新工科背景下化工原理課程設(shè)計教學(xué)改革

胡榕華 陳玉鳳 賓月景

(梧州學(xué)院 化學(xué)工程與資源再利用學(xué)院，廣西 梧州 543000)

當(dāng)前我國正處在加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式、推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，為進(jìn)一步提升高等工程教育在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟背景下的服務(wù)支撐能力，教育部自2017年以來積極推動高校新工科教育。新工科的內(nèi)涵可以概括為[1]：“以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才?！?/p>

化工類專業(yè)雖然是一個傳統(tǒng)的工科專業(yè)，但該專業(yè)也是與高新科技最密切相關(guān)的工科專業(yè)之一。新經(jīng)濟形勢下化學(xué)工業(yè)轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)化學(xué)工業(yè)集約發(fā)展、清潔發(fā)展、低碳發(fā)展、安全發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展，迫切需要大批高素質(zhì)的應(yīng)用型、復(fù)合型新工科化工人才[2]?；ぴ碚n程設(shè)計是化學(xué)工程與工藝、林產(chǎn)化工、制藥工程、資源循環(huán)科學(xué)與工程等化工類專業(yè)一門重要的專業(yè)核心實踐課程，是化工原理理論學(xué)習(xí)后的實踐課程，是綜合運用化工原理和有關(guān)先修課程知識完成化工單元操作設(shè)計的實訓(xùn)課程[3]。通過課程設(shè)計，學(xué)生可以熟悉化工單元操作的基本原理，掌握典型化工單元操作的工藝設(shè)計計算。對學(xué)生進(jìn)行設(shè)計技能的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的理論知識解決工程實際問題的能力，為后續(xù)的化工設(shè)備課程設(shè)計、化工設(shè)計課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等后續(xù)相關(guān)實踐環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)[4]。作為化工類專業(yè)一門重要的實踐課程，化工原理課程設(shè)計的課程建設(shè)對新經(jīng)濟形勢下高素質(zhì)應(yīng)用型、復(fù)合型新工科化工人才培養(yǎng)的重要性不言而喻。對化工原理課程設(shè)計進(jìn)行教學(xué)改革，提高課程教學(xué)質(zhì)量，增強學(xué)生的工程應(yīng)用能力，是我校主動適應(yīng)新經(jīng)濟發(fā)展和新工科建設(shè)背景下化工類專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的必由之路。

1 化工原理課程設(shè)計傳統(tǒng)教學(xué)過程存在的問題

我校的化工原理課程設(shè)計從2011年開設(shè)，目前已面向林產(chǎn)化工、制藥工程、資源循環(huán)科學(xué)與工程等本科生開展了該門課程的實踐教學(xué)工作。

化工原理課程設(shè)計在傳統(tǒng)教學(xué)中主要存在以下問題：第一，化工原理理論課學(xué)時數(shù)較少，學(xué)生的理論基礎(chǔ)知識相對較薄弱。學(xué)生雖然進(jìn)行了系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)，但對單元操作的基本原理、工藝設(shè)計計算、設(shè)備結(jié)構(gòu)知識掌握不夠；第二，學(xué)生的工程觀念比較欠缺，科學(xué)觀不足，雖然在企業(yè)進(jìn)行了課程實習(xí)，但對工程內(nèi)容了解仍然較少，對工程項目設(shè)計知識的掌握還比較膚淺，創(chuàng)新意識不夠；第三，設(shè)計時間緊，任務(wù)重，學(xué)生查閱設(shè)計手冊的能力還不強，個別學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，作品完成質(zhì)量不高；第四，青年教師缺乏化工設(shè)計經(jīng)驗和工廠實踐經(jīng)驗，對學(xué)生最終設(shè)計結(jié)果的可靠性和適用性難以做出正確判斷；第五，設(shè)計選題面窄，一般以換熱器或塔設(shè)備的工藝設(shè)計為題，驗證性設(shè)計題目多，與學(xué)生所實習(xí)的周邊化工企業(yè)現(xiàn)狀關(guān)聯(lián)較少，難以培養(yǎng)學(xué)生的綜合運用能力；第六，課程設(shè)計學(xué)時有限，教師指導(dǎo)學(xué)生人數(shù)過多，教師主要在課堂上講解一些單元操作的課本知識和課程設(shè)計要求，后續(xù)沒有更多的時間集中指導(dǎo)，難以對所有的學(xué)生進(jìn)行有針對性的設(shè)計指導(dǎo)；第七，課程設(shè)計的考核簡單，多以設(shè)計說明書和圖紙作為評斷依據(jù)，沒有完全真實反映學(xué)生的設(shè)計能力，不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和溝通交流能力。

2 教學(xué)改革的措施

針對目前化工原理課程設(shè)計傳統(tǒng)教學(xué)中所存在的問題，結(jié)合新工科背景下社會對化工類應(yīng)用型人才的要求，以“實際應(yīng)用，提升能力”為原則，我們對課程設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)、選題內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式、教學(xué)平臺、教學(xué)團隊等方面進(jìn)行教學(xué)改革。

2.1 教學(xué)目標(biāo)的改革

我校是二本高校，學(xué)生的層次參差不齊，在化工原理課程設(shè)計教學(xué)中應(yīng)根據(jù)學(xué)生自身素質(zhì)、學(xué)習(xí)能力和未來的就業(yè)方向，確定分層次的教學(xué)目標(biāo)。對于專業(yè)基礎(chǔ)較差、自我學(xué)習(xí)能力不強的學(xué)生，其教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力和基本的工程設(shè)計能力，掌握換熱器、離心泵、吸收塔的選型設(shè)計計算，學(xué)會編制設(shè)計說明書，并繪制規(guī)范的工藝流程圖；而對于那些專業(yè)基礎(chǔ)好、工程素質(zhì)高以及日后可能從事化工生產(chǎn)、管理和開發(fā)設(shè)計工作的學(xué)生，其教學(xué)目標(biāo)是熟練進(jìn)行某一化工生產(chǎn)過程的流體輸送、過濾、傳熱、吸收等單元操作的綜合工藝計算和設(shè)備選型，鼓勵其采用現(xiàn)代設(shè)計軟件如CUP-TOWER、Aspen Plus進(jìn)行設(shè)計，增強其學(xué)習(xí)的主動性，進(jìn)一步樹立工程意識和安全、節(jié)能、環(huán)保、創(chuàng)新的理念，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的理論知識解決工程實際問題的能力。

2.2 選題內(nèi)容的改革

化工原理課程設(shè)計是化工及相近專業(yè)學(xué)生在大學(xué)學(xué)習(xí)階段的第一門設(shè)計課程，學(xué)生沒有設(shè)計經(jīng)驗。因此在開始進(jìn)行課程設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合學(xué)生在化工原理課程所學(xué)習(xí)的單元操作理論基礎(chǔ)知識，選定與生產(chǎn)實際貼近的設(shè)計題目，并把控好設(shè)計的難度。根據(jù)多年的化工原理教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合當(dāng)前新冠疫情的防疫形勢，我們將化工原理課程設(shè)計的設(shè)計題目確定為“某化工產(chǎn)品的換熱器、離心泵、過濾機、吸收塔、風(fēng)機選型計算”。該選題來自化工廠三氯異氰尿酸項目的生產(chǎn)實際(該產(chǎn)品是高效廣譜消毒劑，可用于新型冠狀病毒的消殺)，選題涉及該項目的氯化工序和過濾工序，設(shè)計內(nèi)容包括多種單元操作在生產(chǎn)線的實際應(yīng)用，難度適中，符合大部分學(xué)生實際掌握的理論知識水平和能力，在老師的指導(dǎo)下學(xué)生經(jīng)過努力能順利完成設(shè)計任務(wù)。與國內(nèi)部分高校的化工原理課程設(shè)計只進(jìn)行某一單元操作的單項設(shè)計相比，本課程設(shè)計選題是運用化工原理各單元知識對一個產(chǎn)品的多個單元操作進(jìn)行綜合設(shè)計，內(nèi)容更全面，知識更與當(dāng)前防疫抗疫實際緊密聯(lián)系，達(dá)到將各單元操作知識進(jìn)行綜合運用訓(xùn)練和解決實際問題的目的，學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計的熱情和積極性更高。

2.3 教學(xué)方式的改革

2.3.1 合理安排課程設(shè)計的時間

我?；ぴ碚n程開設(shè)在第3、4學(xué)期。第3學(xué)期，教學(xué)內(nèi)容包括流體流動、流體輸送機械、沉降與過濾、傳熱；第4學(xué)期，教學(xué)內(nèi)容包括吸收、蒸餾和干燥。根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的實際情況，化工原理課程設(shè)計開設(shè)在第4學(xué)期，課時數(shù)17學(xué)時。為了提高課程設(shè)計的質(zhì)量，本課程安排在第6～9周，每周4～5節(jié)課。化工原理課程設(shè)計的教學(xué)進(jìn)度安排如下：第6周，換熱器的設(shè)計，5學(xué)時；第7周，換熱器設(shè)計輔導(dǎo)，4學(xué)時；第8周，離心泵揚程計算及選型、管道阻力計算、轉(zhuǎn)鼓真空過濾機計算及選型，4學(xué)時；第9周，吸收塔的設(shè)計計算及風(fēng)機的選型，4學(xué)時。

2.3.2 采用線上線下混合式教學(xué)指導(dǎo)方式

根據(jù)高校教學(xué)的特點和原則，并考慮到學(xué)生基礎(chǔ)知識的差異和課程教學(xué)內(nèi)容的安排，總體上，化工原理課程設(shè)計的教學(xué)采用線上線下混合式的教學(xué)方式。通過線下引導(dǎo)和線上學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式，落實以學(xué)生為中心，以教師為主導(dǎo)的教育理念。課前，要求學(xué)生線上自學(xué)，觀看雨課堂平臺上發(fā)布的課程設(shè)計任務(wù)書的講解視頻，并做完課前預(yù)習(xí)題；引導(dǎo)學(xué)生到中國大學(xué)慕課以及一些知名化工專業(yè)論壇查找更豐富的課程設(shè)計學(xué)習(xí)資源。這樣，教師可以在課堂中有更多的時間指導(dǎo)學(xué)生，從而有利于加快課程設(shè)計的進(jìn)度，同時更好地培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。課間，采用在教室集中授課的方式，教師講解課程設(shè)計內(nèi)容的難點、各單元知識的架構(gòu)及其相互聯(lián)系，集中指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計。檢查學(xué)生設(shè)計進(jìn)度，解答學(xué)生課程設(shè)計中遇到的問題。在課堂教學(xué)中，注重啟發(fā)性引導(dǎo)，采用講授、提問、討論、演示和翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學(xué)方法，給學(xué)生一定的自由空間，自主完成相關(guān)專業(yè)知識查閱。激勵學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行知識梳理、加工和思考，認(rèn)識重要概念之間的相互聯(lián)系。鼓勵學(xué)生發(fā)表自己的觀點，針對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行批判性思考，并運用于實踐活動。課后，要求學(xué)生自行查閱設(shè)計手冊，繼續(xù)完成設(shè)計工作；設(shè)計中期要求學(xué)生在雨課堂平臺上傳設(shè)計初稿檢查設(shè)計情況，對發(fā)現(xiàn)的問題逐一解決。通過采取線上線下的混合式教學(xué)，有效地提高了課程設(shè)計的質(zhì)量。

2.3.3 開展課程的思政教育

課程都有育人功能。開展課程的思政教育，把做人做事的基本道理，把社會主義核心價值觀的要求，把實現(xiàn)民族復(fù)興的理想和責(zé)任融入到課程教學(xué)中，從而貫徹落實高校新工科建設(shè)立德樹人的根本任務(wù)[5]。在上課時，教師把消毒產(chǎn)品質(zhì)量對國家防疫的重要性、產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的安全性、三廢污染的危害性進(jìn)行強調(diào)，讓學(xué)生明白設(shè)計是一項嚴(yán)肅的工作。有個別學(xué)生認(rèn)為，上課可以不到機房教室，可以隨便遲到和早退，從而使設(shè)計進(jìn)度緩慢，以致出現(xiàn)錯誤不能及時糾正。因此，我們結(jié)合課程的設(shè)計要求以及企業(yè)的崗位職責(zé)，對學(xué)生進(jìn)行愛崗敬業(yè)的職業(yè)道德教育，加強培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣、認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)。同時，我們定期檢查設(shè)計進(jìn)度和設(shè)計質(zhì)量。在進(jìn)行課程設(shè)計最終成績考核時，這部分的平時成績占到30%的比例，更好地調(diào)動了學(xué)生的積極性和主動性。

2.3.4 加強工程設(shè)計軟件在課程設(shè)計中的應(yīng)用

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，工程軟件在現(xiàn)代化工設(shè)計中使用廣泛。鼓勵學(xué)生在課程設(shè)計中使用Excel、AutoCAD、CUP-TOWER等軟件，這樣學(xué)生在少課時情況下能達(dá)到較好的設(shè)計效果，提高課程設(shè)計的效率和質(zhì)量[6-7]。例如，可以采用具有強大數(shù)據(jù)分析和處理能力的Excel軟件，減少學(xué)生在換熱器、吸收塔等設(shè)計時因取值不合適而進(jìn)行重復(fù)計算的工作量；運用AutoCAD繪制規(guī)范、美觀的工藝流程圖，既能強化學(xué)生的計算機應(yīng)用能力，又能提高學(xué)生的繪圖能力和工程意識；對于個別學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生，增加塔附件阻力的計算，并應(yīng)用CUP-TOWER軟件對塔設(shè)備進(jìn)行水力學(xué)校核，更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。鼓勵特別優(yōu)秀的學(xué)生，自學(xué)化工設(shè)計常用的大型通用流程模擬軟件Aspen Plus，將其應(yīng)用到換熱器、塔設(shè)備的設(shè)計中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)代設(shè)計軟件的熱情，為參加全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽及畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。

2.4 考核方式的改革

化工原理課程設(shè)計采用過程考核辦法?？傇u成績由平時成績、設(shè)計作品及答辯3項內(nèi)容構(gòu)成，貫穿整個教學(xué)過程，總評滿分100，高于等于60為及格，低于60為不及格。不設(shè)期末考試，不設(shè)補考，總評成績不及格，直接列為重修科目。我們對每一部分考核內(nèi)容規(guī)定了細(xì)化的評分標(biāo)準(zhǔn)：

2.4.1 平時成績(30分)

主要檢查學(xué)生平時的積極性和自主性，包括學(xué)生線上學(xué)習(xí)任務(wù)的完成10分，學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度端正、遵守紀(jì)律10分，問題的提出和解決的方法10分。

2.4.2 設(shè)計說明書和工藝流程圖(50分)

主要檢查學(xué)生的設(shè)計作品。包括說明書格式、工藝設(shè)計計算和制圖三部分內(nèi)容。

說明書格式(10分)：符合課程設(shè)計說明書的基本要求，語句通順、格式規(guī)范、圖表美觀、計算數(shù)據(jù)正確、單位完整正確。

工藝設(shè)計計算(30分)：根據(jù)規(guī)定任務(wù)和選定方案進(jìn)行物料衡算、熱量衡算、主要設(shè)備工藝計算及選型等，其中換熱器計算10分，三鈉鹽離心泵、乙二醇離心泵、轉(zhuǎn)鼓真空過濾機計算10分，吸收塔計算10分。

制圖(10分)：工藝流程圖繪制正確，設(shè)備圖形、管道線條、箭頭大小及方向、文字大小等符合規(guī)定要求，圖紙完整、布局美觀。

2.4.3 答辯(20分)

檢查學(xué)生設(shè)計的獨立性和工作態(tài)度，要求學(xué)生通過PPT進(jìn)行設(shè)計作品匯報與答辯。教師對設(shè)計作品進(jìn)行提問和點評。答辯主要考察學(xué)生對所學(xué)設(shè)計知識的實際掌握程度，認(rèn)識設(shè)計作品的錯誤及不足所在，從而獲得正確的設(shè)計方法，設(shè)計水平得到更好提升。這部分內(nèi)容包括學(xué)生匯報10分和回答問題10分。

2.5 教學(xué)平臺的改革

為豐富教學(xué)內(nèi)容和手段，促進(jìn)教學(xué)資源共享和師生互動，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，方便學(xué)生在線測試和討論，以及使教師及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，達(dá)到提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的目的，本課程在雨課堂平臺上建設(shè)了線上教學(xué)資源。目前，雨課堂的線上教學(xué)資源包括10個課程教學(xué)視頻，每個視頻5～10分鐘，涵蓋了課程設(shè)計任務(wù)書的解讀、管道阻力計算、換熱器設(shè)計、離心泵揚程計算及選型、轉(zhuǎn)鼓真空過濾機計算及選型、吸收塔塔徑及填料高度計算等課程設(shè)計內(nèi)容。另外，我們還將針對化工原理課程設(shè)計所涉及的單元操作的知識點設(shè)置100道練習(xí)題，用于學(xué)生自測，以便學(xué)生溫故知新。為了滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需求，我們將在學(xué)堂在線平臺或校內(nèi)平臺上建設(shè)化工原理課程設(shè)計的線上課程，為線上線下混合式一流本科課程建設(shè)做好積累和改進(jìn)。

2.6 教學(xué)團隊的改革

化工原理課程設(shè)計水平與指導(dǎo)教師直接相關(guān)，教師的實踐教學(xué)能力是提高課程設(shè)計環(huán)節(jié)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。大部分年輕教師基本都是從高校畢業(yè)就到學(xué)校從事本科教育，沒有企業(yè)工作背景，工程實踐經(jīng)驗不足，對工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、車間布置和管道布置等不熟悉。因此，年輕教師可以到企業(yè)進(jìn)行掛職鍛煉，參加實習(xí)實踐基地建設(shè)及校企項目合作，解決實際工程問題和企業(yè)關(guān)心的實際問題。另外，我們可以從企業(yè)中選派具有工程設(shè)計經(jīng)驗的工程師或優(yōu)秀校友作為兼職教師，共同開展課程設(shè)計，不斷提升教師隊伍的指導(dǎo)水平。

3 結(jié)語

針對化工原理課程設(shè)計的教學(xué)現(xiàn)狀，以“實際應(yīng)用，提升能力”為原則，我們進(jìn)行新工科背景下化工原理課程設(shè)計實踐課程的教學(xué)改革。課程設(shè)計選題來源于工程實際，教學(xué)中實施分層次的教學(xué)目標(biāo)，開展專業(yè)課程思政教育，采用線上線下混合式教學(xué)，建立“平時成績+設(shè)計作品+答辯”的過程性考核方式。通過以上的教學(xué)改革，更好地提升了學(xué)生的設(shè)計水平，提高了學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，進(jìn)一步滿足社會對應(yīng)用型人才的需求。