新工科背景下化工設(shè)計及設(shè)計軟件的教學(xué)改革

曹春梅，徐 麗，張亞濤，任保增，劉國際,2*

(1.鄭州大學(xué) 化工學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中原工學(xué)院，河南 鄭州 450007)

化工設(shè)計及設(shè)計軟件是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心課程，具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范多、知識面廣、工程實(shí)踐和綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)[1-2]。課程要求綜合運(yùn)用化工原理、反應(yīng)工程、分離工程、化工熱力學(xué)、化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)和化工工藝學(xué)等專業(yè)理論知識，需要掌握現(xiàn)代化工設(shè)計的思想、方法和工具，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程能力。作為國家培養(yǎng)具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才的一門化工類核心課程，化工設(shè)計及設(shè)計軟件課程的教學(xué)改革的重要性不言而喻。傳統(tǒng)的教學(xué)過程中一直存在“重理論、輕實(shí)踐”的問題，并且目前的教學(xué)內(nèi)容、方法以及過程管理和考核方式等都不能滿足現(xiàn)代化化工建設(shè)的需求。為適應(yīng)新工科建設(shè)需要，強(qiáng)化化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生的工程概念及解決復(fù)雜工程問題的能力，培養(yǎng)具有較高工程素養(yǎng)的人才，基于“面向?qū)W生，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的教育理念展開化工設(shè)計及設(shè)計軟件課程教學(xué)改革勢在必行。

1 完善課程體系、拓展教學(xué)深度

在化工設(shè)計及設(shè)計軟件課程改革中必須將價值觀塑造、知識講授和能力提升三者融為一體，要將價值觀引導(dǎo)賦予知識講授和能力提升之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀和價值觀。

1.1 加強(qiáng)思政建設(shè)，拓寬課程時限

化工設(shè)計及設(shè)計軟件作為化工類的核心專業(yè)課程，蘊(yùn)含大量的思政元素。結(jié)合化工設(shè)計及設(shè)計軟件的課程特點(diǎn)，要注意挖掘人文精神和科學(xué)精神，通過知名人物、化工建設(shè)者等在化工生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用的案例的引入，強(qiáng)化大學(xué)生的愛國主義、工匠精神、職業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和生態(tài)文明教育等?？偨Y(jié)本課程的課程思政教學(xué)元素主要包括：通過國內(nèi)外化工設(shè)計能力對比培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義和民族自豪感；通過工藝流程設(shè)計中現(xiàn)代化工廠以及智慧化工園區(qū)的介紹來培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思辨、綠色化工及循環(huán)經(jīng)濟(jì)等工程觀念；通過物料衡算與能量衡算，結(jié)合Aspen Plus進(jìn)行化工計算的陳丙珍院士事跡以及試差法進(jìn)行循環(huán)和排放過程的物料衡算，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神、邏輯思辨、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和抗挫能力；通過設(shè)備的工藝設(shè)計及化工設(shè)備圖，結(jié)合雷諾傳記，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義、使命感、職業(yè)素養(yǎng)和科學(xué)精神；通過第五章車間布置設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)代生態(tài)工業(yè)園介紹，培養(yǎng)學(xué)生綠色化工以及環(huán)保的意識；通過第六章管道布置設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義和工匠精神；通過第七章公用工程、安全與環(huán)境保護(hù)，結(jié)合7·19義馬氣化廠爆炸事故以及松花江重大污染事件，培養(yǎng)學(xué)生的工程倫理、綠色化工、法律法規(guī)及職業(yè)素養(yǎng)。除此之外，在課堂教學(xué)中注重滲透法律法規(guī)教育。

另外，由于化工設(shè)計及設(shè)計軟件課程為48學(xué)時，學(xué)時有限，無法完成全部課程內(nèi)容的講授，特別容易發(fā)生“趕課時”和“滿堂灌”的情況，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。為了解決這個問題，在學(xué)校卓越計劃的支持下，課程組根據(jù)教學(xué)內(nèi)容將一般的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行錄制了教學(xué)短視頻，共40個10 min時長的短視頻，總時長400 min，這為線下授課講解教學(xué)難點(diǎn)和重點(diǎn)打下了良好的基礎(chǔ)，在有限的學(xué)時情況下提高了教學(xué)效果。

1.2 增加案例教學(xué)

采用案例教學(xué)法教學(xué)時，需注意選取合適的能夠反映化工行業(yè)技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新的典型案例，從項(xiàng)目的前期安排、工藝路線選擇及流程確定、關(guān)鍵控制變量和設(shè)計參數(shù)的選取，到設(shè)計圖紙等教學(xué)內(nèi)容，案例教學(xué)貫穿整個化工設(shè)計及設(shè)計軟件課堂教學(xué)中。例如，在講解生產(chǎn)方法和工藝流程的選擇時，可以結(jié)合濰坊濱城化工有限公司的己二酸二甲酯生產(chǎn)工藝流程，讓學(xué)生分組討論為什么采用現(xiàn)在的工藝流程？符合哪些生產(chǎn)方法和工藝流程選擇的原則？然后引導(dǎo)學(xué)生探索基本原理以及相關(guān)概論。此外，還可以通過案例分析，剖析設(shè)計過程中參考的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計理念以及工程經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)等。對比傳統(tǒng)的理論教學(xué)方式，案例教學(xué)讓學(xué)生的參與度更高，有助于課堂知識點(diǎn)的加深和鞏固，同時可以讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐、學(xué)以致用，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。

1.3 課賽融合，強(qiáng)化軟件學(xué)習(xí)

課賽融合可以激發(fā)學(xué)生的好奇心和創(chuàng)造力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的實(shí)踐能力。根據(jù)化工設(shè)計競賽要求，學(xué)生5人為一個團(tuán)隊，團(tuán)隊合作完成競賽要求的項(xiàng)目，其中包括工藝路線說明、可行性研究、初步設(shè)計說明書、創(chuàng)新性說明、設(shè)備(反應(yīng)器、塔設(shè)備、換熱器、泵、儲罐等)設(shè)計說明書、節(jié)能減排與換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、安全預(yù)評估、環(huán)境評估及技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價等設(shè)計內(nèi)容；其中，要綜合運(yùn)用Aspen Plus、Auto CAD、3ds MAX等計算機(jī)設(shè)計軟件，完成工藝流程模擬優(yōu)化、PID/PFD工藝流程圖、車間設(shè)備管道平剖面布置圖和三維工廠設(shè)計等設(shè)計圖紙。因此，實(shí)訓(xùn)過程中，Aspen Plus等軟件的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練也會進(jìn)一步得到加強(qiáng)。將競賽與課堂相結(jié)合的課程模式，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的分析和解決問題的能力，更有利于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作精神，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力和創(chuàng)新應(yīng)用的綜合能力。在化工設(shè)計競賽中，我院代表隊連續(xù)三年獲得全國一等獎，體現(xiàn)出“課賽融合”模式中學(xué)生學(xué)以致用的良好效果。

2 創(chuàng)新教學(xué)模式、改進(jìn)教學(xué)方法

2.1 構(gòu)建“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式

本課程構(gòu)建了“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，該模式以教學(xué)目標(biāo)為核心，以學(xué)生為主導(dǎo)，根據(jù)創(chuàng)設(shè)的問題進(jìn)行分組分析—討論—提煉—講解。在“翻轉(zhuǎn)課堂”模式中，靈活創(chuàng)設(shè)問題情境尤為重要。在相關(guān)知識點(diǎn)的問題選取時應(yīng)注意，首先從教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)出發(fā)，確定需要探究的問題，有利于學(xué)生掌握知識點(diǎn)；然后從化工工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)與化工設(shè)計及設(shè)計軟件相關(guān)的知識點(diǎn)，在教師啟發(fā)導(dǎo)向作用下，讓學(xué)生相互交流，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，并總結(jié)涉及的教學(xué)知識點(diǎn)。例如，化工過程安全問題這一章節(jié)講解時，我們會根據(jù)教學(xué)內(nèi)容結(jié)合具體的化工廠事故來創(chuàng)設(shè)問題，讓學(xué)生5人一組，通過HAZOP基本知識點(diǎn)的在線視頻學(xué)習(xí)，要求學(xué)生列出表格，給出分析過程中涉及的工藝參數(shù)、引導(dǎo)詞和偏差；此外，通過HAZOP分析產(chǎn)生事故的原因，并給出具體的解決措施。這種教學(xué)模式著重強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主性，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

2.2 深化校企合作教學(xué)

深化產(chǎn)教融合和校企合作是黨的十九大以來高校工科院系教學(xué)改革的必經(jīng)之路。近年來，為了更好地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)院積極推進(jìn)校企合作，聘請企業(yè)專家結(jié)合化工生產(chǎn)的實(shí)際需求展開講解，針對工藝流程設(shè)計的實(shí)用性、可行性和復(fù)雜工程問題的分析及解決方法進(jìn)行深入的探討，強(qiáng)化學(xué)生的工程思維。另外一方面，通過與企業(yè)資源共享，讓學(xué)生進(jìn)入企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，有利于加深學(xué)生課堂所學(xué)知識，使學(xué)生真正參與到設(shè)計過程中，提高實(shí)際工程應(yīng)用的能力。深化產(chǎn)教融合，加強(qiáng)校企合作，有利于高校培養(yǎng)高素質(zhì)人才，有利于企業(yè)發(fā)展，更有利于形成校企合一，互惠共贏的教育模式。

3 加強(qiáng)過程管理、優(yōu)化考核方式

化工設(shè)計及設(shè)計軟件課程的考核方式要符合專業(yè)認(rèn)證的培養(yǎng)目標(biāo)，同時要符合新時代卓越化工人才的培養(yǎng)要求，改變目前考核方式過于簡單、缺乏開放性的問題，加強(qiáng)過程考核，推行全過程學(xué)業(yè)評價，綜合運(yùn)用筆試、課堂測試、討論等多種考核形式。以往的成績評定方式由期末考試(閉卷)80%+平時成績20%組成。經(jīng)改革后，現(xiàn)在最終成績由過程性成績30%、實(shí)訓(xùn)成績(化工設(shè)計競賽)20%、上機(jī)成績(軟件)10%和期末成績40%組成。除了期末考試為筆試，其它部分全部在線完成，其中過程性成績由視頻學(xué)習(xí)10%、翻轉(zhuǎn)課堂情況10%和課堂作業(yè)10%三部分構(gòu)成。在線視頻學(xué)習(xí)是課前自主學(xué)習(xí)，是為了掌握課程的基本內(nèi)容，為教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容和難點(diǎn)內(nèi)容打基礎(chǔ)；翻轉(zhuǎn)課堂情況主要看學(xué)生針對案例或者所給設(shè)計問題分析—討論—總結(jié)的情況；課堂作業(yè)由線上題庫中抽取，題庫由每章節(jié)30題組成，類型分為選擇題、判斷題、填空題、簡答題、圖形分析題以及計算題等。實(shí)訓(xùn)成績根據(jù)化工設(shè)計競賽項(xiàng)目的完成情況，由帶隊老師給出；上機(jī)成績主要考察學(xué)生對Aspen Plus的掌握情況。通過這樣全過程式的考核和成績評定方式，達(dá)到“以考促教、以考促學(xué)”的目的。

4 結(jié)語

化工設(shè)計及設(shè)計軟件在化工專業(yè)課程中具有舉足輕重的地位，其課程改革對培養(yǎng)化工專業(yè)人才具有重要作用。在新時代工程教育專業(yè)認(rèn)證和新工科背景下，我院結(jié)合自身情況，對化工設(shè)計及設(shè)計軟件課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)評價等方面進(jìn)行了長期的改革和探索，并取得了良好成效，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。實(shí)踐證明，加強(qiáng)課程思政建設(shè)，寓價值觀引導(dǎo)于知識傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、價值觀和人生觀；課賽融合、案例教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、校企合作教學(xué)等教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，改善了單純學(xué)習(xí)理論知識和專業(yè)軟件的枯燥無味，激發(fā)了學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊協(xié)作和解決復(fù)雜工程問題的能力，教學(xué)效果取得了明顯的改善。