學(xué)科競賽驅(qū)動下的《化工設(shè)計》課程教學(xué)改革與實踐

馬闖　焦連升　劉金玉　金銅音　王蕾

摘? 要：為了強化化工設(shè)計課程在化學(xué)工程與工藝專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程中的作用，文章基于全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽，以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用型能力為目標(biāo)，對現(xiàn)有化工設(shè)計課程的教學(xué)方法和內(nèi)容進(jìn)行了創(chuàng)新和重構(gòu)，實踐證明改革后的化工設(shè)計課程能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，改變傳統(tǒng)課堂狀態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力，提高學(xué)生的工程意識和工程實踐能力，對推動教學(xué)改革和培養(yǎng)化工類應(yīng)用型人才具有重要意義。

關(guān)鍵詞：學(xué)科競賽;應(yīng)用型人才;化工設(shè)計;教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）01-0132-03

Abstract： The role of chemical engineering design courses need to be enhanced in cultivation of applied talentsin chemical engineering and technology. Based on the National Undergraduate Chemical Design Competition， this paper aims at developing students' application capability， and reconstruct and innovates on the teaching methods and contents of existing chemical design courses. The practice has proved that the reformed chemical design course can effectively stimulate students' interests in learning， change the traditional classroom state， develop their teamwork skills， as well as improve their engineering awareness and practical ability， which is of great significance to promote teaching reform and cultivate chemical application talents.

Keywords： discipline competition; application-oriented talent; chemical design; teaching reform

化工設(shè)計課程作為化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門必修課程，是對前期所學(xué)核心課程如：化工原理、化工熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、分離工程等基礎(chǔ)理論課的一個綜合應(yīng)用，具有綜合性、應(yīng)用性和工程性等特點[1]，主要培養(yǎng)學(xué)生獨立工作、獨立思考和綜合運用所學(xué)理論知識分析和解決實際工程問題的能力，是提高學(xué)生綜合素質(zhì)，使大學(xué)生向工程師轉(zhuǎn)化的一個重要環(huán)節(jié)。因此化工設(shè)計課程在化工專業(yè)和行業(yè)建設(shè)過程中有著非常重要的作用，是保證化工項目建設(shè)可以順利進(jìn)行的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)化工專業(yè)應(yīng)用型人才的重要過程，可以說一個學(xué)生化工設(shè)計能力水平的高低標(biāo)志著其實際應(yīng)用能力培養(yǎng)的成功與否[2]。

全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽（簡稱化工設(shè)計競賽）是由中國化工學(xué)會、中國化工教育協(xié)會、教育部高等學(xué)?；ゎ悓I(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會主辦，在諸多知名化工企業(yè)的贊助下，面向化工類專業(yè)學(xué)生的一項高規(guī)格學(xué)科競賽，目前是國內(nèi)級別最高、參賽人數(shù)最多、影響力最大的賽事。該學(xué)科競賽旨在多方面培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維、工程意識和團隊協(xié)作精神，增強大學(xué)生的工程設(shè)計和實踐應(yīng)用能力，為培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才，實踐“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”具有重要作用[3-4]。

化工設(shè)計競賽通過每年3月份發(fā)布任務(wù)書，要求各學(xué)校參賽隊伍依據(jù)設(shè)計任務(wù)書完成相應(yīng)的任務(wù)，最終在7月20日前在全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽官網(wǎng)上提交參賽作品。學(xué)生在這段時間內(nèi)完成設(shè)計作品，由于化工設(shè)計競賽的任務(wù)量較大，需要綜合應(yīng)用化工各學(xué)科、各課程的相關(guān)理論和實踐知識，要求學(xué)生以小組的形式共同來完成作品。顯然傳統(tǒng)的化工設(shè)計課程教學(xué)模式不能滿足新形勢下培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才的需求，這就對化工設(shè)計及相關(guān)課程的理論和實踐教學(xué)提出了更高的要求[4]，本文主要分析了化工設(shè)計課程的教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合化工設(shè)計競賽，探討了以學(xué)科競賽為驅(qū)動，重構(gòu)課程內(nèi)容，改革化工設(shè)計課程的教學(xué)模式和考核辦法的教學(xué)模式。

一、化工設(shè)計課程的教學(xué)現(xiàn)狀

隨著化工行業(yè)和教育行業(yè)的快速發(fā)展，化工設(shè)計課程由于其較強的應(yīng)用性和實踐性，使得傳統(tǒng)的教學(xué)方法并不能滿足課程目標(biāo)和人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成，存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1. 許多青年教師都是從大學(xué)到大學(xué)，缺乏工程實踐經(jīng)驗，在教學(xué)過程中不能熟練應(yīng)用工程案例教學(xué)，容易造成照本宣科，導(dǎo)致學(xué)生對工程知識理解不透徹，限制了學(xué)生工程意識的培養(yǎng)[5]。

2. 雖然化工設(shè)計課程實踐性和應(yīng)用性較強，但課程主要采用教師授課的方式進(jìn)行，缺乏相應(yīng)的工程實踐和相應(yīng)的實踐訓(xùn)練，且期末試卷的單一考核方式限制了學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)[6]。

3. 課程內(nèi)容過度依賴教材，且教材更新落后于化工行業(yè)的發(fā)展速度，教材中大多屬于落后的生產(chǎn)工藝流程和技術(shù)指標(biāo)，教師不能聯(lián)系現(xiàn)有行業(yè)發(fā)展情況對出現(xiàn)的新工藝、新設(shè)備等進(jìn)行介紹，因此教學(xué)資源的落后限制了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4. 在信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的課堂講授缺乏師生互動，則容易為“低頭族”創(chuàng)造條件，使學(xué)生對本課程喪失興趣，同時單一的課堂講授也不利于學(xué)生團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)。

以上化工設(shè)計課程實施過程中的主要問題嚴(yán)重影響了課程教學(xué)的有效實施，也導(dǎo)致了學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中無法有效地提高學(xué)生的實踐應(yīng)用能力，無法促進(jìn)課程目標(biāo)和人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成，因此開展化工設(shè)計的教學(xué)模式改革顯得十分必要。

二、化工設(shè)計課程改革與實踐

在化工設(shè)計課程教學(xué)過程中將學(xué)科競賽融入到課程教學(xué)中，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面結(jié)合化工設(shè)計競賽完成教學(xué)任務(wù)。這不僅豐富了課程教學(xué)資源，也提高了學(xué)生的綜合實踐能力。

（一）突出重點，重構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容

我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)在2018級培養(yǎng)方案調(diào)整中，將化工設(shè)計中的物料衡算和熱量衡算部分調(diào)整到計算機在化學(xué)化工中的應(yīng)用課程Aspen Plus部分中講解。根據(jù)化學(xué)工程與工藝專業(yè)畢業(yè)生在行業(yè)中的需求，將化工設(shè)計課程教師講授內(nèi)容調(diào)整為工藝流程設(shè)計和工藝流程圖、設(shè)備的工藝設(shè)計及化工設(shè)備圖、車間布置設(shè)計、管道布置設(shè)計、非工藝專業(yè)、工程設(shè)計概算及技術(shù)經(jīng)濟6大部分，共32學(xué)時。這6大部分同時也是化工設(shè)計競賽設(shè)計的核心內(nèi)容。在本課程中重點結(jié)合化工設(shè)計競賽講授工藝流程設(shè)計和設(shè)備的工藝設(shè)計部分，講授本部分過程中融入安全設(shè)計和化工環(huán)保等相關(guān)思想，同時將綠色和節(jié)能等理念貫穿設(shè)計部分的始終，滿足學(xué)生將來對項目設(shè)計的需要，對于Cup-Tower、SW6等設(shè)計用到的軟件課程不做講授，由學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

化工設(shè)計競賽的引入使得每年的設(shè)計任務(wù)是不同的，這就要求教師和學(xué)生對新出現(xiàn)的工藝和裝置進(jìn)行共同學(xué)習(xí)，利用課程中講授的設(shè)計方法和工具，查閱大量的資料結(jié)合工藝要求和特點完成一個全新的項目設(shè)計。這對培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和提升教師的教學(xué)能力具有重要意義。

（二）學(xué)科競賽，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力

化工設(shè)計課程改革后，將化工設(shè)計競賽引入課程，化工設(shè)計競賽任務(wù)書中行業(yè)前沿的設(shè)計項目，彌補了化工設(shè)計課程教材資源落后的缺點。在化工設(shè)計競賽任務(wù)書下發(fā)時即為學(xué)期初，將化工設(shè)計競賽的設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行整理，分解為工藝流程設(shè)計、流程的物料和能量衡算、控制方案設(shè)計和設(shè)備設(shè)計、車間布置設(shè)計、管道布置設(shè)計、非工藝設(shè)計、技術(shù)經(jīng)濟評價和節(jié)能環(huán)保優(yōu)化等部分，一一與化工設(shè)計課程內(nèi)容進(jìn)行對應(yīng)，讓學(xué)生跟隨化工設(shè)計課程進(jìn)度，完成化工設(shè)計競賽設(shè)計的各個部分內(nèi)容，課程中引入化工設(shè)計競賽的項目設(shè)計，豐富課程教學(xué)資源的同時，鍛煉了學(xué)生的實踐應(yīng)用能力，在學(xué)期末課程結(jié)束后，設(shè)計作品作為課程作業(yè)，同時化工設(shè)計競賽的設(shè)計作品已經(jīng)初步成型，在此基礎(chǔ)上鼓勵學(xué)生進(jìn)行優(yōu)化，補充三維配管設(shè)計、廠區(qū)漫游等設(shè)計內(nèi)容，此部分內(nèi)容為教師指導(dǎo)，學(xué)生自行研究、設(shè)計，完成后即可提交作為化工設(shè)計競賽的參賽作品。實現(xiàn)了在課程實施過程中初步完成設(shè)計作品，課程結(jié)束后輔助學(xué)生進(jìn)行能力拓展，通過拓展完成化工設(shè)計競賽要求的剩余內(nèi)容，這樣既能夠滿足課程考核的需要，又能夠通過簡單優(yōu)化成為一份完整的化工設(shè)計競賽作品，參加競賽的優(yōu)秀作品可獲得河北省及全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽獎項，學(xué)校對于獲獎學(xué)生在課外學(xué)分認(rèn)定和資金獎勵等方面均給予相應(yīng)的支持，這在很大程度上激發(fā)了學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)動力，提高了學(xué)生對項目設(shè)計的積極性。

（三）教學(xué)模式改革，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力

在本課程的教學(xué)改革過程中，對傳統(tǒng)的教學(xué)模式和考核辦法進(jìn)行了調(diào)整。由傳統(tǒng)的教師講授為主，變?yōu)楝F(xiàn)在以學(xué)生小組自主設(shè)計為核心，每個小組由4-5名學(xué)生組成，教師結(jié)合項目設(shè)計內(nèi)容每次課中對本周學(xué)生應(yīng)完成的設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行介紹、指導(dǎo)，課下由學(xué)生完成，定期分小組進(jìn)行匯報，匯報內(nèi)容包括小組分工、設(shè)計內(nèi)容和完成情況、存在的問題和下一步的設(shè)計計劃等內(nèi)容，每次匯報的成績作為學(xué)生平時成績，而平時成績也加入學(xué)生的自評和互評分，提高了學(xué)生平時學(xué)習(xí)的積極性和效率。

該課程的考核也由傳統(tǒng)的期末試卷理論考核的方式，改革為現(xiàn)在多元化的考核方法，由原來的重知識考核改革為現(xiàn)在的重能力考核，即總成績由平時匯報成績（共分為4次）、設(shè)計項目答辯成績（三個以上教師評委）、設(shè)計作品成績?nèi)糠纸M成。多元化的考核方式更注重過程性考核、更注重學(xué)生能力的考核，是應(yīng)用性人才培養(yǎng)過程中的一個重要特點。

經(jīng)過課程教學(xué)模式的改革有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和實踐能力?；ろ椖吭O(shè)計來源于化工生產(chǎn)實際，與現(xiàn)有化工行業(yè)密切相關(guān)，在不給定設(shè)計原料或產(chǎn)品的情況下，由學(xué)生通過查閱資料根據(jù)國家和行業(yè)政策、市場需求等確定生產(chǎn)原料或工藝產(chǎn)品，在這過程中學(xué)生需要拋棄實驗室工藝設(shè)計的思維，結(jié)合所學(xué)知識和生產(chǎn)實際采取工程思維來思考、設(shè)計、解決相關(guān)問題等，從而讓學(xué)生能夠系統(tǒng)地利用各學(xué)科知識完成項目設(shè)計，訓(xùn)練學(xué)生的工程設(shè)計能力。這可以為學(xué)生畢業(yè)進(jìn)入行業(yè)工作起到一個很好的橋梁作用。

本課程的改革有效促進(jìn)了學(xué)生團隊協(xié)作能力的提高。在實施項目設(shè)計的過程中由于需要以小組的形式來完成，這就要求學(xué)生必須合理分工，比如工藝方案確定后，有同學(xué)進(jìn)行工藝模擬優(yōu)化，有同學(xué)需要進(jìn)行設(shè)備設(shè)計和優(yōu)化，這就需要他們在實施過程中及時溝通交流，并相互協(xié)調(diào)、配合，只有小組成員間的互相鼓勵、互相溝通和交流才能按期完成設(shè)計作品，所以化工設(shè)計競賽項目設(shè)計的引入對學(xué)生學(xué)習(xí)意志、心理素質(zhì)和團隊協(xié)作能力進(jìn)行綜合培養(yǎng)。

通過教學(xué)模式的改革，學(xué)生在實施項目設(shè)計的過程中以小組的形式來開展，通過在教師的指導(dǎo)下，要求學(xué)生按照工程設(shè)計要求自主查閱資料、自主學(xué)習(xí)系列軟件、自主評估取舍相關(guān)生產(chǎn)工藝、新型設(shè)備、過程節(jié)能技術(shù)和自動化控制等先進(jìn)的技術(shù)，從而促進(jìn)了自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。同時學(xué)生的實踐應(yīng)用能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力也得到了有效的提升[7]，這有效支撐了化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)要求的達(dá)成。

三、化工設(shè)計課程改革成效

化工設(shè)計課程教學(xué)改革3年來的實踐證明，學(xué)科競賽驅(qū)動下的化工設(shè)計教學(xué)模式改革使得教學(xué)效果不斷提高，充分激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)得到了明顯的改善，學(xué)生應(yīng)用性能力也有了明顯的提高，培養(yǎng)效果得到了兄弟院校和社會的普遍認(rèn)可。表1是化工設(shè)計課程教學(xué)改革實施以來學(xué)生參加化工設(shè)計競賽的獲獎情況，從表中可以看出3年來，學(xué)校參加化工設(shè)計競賽的學(xué)生數(shù)不斷增加，學(xué)生獲得省級以上獎勵的數(shù)量不斷增加，在第11屆河北省的大學(xué)生化工設(shè)計競賽中，我校也是唯一一所獲得特等獎的地方院校，這極大地提升了學(xué)校和專業(yè)的知名度。經(jīng)歷過化工設(shè)計競賽的學(xué)生也重新對化工專業(yè)有了新的認(rèn)識，明顯提升了專業(yè)知識技能和綜合能力，對學(xué)生研究生的考核和面試也起到了極大的促進(jìn)作用。另外在指導(dǎo)學(xué)生參加化工設(shè)計競賽的過程中也提升了教師的專業(yè)水平，使教師了解到了更多的行業(yè)前沿知識和技術(shù)，在后續(xù)的教學(xué)過程中能夠?qū)⒋私?jīng)驗和平時的理論知識相結(jié)合有效的開展教學(xué)。也因此兩位教師獲得河北省教育廳化工設(shè)計競賽優(yōu)秀指導(dǎo)講師榮譽稱號，同時學(xué)校還獲得了第11、12屆華北賽區(qū)的優(yōu)秀組織獎，現(xiàn)代化設(shè)計方法單項獎等諸多獎項。

另外本課程以學(xué)科競賽為驅(qū)動的教學(xué)模式目前在本校已經(jīng)開始推廣，學(xué)校于2018年下發(fā)了《河北民族師范學(xué)院一院一品計劃實施辦法》，鼓勵各學(xué)院依托自身專業(yè)特點、學(xué)科優(yōu)勢設(shè)計高質(zhì)量的品牌學(xué)科競賽活動，積極參加國家級、省級高水平學(xué)科競賽，使學(xué)科競賽具有一定的水平，真正能夠促進(jìn)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)，能夠培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神和綜合實踐能力。力爭實現(xiàn)一個學(xué)院一個品牌。

四、結(jié)束語

本課程采用以學(xué)科競賽驅(qū)動《化工設(shè)計》課程的教學(xué)模式改革，經(jīng)過3年實踐證明化工設(shè)計競賽引入課程能夠促進(jìn)學(xué)科知識的相互滲透，促進(jìn)學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[8]，同時也對課程資源更新具有較好的作用。本專業(yè)實施課程改革后為社會行業(yè)培養(yǎng)了一批滿足需求的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。同時該教學(xué)模式的改革也為其他學(xué)科的教學(xué)模式改革和應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供了一條可借鑒的思路。

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