化工設計課程的教學改革與實踐

彭 嘯 吳 燕 張晨曦 李沁然 閆方友

（天津科技大學化工與材料學院，天津 300457）

化工設計是化學工程與工藝專業(yè)的主干專業(yè)課程之一，同時也是本科階段學習中最具綜合性的課程，幾乎涉及了所有專業(yè)主干課的基礎理論知識。課程要求學生綜合運用已學過的專業(yè)基礎知識，討論化工工藝過程和設備的設計及化工廠設計問題。該課程是將專業(yè)理論與工程實踐緊密結(jié)合的課程，著重培養(yǎng)學生利用專業(yè)知識解決實際工程問題的能力[1-2]的同時提升學生的思維能力和工程能力。

目前，化工設計課程普遍開設于各院校化工專業(yè)的高年級階段，用以整合凝練物理化學、化工原理、化工熱力學、化工分離工程和化學反應工程等先修課程的理論知識。在工程應用的場景下[3]，化工設計課程可體現(xiàn)復雜工程問題中化工理論的運用。所以，熟練掌握化工設計類課程對學生順利步入生產(chǎn)和研究工作具有很大的幫助。

一、化工設計的課程特點及教學現(xiàn)狀

化工設計課程的教學質(zhì)量關(guān)系著工程應用型人才培養(yǎng)的目標與需求的達成度，同時對本專業(yè)教學發(fā)展的延展性具有較大影響[4]。但是，諸多院校專業(yè)的化工設計課程的授課情況仍有較大改善空間。主要在以下幾個方面。

第一，由于與先修課缺乏銜接，且與后續(xù)實踐考核的結(jié)合不夠緊密，化工設計的課程基礎有待進一步鞏固。

第二，課程內(nèi)容主要依托于教材，且教材更新頻率較慢，因此課程內(nèi)容急需更新和補充。

第三，雖然化工設計課程實踐性較強，但課程主要依托于課堂教學的形式，且考核方式單一，教學和考核方式需要改善。

第四，為保證課程教學質(zhì)量，青年任課教師的教學能力及工程實踐能力[5]亟待增強。

基于以上可能普遍存在問題，在本學院及專業(yè)的教學改革和學科工程認證的大背景下，為進一步提升化工設計課程的教學質(zhì)量，強化化工人才專業(yè)能力，本專業(yè)的化工設計課程需做出針對性的改革。

二、課程改革方案及實施

1.夯實課程基礎

作為一門理論與工程實踐相結(jié)合的課程，化工設計對教學實踐環(huán)節(jié)具有較高的要求。目前，大多數(shù)高等院校的化工設計課程均未對化工設計安排工程實踐課時。盡管化工設計的教學對象為高年級本科生，在先修課學習中有一定的積累，但對于單元操作的銜接、工廠車間設備布置、生產(chǎn)線開停車等內(nèi)容，缺乏深刻的體會和感性認識，這也是造成學生缺乏興趣、課堂吸收效率差的主要因素。在化工專業(yè)本科生培養(yǎng)過程中，均安排了化工生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)場實習環(huán)節(jié)，以作為化工實踐的重要先修課。但在實習環(huán)節(jié)中，由于各院校專業(yè)與企業(yè)的溝通成本較高，企業(yè)難以向化工專業(yè)本科生提供完備實操條件，難以保證本科在實習環(huán)節(jié)獲得高質(zhì)量的實習鍛煉。

本專業(yè)教師下大力氣夯實課程基礎，不斷提升原有先修課程中的實踐質(zhì)量，尤其是著重提升實習環(huán)節(jié)的課程目標達成質(zhì)量，進而加強學生對化工設計對象的認識和理解。本專業(yè)低年級生的生產(chǎn)實習環(huán)節(jié)[6]是化工設計先修課中的主要支撐，同時為強化生產(chǎn)線、車間、工廠等設計主體在學生頭腦中的客觀意識[7]起到重要作用。在本專業(yè)工程認證的大背景下，本著立足新工科建設、著眼實踐能力、體現(xiàn)工程特色的原則，本專業(yè)對化工設計這一課程的培養(yǎng)目標、授課內(nèi)容、考核方式等方面做出了深入的優(yōu)化和調(diào)整。與此同時，也為實習環(huán)節(jié)賦予了更為清晰的定位，要求學生通過參加生產(chǎn)實習達成以下目標：具有工程實踐經(jīng)歷，熟悉化工品相關(guān)的技術(shù)標準、知識產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)業(yè)政策和法律法規(guī)，了解企業(yè)質(zhì)量管理體系；了解國家的環(huán)境保護和社會可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的政策和法律、法規(guī)；能夠正確理解團隊的重要性，能主動與其他成員共享信息，合作共事。課程改革后，生產(chǎn)實習環(huán)節(jié)對學生的專業(yè)能力、工程能力[8]、團隊合作能力的要求均有提升，因此可以為后續(xù)的化工設計打下更為堅實基礎。此外，本專業(yè)對生產(chǎn)實習基地及實習環(huán)節(jié)的具體內(nèi)容進行重新優(yōu)化和選擇。通過院系教師的不斷努力，對多個實習基地進行了優(yōu)選，最終確定一石化企業(yè)培訓中心作為生產(chǎn)實習基地。該實習基地具備全套實操設備，由實際生產(chǎn)設備改造而成，配有全套DSC系統(tǒng)。在保證安全實習的基礎上，可進行開/停車的實操實訓以及考核。實習過程包括入崗安全培訓、廠區(qū)全面參觀、仿真模擬生產(chǎn)、教學生產(chǎn)線實操等環(huán)節(jié)，最終在車間技術(shù)人員的指導下完成生產(chǎn)線開停車實操考核。確保實踐質(zhì)量是化工設計先修課中最有力的支撐，能夠促進學生對化工設計的主體建立更為直觀、感性的認識[9]。為了強化化工設計的教學效果，在本專業(yè)畢業(yè)設計過程中，提高了工藝流程設計要求、車間平立面布置圖等圖紙繪制的要求。通過以上措施，進一步加強了學生的工程實踐能力，形成了連續(xù)的課程的后效應，建立了“以實習創(chuàng)認知、以課程授內(nèi)容、以畢設促應用”的良性循環(huán)。

2.完善課程內(nèi)容

化工設計課程雖備受重視，但課程教學資源仍有限，教材內(nèi)容覆蓋面及更新速度不能滿足新時代發(fā)展的要求[10]。針對上述問題，在本專業(yè)化工設計的教改過程中，課程內(nèi)容作了多方面補充。首先，化工設計課程中引入設計認知實踐教學。在開展章節(jié)教學內(nèi)容之前，以視頻的形式展示設計主體內(nèi)容。其次，引入化工廠設計中的失敗案例的教學。在每個重要的知識點的教學中，找到相應的失敗設計的案例，強調(diào)設計失誤所帶來的嚴重后果，提升學生的危機意識，明確化工設計對于安全生產(chǎn)以及企業(yè)利益的重要性。最后，將部分化工設計所必須參考的相關(guān)國標納入課程體系。國標是化工行業(yè)中最關(guān)鍵的指導性文件，也是學生步入相關(guān)行業(yè)工作中所需要認真研讀的重要資料。化工設計相關(guān)國標內(nèi)容，既豐富了教學內(nèi)容，又對教材中不滿足現(xiàn)行要求的內(nèi)容進行了對比更新。例如：課程中《工廠車間布置設計》章節(jié)，課本中所涉及的內(nèi)容有限，遠不足以滿足學生從了解到精通的需求。此外，此部分內(nèi)容中的行業(yè)設計原則和國家標準會隨著時間的推移發(fā)生改變。因此，本章節(jié)教學過程中，將《化工工廠初步設計文件內(nèi)容深度規(guī)定》（HG/T 20688-2000）、《化工工藝設計施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一》（HG 20519-2009）以及《化工裝置設備布置設計規(guī)定》（HG/T 20546-2009）等國標，選定為補充教材，作為課上設計示范的依據(jù)，同時也作為課下作業(yè)的設計參考。綜合以上三方面措施，化工設計課程的內(nèi)容得到多方面補充，使得學生在課程學習中涉及更多的工程應用內(nèi)容，工程能力和應用能力也得到了更大程度的提升。

3.改善教學方法

本專業(yè)教師對化工設計的教學方法做了深入的改革。以課程目標改革為突破口，本課程確定的課程指標點為以下幾個：首先，能運用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本知識和原理，結(jié)合文獻研究，分析化工過程的影響因素，證實解決方案的合理性；其次，能夠結(jié)合安全、法律、環(huán)境、倫理等現(xiàn)實約束條件，對設計方案進行可行性論證；再次，能夠集成單元過程進行工藝系統(tǒng)設計，對設計方案進行優(yōu)選，體現(xiàn)創(chuàng)新意識；最后，具備化學工業(yè)中的工程管理與經(jīng)濟學相關(guān)知識，在化學工程問題分析中運用工程管理和經(jīng)濟決策方法，并能在多種技術(shù)環(huán)境中應用。由此可以看出，改革后的化工設計課程對學生的基礎知識、工程創(chuàng)新意識、工程經(jīng)濟決策能力等方面均有較高的要求。所以，基于以上課程能力要求，課程教學方法應做出對應的改革。

與大多專業(yè)課相同，化工設計也以課堂教學的形式為主，即傳統(tǒng)的“老師主動教、學生被動學”的模式[11]。在此教學模式下，教師按照規(guī)定的教學內(nèi)容，通過講解演繹的方式，向?qū)W生傳達需要掌握的內(nèi)容，提升學生對課本上理論知識的理解效率，是目前最為普遍且相對高效的教學形式。但是不可避免的，該教育模式具備缺乏課堂互動性、學生喪失學習主動性、教師缺少內(nèi)容反饋性等一系列缺點。如上所述，化工設計課程具備實踐和應用屬性，需要在課程講授的基礎上增添實踐反饋環(huán)節(jié)。針對此問題，本專業(yè)的化工設計課程做了相應改革，即在對應章節(jié)內(nèi)容的授課環(huán)節(jié)中，添加了以課堂作業(yè)為載體的互動問答模塊。課堂上，完成常規(guī)講授教學模塊后，布置一簡單設計任務或展示并討論一設計案例，作為課堂作業(yè)當堂完成，而后通過課后老師評分、師生互相提問、設計評價等方法，訓練并考察學生是否靈活運用該章節(jié)內(nèi)容中的知識點。此外，輔以上述提到的化工行業(yè)標準等新增教輔材料作為參考文件，在培養(yǎng)學生思考和創(chuàng)新能力的同時，加強對化工設計能的規(guī)范性和合理性訓練。所以，在改革教學方式的基礎上，課程的考核方式也得到豐富，該課堂作業(yè)環(huán)節(jié)的評分也將作為總成績中重要的一部分，這也意味著課程評價體系也將更加完善。

4.提升教師水平

目前，院?；I(yè)青年教師人數(shù)不斷增加，但具備完善工程背景的青年教師的數(shù)量仍舊不能滿足需求。在諸如化工設計等需要體現(xiàn)工程實踐能力的課程中，任課教師的工程實踐能力也將嚴重影響課程目標的達成情況。一方面從工程類課程教學的角度出發(fā)，另一方面為了優(yōu)化院系內(nèi)具備工程實踐能力的人才結(jié)構(gòu)，并彌補青年教師普遍存在的教學能力短板[3]，本專業(yè)的每位青年教師均有一位資深教師對教學能力進行輔導，使其快速適應教學工作環(huán)境并提升教學能力。在此過程中，青年教師以助教的形式參與老教師的教學過程，夯實教學基礎。此外，青年教師全程參與老教師的畢業(yè)設計指導，在掌握課堂教學的基礎上，增強對學生的針對性指導能力。在具備基礎教學能力的前提下，全學院內(nèi)參與工程實踐類課程教學以及指導畢業(yè)設計的教師需參與專題學習。學院多次聘請化工生產(chǎn)和化工設計領域內(nèi)專家以及校內(nèi)自身督導，就化工設計問題進行多次專題培訓。此外，為了提升青年教師的工程應用水平，要求新入職教師參加本科生專業(yè)實習實踐過程，并提前接受實訓基地工程師的專業(yè)指導。在全程參與實習基地走訪和實習實訓指導的過程中，培養(yǎng)了青年教師的工程實踐水平。以上措施在不同層面上促進了青年教師的工程實踐能力的提高，同時提升了教師的授課水平，從而保證了化工設計課程的教學質(zhì)量。

三、結(jié)束語

化工設計的教學效果將直接影響學生的設計能力和工程思維，對未來國家化工行業(yè)的整體發(fā)展具有重大意義。化工設計課程的改革是適應當前經(jīng)濟社會發(fā)展需求和學生全面發(fā)展需要的基本保證。通過一段時間的改革實踐，不僅提升了相關(guān)化工設計課程的教學效果，更是在不同層面提升了學生的設計能力、繪圖能力及工程思維等能力。今后，還要不斷總結(jié)改革與實踐經(jīng)驗，繼續(xù)以教學改革為手段全面提升學生的工程應用能力，達到新時代經(jīng)濟社會對人才質(zhì)量的要求。