基于工程認(rèn)證的化工原理教學(xué)改革與實踐

曾嶸，任玉，楊世芳，劉建文，王凱，黨雪平

湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，武漢 430062

“工程認(rèn)證”也稱為工程教育認(rèn)證，它起源并發(fā)展于美國，是指專業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)針對普通高等學(xué)校所開設(shè)的工程類專業(yè)教育所實施的專門性認(rèn)證。由于工程認(rèn)證是培養(yǎng)新一代的國際化應(yīng)用人才的標(biāo)準(zhǔn)與保障，因而備受國內(nèi)外的高等教育界的重視。開展工程認(rèn)證是我國提高工程教育質(zhì)量的重大舉措，是實現(xiàn)工程教育和工程師資格國際互相認(rèn)可的重要保障措施[1]。通過開展工程認(rèn)證，可以推動我國工程教育改革，提高工程教育質(zhì)量，增強(qiáng)工程教育人才培養(yǎng)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性，為我國結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型培養(yǎng)優(yōu)秀的工程技術(shù)人才[2]。

隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全球經(jīng)濟(jì)化是大勢所趨，在新經(jīng)濟(jì)的時代背景下，各行各業(yè)對人才的需求量迅速增長。但是，我國每年培養(yǎng)的工程型人才的數(shù)量遠(yuǎn)不能滿足社會日益增長的需求。因此，工程認(rèn)證不僅是工程教育改革的必然趨勢和內(nèi)在要求，也是各高校促進(jìn)專業(yè)建設(shè)、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的契機(jī)。在工程認(rèn)證體系中貫穿著一個中心理念，即：以目標(biāo)為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、注重持續(xù)改進(jìn)，這也是各大高校在工科專業(yè)教育中所必須遵守的指導(dǎo)思想和原則。就化學(xué)工程領(lǐng)域來說，化工原理是化工學(xué)科體系中的核心課程，是一門從自然學(xué)科到工程學(xué)科的過渡學(xué)科，它對培養(yǎng)新經(jīng)濟(jì)形式下的工程型人才，具有重要的意義。現(xiàn)今人與社會的關(guān)聯(lián)越來越緊密，由于在工程技術(shù)領(lǐng)域所遇到的工程問題越來越復(fù)雜，解決這些問題需要更高層次的人才，因而對人才的要求也隨之提高，以往的課程教育體系已無法滿足當(dāng)前工程認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

目前，高校的化工原理課程教學(xué)主要存在以下三個方面的問題：(1) 理論教學(xué)方面：教材內(nèi)容體系不夠完善，授課時長不足；教師教學(xué)方法過于單一，師生溝通不夠；學(xué)生的依賴性強(qiáng)、自控力差；課堂紀(jì)律懶散、態(tài)度不端正；課程反饋不真實，考核體系有待提高。(2) 實驗教學(xué)方面：師資力量不足，軟件跟不上；實驗教學(xué)體系不夠完善；教學(xué)涉及到的實驗種類偏少，缺乏層次；實驗排課不合理；實驗報告抄襲嚴(yán)重，成績評定缺乏公平性。(3) 其他因素：學(xué)生工程意識、安全意識缺乏，創(chuàng)新能力不足。上述這些問題的存在導(dǎo)致了學(xué)生對理論知識的理解較模糊，綜合運(yùn)用能力較差。另外，學(xué)生在實驗過程中缺乏獨立的思考、探索和實踐，非常依賴教師。學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力得不到鍛煉和提高，無法滿足當(dāng)前工程認(rèn)證的要求。

化工原理課程教學(xué)是化工人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，對課程進(jìn)行改革是滿足工程認(rèn)證要求的必要途徑，只有通過教學(xué)改革才能更好地培養(yǎng)符合國際要求的應(yīng)用型人才。本文針對在化工原理教學(xué)中存在的問題，分別從理論教學(xué)、實驗教學(xué)和工程意識培養(yǎng)三個方面提出了教學(xué)改革的措施。

1 化工原理理論教學(xué)的改革

1.1 設(shè)立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺

針對教材內(nèi)容體系不夠完善，授課時長不足，以及學(xué)生的依賴性強(qiáng)、自控力差的問題，可設(shè)立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺來輔助師生。教師在平臺上傳每個章節(jié)的課件、視頻和相關(guān)的動畫演示。視與聽相結(jié)合的視聽教學(xué)給學(xué)生帶來不一樣的體驗，能夠提高學(xué)習(xí)的效率[3]。

課前，教師可使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺要求學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，并提供不同特點的短視頻供學(xué)生選擇，視頻內(nèi)容以碎片化的知識點為主。學(xué)生在每部分可選擇一個視頻，簡單了解每部分需要掌握的知識重難點，看完后完成相應(yīng)的思考題，如：質(zhì)點的含義是什么？粘性的物理本質(zhì)是什么？通過這種方式讓學(xué)生對要上的課程有一定的理解，明確心中的疑問并激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。課上，教師選擇重點章節(jié)進(jìn)行細(xì)講，通過引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，如交互平板，教師可以直接在PPT的界面上對重點內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)記，課后將有筆記的PPT上傳到平臺，方便學(xué)生理解公式和查看課堂重點。部分不作為重點的教學(xué)內(nèi)容，教師可要求學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)平臺了解學(xué)習(xí)，以此彌補(bǔ)授課時長不足的問題。同時，教師還可通過網(wǎng)絡(luò)平臺及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，達(dá)到監(jiān)督的效果，課堂上再進(jìn)行點評。課后，學(xué)生可以利用平臺進(jìn)行復(fù)習(xí)、記筆記等。除此之外，在平臺里可以設(shè)置討論組，交流學(xué)習(xí)經(jīng)驗，方便師生進(jìn)行溝通，及時解決學(xué)生學(xué)習(xí)上的疑惑。教師還可以在平臺里布置作業(yè)，設(shè)置一些選擇與判斷對錯題，讓學(xué)生直接在上面進(jìn)行提交。通過平臺記錄學(xué)生答題的正確率，方便教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，及時答疑解難，應(yīng)用題和計算題則還是寫在紙上然后統(tǒng)一收。

1.2 豐富教學(xué)手段

傳統(tǒng)教學(xué)中教師的教學(xué)方法過于單一，師生溝通不夠；部分學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度不端正、課堂紀(jì)律懶散。筆者通過引入案例教學(xué)、動畫教學(xué)和思維導(dǎo)圖等多種教學(xué)手段以改變上述狀況。豐富的教學(xué)手段可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，端正其學(xué)習(xí)態(tài)度，使學(xué)生能更好地接受新知識。

引入案例教學(xué)：選擇合適的案例，或從工程案例中提煉出實際問題，在課堂上以學(xué)生為中心，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)探索，加強(qiáng)互動，有問有答。將工程中遇到的實際問題引入到課堂上，通過這個方法可以讓學(xué)生了解學(xué)習(xí)化工單元操作的目的與意義，并引導(dǎo)其思考及內(nèi)化知識。教師要選擇與課本內(nèi)容密切相關(guān)的例子，如：第一章的流體流動中涉及管路的計算，在開始授課的時候，就可以提出如何設(shè)計一個運(yùn)輸管道，要考慮到哪些參數(shù)？在第三章的干燥章節(jié)開篇時，可以先引出干燥的含義，再向?qū)W生提出問題，比如干燥有哪些常用的方法？在第四章傳熱章節(jié)開篇時，先提出熱的傳播有哪三種途徑？再引入保溫杯的例子，保溫杯的保溫原理是什么？利用和防止傳熱的例子還有哪些？通過選擇合適的生活和工程實際案例能夠活躍課堂氣氛，使學(xué)生可以很好地接受知識，將其帶入學(xué)習(xí)的氛圍中，對新知識充滿好奇。

引入動畫教學(xué)：在課堂中加入化工設(shè)備的動畫演示，可以讓學(xué)生直觀地觀察設(shè)備運(yùn)行時的整個過程。在了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理之后，學(xué)生通過觀看動畫帶給他們視覺上的沖擊，可增加課程的趣味性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不再死板地記憶相關(guān)的概念和知識點。圖1為U型換熱器的動畫演示圖，再現(xiàn)了U型換熱器的運(yùn)行過程。

圖1 U型換熱器的動畫演示圖

引入思維導(dǎo)圖：思維導(dǎo)圖將文字和圖片結(jié)合起來，由一個中心關(guān)鍵點引發(fā)出次關(guān)鍵點，次關(guān)鍵點再引發(fā)其他的關(guān)鍵點，由此形成一個大的知識網(wǎng)，將難以理解的抽象概念轉(zhuǎn)為直觀的圖文[4]。這樣學(xué)生可以直觀地看到每個知識點之間的聯(lián)系，可以通過右腦活動去激活左腦去讀取相關(guān)知識[5]。每個人對知識的理解不同，書本的內(nèi)容都是統(tǒng)一的，卻無法消除學(xué)生間的差異性。通過讓學(xué)生自己學(xué)做思維導(dǎo)圖，讓他們根據(jù)自己的理解去領(lǐng)悟知識，將零散的知識點有機(jī)地結(jié)合起來，同時培養(yǎng)了他們自身的概括能力與發(fā)散性思維，并且方便后期復(fù)習(xí)的時候更全面地把握知識結(jié)構(gòu)和思考問題。思維導(dǎo)圖可以手繪或者使用軟件繪制，本文中的思維導(dǎo)圖是采用 WPS來繪制的。圖 2為流體流動的思維導(dǎo)圖，由第一章的流體流動引發(fā)出7個子標(biāo)題，再分別列出各個部分的重點。

圖2 流體流動的思維導(dǎo)圖

1.3 完善考核體系

傳統(tǒng)的理論課程考核，無法科學(xué)地評判學(xué)生的理論學(xué)習(xí)效果以及知識的內(nèi)化程度。以學(xué)生為中心，建立符合工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的考核體系，改變傳統(tǒng)的課程考核方式，就是要使學(xué)生重點關(guān)注學(xué)習(xí)的過程而不只是考試的結(jié)果。期末成績的比重過大會造成學(xué)生臨時抱佛腳的現(xiàn)象，通過考前突擊、背公式記筆記來應(yīng)付考試。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，讓學(xué)生能夠踏實、認(rèn)真地對待化工原理課程的學(xué)習(xí)，需要對課程的考核體系進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。我們將該課程的理論總成績評定分為三個部分：平臺成績、平時成績和期末成績。

表1為化工原理成績考核的分值計算圖，圖中所示的考核方式較為全面，包括了線上考核和線下考核兩大部分，然后按每項得分的百分比計算出總成績。這樣就迫使學(xué)生不再只專注于考試本身，而是更注重課程的學(xué)習(xí)過程，同時加強(qiáng)對理論知識的學(xué)習(xí)及內(nèi)化，這無疑也是對學(xué)習(xí)不自覺學(xué)生的一個約束與指引。

表1 化工原理成績考核的分值計算表

2 化工原理實驗教學(xué)的改革

2.1 改善教學(xué)條件

師資力量不足、軟件跟不上是個比較嚴(yán)重的問題，與學(xué)生的學(xué)習(xí)關(guān)系密切，因此對教學(xué)條件的改善尤為關(guān)鍵。

要加大資金的投入，擴(kuò)大實驗室的規(guī)模，同時做好實驗室的安全管理，保證儀器設(shè)備的質(zhì)量，并定期進(jìn)行安全檢查。將部分實驗室設(shè)立為開放實驗室，全天候開放，供學(xué)生隨時進(jìn)行設(shè)計性的實驗，同時對他們進(jìn)行相關(guān)的實驗室安全操作培訓(xùn)。

加強(qiáng)師資建設(shè)，增加實驗指導(dǎo)教師的人數(shù)，將每組實驗學(xué)生人數(shù)控制在3–4人，讓學(xué)生與教師能夠更好地溝通，以便及時糾正錯誤?？山M織帶實驗的教師到企業(yè)的生產(chǎn)車間進(jìn)行實地考察、學(xué)習(xí)，提高其自身的實踐能力。同時“引進(jìn)”一些有豐富實踐經(jīng)驗的技術(shù)人員給學(xué)生講解工程實例，讓學(xué)生樹立工程意識和觀念。

實驗教學(xué)中運(yùn)用多媒體技術(shù)和多功能軟件可以模擬實驗的操作過程，教學(xué)效果往往會事半功倍。引入仿真實驗，它可以直觀地展示所要操作設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和操作流程，讓學(xué)生對實驗的原理與流程有一個比較完整的概念[6]。學(xué)生可以通過觀看仿真實驗的演示視頻來了解實驗的具體步驟，還可以自己學(xué)習(xí)用仿真實驗軟件來模擬現(xiàn)實的實驗操作，以此來加深對實驗的理解。此外，教師還可以通過動畫來演示操作不當(dāng)帶來的結(jié)果，以此來警示學(xué)生并加深他們的印象。

2.2 改進(jìn)教學(xué)體系

根據(jù)工程認(rèn)證的要求，在化工原理實驗課程中綜合性設(shè)計實驗的安排不得少于一定比例。針對教學(xué)實驗涉及到的實驗種類偏少、缺乏層次的問題。需要在原來必做實驗的基礎(chǔ)上增加實驗種類，同時采用多層次教學(xué)，先從驗證性實驗到綜合性實驗，最后是設(shè)計性實驗，循序漸進(jìn)，讓學(xué)生對化工原理的實驗從模糊到完整的轉(zhuǎn)變。以基礎(chǔ)實驗為切入點，增設(shè)如板式精餾塔的操作與回流比調(diào)節(jié)的實驗，在過濾實驗中應(yīng)用正交試驗法和均勻設(shè)計法等綜合性實驗。實驗結(jié)束后給學(xué)生講解數(shù)據(jù)的處理方法，或者給他們提供一個數(shù)據(jù)處理的模板讓其自學(xué)。在設(shè)計性實驗中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生自己查閱資料、獨立地設(shè)計實驗的方案、科學(xué)預(yù)測并合理分析實驗的結(jié)果。

在實驗教學(xué)中，工程認(rèn)證要求學(xué)生能夠正確地采集、整理數(shù)據(jù)，并將所學(xué)數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理有機(jī)聯(lián)系起來，對實驗結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)、分析、解釋并獲得合理有效的結(jié)論[2]。教師須將工程觀點融入到實驗教學(xué)中，在實驗開始前給學(xué)生布置一些思考題，現(xiàn)場驗證學(xué)生的預(yù)習(xí)成果。實驗過程中，引導(dǎo)學(xué)生注重實驗的每一步操作，要求記錄必要的操作步驟及實驗現(xiàn)象，學(xué)生完成實驗后詳細(xì)處理其數(shù)據(jù)，交由教師批改。教師及時查看實驗報告，尋找其中的錯誤，再讓學(xué)生回顧實驗操作和數(shù)據(jù)處理過程，引導(dǎo)其思考并改正錯誤。通過上述訓(xùn)練能幫助學(xué)生提高分析問題、解決問題及數(shù)據(jù)處理的能力。實驗結(jié)束后，教師還可增加提問的環(huán)節(jié)，設(shè)置一些學(xué)生容易忽視但卻是實驗成功的關(guān)鍵問題。例如，在二氧化碳吸收實驗中，在開啟二氧化碳總閥門前，為什么要先關(guān)閉減壓閥？這樣既提高了學(xué)生的聽課效率，也可引起學(xué)生的思考。

2.3 完善考核體系

教師課后批改實驗報告時，常常發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生抄襲嚴(yán)重，因此根據(jù)實驗報告來評定成績相對缺乏公平性。完善考核體系需要使其不僅能反映學(xué)生對這門課的掌握程度與學(xué)習(xí)能力，同時還能鞭策一些自我管理能力不佳的學(xué)生。我們將實驗成績評定分為：平時成績、設(shè)計性實驗成績、實驗報告成績和筆試成績。

其中平時成績分為課前預(yù)習(xí)、考勤、實驗操作的評分。為避免同組內(nèi)學(xué)生實驗數(shù)據(jù)雷同的問題，教師在檢查他們的實驗數(shù)據(jù)時，要求每組內(nèi)的學(xué)生采用不同的數(shù)據(jù)來進(jìn)行處理和作圖，還要給出其數(shù)據(jù)處理過程的計算示例，以防止“同組同報告”的現(xiàn)象。圖3中列出了化工原理實驗成績中各項所占的比例。

圖3 化工原理實驗成績中各項的占比

一套完善的考核體系對于課程的學(xué)習(xí)能起到很好的督促作用，通過考核評分來培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，使他們更注重學(xué)習(xí)的過程而不是結(jié)果，由總成績也可以得到學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋[7]。我們再根據(jù)學(xué)生成績的反饋結(jié)果適當(dāng)?shù)卣{(diào)整考核體系，不斷地完善考核方法，調(diào)整其中各項所占的比例。這是化工原理實驗教學(xué)改革中的一個重要環(huán)節(jié)，將有助于教學(xué)效果的提升，并對應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到積極的推進(jìn)作用。

3 培養(yǎng)學(xué)生的工程意識

傳統(tǒng)的化工原理課程教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生普遍缺乏工程意識、安全意識且創(chuàng)新能力不足，因而不能夠達(dá)到工程認(rèn)證的要求。為改變此現(xiàn)象，可引入并學(xué)習(xí)OBE (outcome based education，成果導(dǎo)向教育)的教育理念，如設(shè)置化工設(shè)計大賽，開設(shè)講座等。

OBE是基于學(xué)生學(xué)習(xí)成果的教育模式，要學(xué)習(xí)OBE的教育理念，學(xué)校應(yīng)該明確工程認(rèn)證下培養(yǎng)人才的標(biāo)準(zhǔn)。要培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，就要明確學(xué)生要學(xué)什么，為此應(yīng)該如何去做。教師基于工程認(rèn)證的要求提出對應(yīng)的問題，在教學(xué)過程中有意識地引入相關(guān)的工程實例，讓學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，為尋求問題的答案而進(jìn)行深入的探索，最后成功地解決教師所提出的工程問題。通過這一模式，讓學(xué)生潛移默化地具有工程意識，逐步學(xué)會將書本上的知識運(yùn)用到工程實際中去。

每學(xué)年設(shè)置一次化工設(shè)計大賽，有興趣的學(xué)生可以組隊參加，每組4位學(xué)生配備一位教師帶隊比賽。學(xué)校與一些企業(yè)進(jìn)行合作，選題可以來源于校企合作項目或是教師科研課題、挑戰(zhàn)杯等。教師與學(xué)生選好題之后，學(xué)生為主，教師為輔，根據(jù)設(shè)定的工藝條件和物性參數(shù)，運(yùn)用Aspen plus流程模擬軟件建模、分析化工設(shè)備的操作狀況，并對整個工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，以驗證設(shè)計方案的可行性。

還可以開設(shè)講座，邀請一些化工專家或技術(shù)人員來學(xué)校舉辦講座或?qū)嶒烅椖窟M(jìn)行指導(dǎo)。學(xué)院還可以設(shè)立公眾號，發(fā)布一些關(guān)于化工技術(shù)前沿方面的信息，或常見的工程問題的解決方案等。此外，在學(xué)生認(rèn)知實習(xí)與生產(chǎn)實習(xí)期間，可以通過給他們做化工安全生產(chǎn)的相關(guān)知識培訓(xùn)、適當(dāng)?shù)卦黾訉嵙?xí)的時長，讓學(xué)生有機(jī)會深入現(xiàn)場了解化工生產(chǎn)的整個工藝流程，以及化工單元操作的實際運(yùn)用，這樣才能真正地做到理論與實踐相結(jié)合。

以上這些措施都可以加強(qiáng)學(xué)生工程意識的培養(yǎng)，提高他們的團(tuán)隊合作、管理能力，這也是工程認(rèn)證所要求學(xué)生必備的能力。此外，學(xué)生有了工程意識后，會更積極主動地去學(xué)習(xí)化工專業(yè)的相關(guān)課程，并在書本之外儲備更多的專業(yè)知識與技能，更加符合工程認(rèn)證的要求，成為專業(yè)型工程技術(shù)人才。

4 結(jié)語

化工原理是化工學(xué)科中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它是連接化工類其他專業(yè)課程的紐帶，同時也是相關(guān)工科專業(yè)所必修的一門基礎(chǔ)課?；ぴ碚n程內(nèi)容豐富、涉及的知識面廣，學(xué)生要熟練掌握具有一定的難度，同時其解決工程實際問題的能力還有待提高?；诠こ陶J(rèn)證的要求，筆者提出了化工原理理論教學(xué)、實驗教學(xué)及學(xué)生工程意識培養(yǎng)三個方面的改革措施：豐富教學(xué)手段和改善教學(xué)條件來進(jìn)一步提高該課程的教學(xué)效果；通過引入思維導(dǎo)圖，讓學(xué)生對零散的知識點有一個全面性的認(rèn)識；以學(xué)生為主體進(jìn)行教學(xué)，根據(jù)細(xì)分專業(yè)的不同，對化工原理課程內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)精簡，選擇性地重點講解；課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)課程平臺相結(jié)合，再搭配科學(xué)合理的考核系統(tǒng)等。這些改革措施的實施將使高校的化工原理教學(xué)效果得到顯著提升，提高學(xué)生各方面的能力，為社會培養(yǎng)出更多高質(zhì)量、高要求的工程應(yīng)用型人才。為滿足工程認(rèn)證的要求所進(jìn)行化工原理的教學(xué)改革是一個長期的過程，需要師生之間密切配合，實現(xiàn)教與學(xué)的相互促進(jìn)、共同進(jìn)步，才能培養(yǎng)出能夠解決工程實際問題的應(yīng)用型人才。