也更趋完善：①通过大型工程实训，让学生了解多单元复杂集成、生产规模与装置放大的工程意义、能源领域的主流和热点问题；②鼓励学生参与项目研究式实践，锻炼科研能力；③通过建设翻转课堂，以教促学习；④积极参与大学生竞赛，快速提升学生的综合素质；⑤开展石油特色思政，介绍老一辈科学家的卓越贡献、新一代获得行业荣誉的先进事迹，使学生树立正确的工程伦理观。

四、特色和创新

（1）共建“工程实训教学平台”，实现课程体系创新

大型综合“工程实训平台”更强调规模效益、综合实验能力和能源工程意识，既融入了单元过程发展前沿，也体现了由基本单元构建不同工艺的方法和实践，是传统教学向实际生产（多单元复杂综合）过渡的桥梁。新体系从感官认知→单元过程强化理论→典型装备和大综合工程实验→规范化工程设计，形成递进式培养模式，成为工程/创新能力培养的系统工程。工程平台共享也成为高校间集中优势资源开展工程实训的典范。

（2）科研服务教学，从多维度重塑知识体系，实现教学内容创新

新教学内容更多针对工业热点和“卡脖子”问题，兼顾能源化工领域的发展和转型。在一流科研平台支撑下，将团队多年来积累的科技成果（2项国家奖和35项省部级奖）融入教学，形成具有科学性和实用性的知识模块，如：流态化及气固分离、精馏过程强化、塔设备放大及增效、VOCs减排等，多项成果处于国际或国内领先。以高新科技引领工程教育，成为学生获取前沿知识、提升工程能力最有效的手段。

（3）抽提单元过程本质，融合知识、技术、方法论，实现思维模式创新

从“场—流理论”新高度认识单元过程的共性和个性特征，体会以基本单元构建不同工艺过程、解决复杂工程问题的实践。如通过认识实习可了解生产能力和设备规模的关系，然后通过理论教学掌握小型设备中的三传现象和基本原理，再拓展到多相流场规模扩大后的性能降额等问题，最终由“相似论”升华“工程放大”思想，进而推广到设备大型化普遍问题。这里涉及知识、技术和方法论的层层深入，经过系统提升，能从多维度实现思维模式创新。这是培养能把握行业发展方向、解决企业难题的高层次工程创新人才所必需的。

五、推广应用效果

（1）“工程实训平台”取得了一批标志性教学成果。

“工业规模实物装置”得到教指委专家天津大学张凤宝教授和河北科技大学赵地顺教授的高度评价。超大型精馏塔为全国最大冷态实验塔，多功能撬装流化床和焦化流化床是国家奖转化的重要教学成果，空气/乙醇气体吸收综合系统对学生开展集成实训。“课程设计”中全塔负荷性能图也是科研获奖成果，用于教学尚属首创。工程仿真软件来自燕化公司培训资源，可助力向企业生产快速过渡。工程实训平台成为历年北京市“化工原理”竞赛强有力的支撑。

（2）团队建设业绩斐然，整体实力快速成长

本课程评为北京市精品课、北京市优秀教学团队；拥有北京市教学名师1人，学校教学名师3人；973首席科学家1人，国家自然基金优秀青年基金获得者1人；校品牌课教师1人，院品牌课教师3人。

承担了25项教改课题（8项省部级），发表了13篇教改论文。获全国高校化工原理教学能力大赛特等奖（曹睿）1项、一等奖（邓春）1项，教育部教学成果奖8项、校级教学成果奖9项，校教学卓越奖1项，校青年教师卓越奖1项。

参编化工原理“十一五”国家级规划教材，被中国石油大学（华东）、北京石油化工学院等多所高校采用，获山东省优秀教材一等奖。

（3）实践创新成绩优异，引导就业效果显著

竞赛：近五年参加北京市“化工原理”竞赛和华北赛区、全国“化工实验”大赛，获奖137项，其中全国奖4项（一等奖1项，二等奖3项），华北区15项，北京市118项）。

学生论文成果和奖励：获北京市优秀毕业论文1项，发表3篇教学论文。

毕业生评价和就业：根据第三方评价，毕业生认为对自身能力提升最大的课程中，《化工原理》排名第一，每年学习人数近1000人。毕业生中有41.6%读研究生，就业学生中有58.2%在工程类单位，研究生中也有超半数选择工程类单位。

（4）课程体系建设助力毕业生在企业快速成长，彰显辐射示范作用。

凭借本课程的前沿知识、先进技术和在校培养的创新思维模式与工程能力成为毕业生成功解决诸多工程问题的有力支撑，如：

2017届毕业生易蒙：入职中石化镇海炼化公司，2019 年在全国催化重整职业技能大赛中获金牌；被评为“中国石化青年岗位能手”，2021年被评为“全国优秀共青团员”。2019年承担贵金属催化剂密度分级工作，节约成本450万元；利用RSIM软件模拟优化，结束了20年老装置碳七馏分不满足国Ⅵ汽油调和标准的历史。解决了稳定塔铵盐堵塞和再生气循环机故障问题。他毕业仅4年就脱颖而出，充分说明在校期间通过实物教学、工业仿真和设计训练，使他们掌握设备结构、了解工业运行，具备攻关所需核心竞争力。本项目确实为提升学生工程素质、缩短企业培训周期起了显著作用。

2009届毕业生张如范现清华大学任教，依托在校培养的实践操作技能，为综合素质提升打下了良好基础，工作后成功攻克实验难题，在Nature等期刊上发表了高水平文章。获得瑞士Chorafas青年研究奖、教育部自然科学奖、中国化学会青年化学奖等15项重量级奖励，也是项目应用效果的有力证明。

上述成果表明，该项目可为国家培养高层次工程能源类创新人才，具有极其广泛的应用前景和推广价值。