新工科背景下材料化學(xué)專業(yè)“化工設(shè)計”課程教學(xué)改革與實踐

郭玉華，呂春燕，王坤燕，徐敏虹

(湖州師范學(xué)院 工學(xué)院,浙江 湖州 313000)

0 引 言

2017年教育部啟動的新工科計劃是新時代社會經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)實需求，為高校工程教育改革創(chuàng)新指明了新方向.新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，培養(yǎng)具有家國情懷、工程實踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力的卓越工程技術(shù)復(fù)合型人才.與傳統(tǒng)工科相比，新工科更注重學(xué)科的實用性、交叉性和綜合性.如何通過課程教學(xué)改革滿足新工科人才培養(yǎng)的需求，已成為高校教學(xué)研究與改革的重點[1-2].“化工設(shè)計”課程研究的是化工過程開發(fā)中科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的技術(shù)，是一門涵蓋知識應(yīng)用和實踐操作的專業(yè)課程，設(shè)計過程涉及化學(xué)、化工、機械、電氣、土建等專業(yè)，以及政治、經(jīng)濟、資源、產(chǎn)品、市場等多方面知識，是一門綜合性很強的技術(shù)科學(xué).材料化學(xué)是一門新興交叉學(xué)科，是材料科學(xué)、化學(xué)和化工領(lǐng)域的重要分支.工科類專業(yè)在專業(yè)培養(yǎng)中側(cè)重材料和化學(xué)方面的基本理論、基本知識和基本實驗技能的學(xué)習(xí)，對工程設(shè)計實踐類課程知識體系的學(xué)習(xí)較少.而新材料技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和升級換代需要進行工程設(shè)計才能實現(xiàn).為適應(yīng)材料科學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)こ碳夹g(shù)人才培養(yǎng)的需要，湖州師范學(xué)院對材料化學(xué)專業(yè)大三學(xué)生開設(shè)了“化工設(shè)計”課程.學(xué)生通過學(xué)習(xí)該課程，可以擴大知識面，提高綜合運用知識進行工程設(shè)計的實踐能力，這與新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)的目標是一致的，也符合《制造業(yè)設(shè)計能力提升專項行動計劃(2019—2022年)》對設(shè)計人才的培育需求.

“化工設(shè)計”課程教學(xué)不僅要向?qū)W生傳授基本技術(shù)知識，還要讓學(xué)生學(xué)會運用學(xué)過的專業(yè)知識解決化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程中的實際問題.而傳統(tǒng)的教學(xué)模式過分注重對課本知識的講解，因此對實踐性較強的“化工設(shè)計”課程來說，會導(dǎo)致學(xué)生動手能力得不到提高，學(xué)習(xí)興趣降低，對知識一知半解，缺少嚴謹求實精神和創(chuàng)新實踐精神.采用這種教學(xué)模式培養(yǎng)的學(xué)生已不能滿足企業(yè)對實踐型人才的需求.湖州師范學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)以服務(wù)地方，著力培養(yǎng)高級應(yīng)用技術(shù)型人才為目標.面對新環(huán)境、新趨勢、新工科的要求，現(xiàn)有教學(xué)模式已難以完成相應(yīng)的人才培養(yǎng)任務(wù).因此,新工科背景下“化工設(shè)計”課程教學(xué)模式改革勢在必行.

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的主要問題

1.1 教學(xué)內(nèi)容知識體系不夠完善

“化工設(shè)計”課程是一門涉及多個學(xué)科知識領(lǐng)域的綜合性課程.該課程除涉及基礎(chǔ)的“四大化學(xué)”知識、化工原理、化工工藝等專業(yè)知識外，還涉及安全可靠性、環(huán)境保護、經(jīng)濟合理和操作人性化等方面的內(nèi)容.湖州師范學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)在人才培養(yǎng)中的工程課程較少，支撐化工設(shè)計的知識體系還不夠完善，這給“化工設(shè)計”課程的學(xué)習(xí)帶來了很大難度.教師在有限的課時內(nèi)要講授的內(nèi)容非常繁雜，學(xué)生難以系統(tǒng)地掌握和應(yīng)用.此外，傳統(tǒng)的“化工設(shè)計”課程教學(xué)注重化工過程計算和工藝設(shè)計，對高效快速的輔助化工過程設(shè)計軟件介紹不多.目前大型的化工過程設(shè)計均由專業(yè)的計算機軟件輔助完成，學(xué)生雖然掌握了專業(yè)知識，但卻缺乏高效率表達設(shè)計結(jié)果的手段.

1.2 學(xué)生工程意識薄弱，缺少知識的綜合運用能力

學(xué)生工程意識普遍薄弱，缺乏實踐知識.這主要是因我國的大學(xué)生大部分是由高中直升大學(xué)的，而中學(xué)教學(xué)沒有涉及工程學(xué)方面的內(nèi)容，講授的內(nèi)容如數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理等都屬于科學(xué)體系，當學(xué)生進入大學(xué)后也鮮有機會接觸相關(guān)工程知識和參加工廠實習(xí)，學(xué)校也沒有開設(shè)相關(guān)的工程學(xué)課程，因此學(xué)生工程學(xué)方面的知識仍是空白[3].工程學(xué)知識體系和基本思維方式與自然科學(xué)是有區(qū)別的，它突出實踐性，注重培養(yǎng)學(xué)生的分析、設(shè)計、綜合等方面的能力.“化工設(shè)計”是一門綜合性課程，要求學(xué)生能夠?qū)ⅰ八拇蠡瘜W(xué)”基礎(chǔ)知識和化工原理、化工熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、化工機械設(shè)備、化工儀表及自動化等專業(yè)課程知識融會貫通，并綜合運用.對材料化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，“化工設(shè)計”課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式是全新的，部分學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的主動性，雖已學(xué)過相關(guān)的基礎(chǔ)課程，但其綜合運用知識的能力還較薄弱.

1.3 教學(xué)組織形式過于傳統(tǒng)，重理論，輕實踐

“化工設(shè)計”課程具有很強的工程性、技術(shù)性和實踐性.傳統(tǒng)的課程教學(xué)主要以傳授專業(yè)知識為主，是一種以書本知識為中心的學(xué)習(xí)方式.其課堂教學(xué)組織形式是知識的單向傳授，學(xué)生被動地接受知識，部分學(xué)生甚至是為應(yīng)付考試而學(xué)習(xí)的，缺乏主動意識和創(chuàng)新能力[4].實踐性對學(xué)生來說是一個盲區(qū)，社會普遍反映工科專業(yè)畢業(yè)生動手實踐能力不強，這已成為近些年工科專業(yè)實踐教學(xué)中的一個突出問題[5].其主要原因是：目前校內(nèi)外專業(yè)實訓(xùn)基地較少，學(xué)生無法進行實際操作和專業(yè)技能訓(xùn)練；受市場經(jīng)濟影響，校外工廠、企業(yè)不愿意接收和安排實習(xí)學(xué)生，怕干擾生產(chǎn)秩序，即使學(xué)生有機會到校外實習(xí)也是走馬觀花，嚴重影響了實踐性課程的教學(xué)質(zhì)量.

1.4 考核方法單一

長期以來，高校的課程考核通常忽略學(xué)科和課程的性質(zhì)與特點，普遍采用單一的閉卷考試，其考試內(nèi)容是課程教材中一些重要的知識點.而學(xué)生為應(yīng)對考試，被動地記憶與理解知識，缺乏主動性和創(chuàng)造性.因此，這種考核方式實難反映學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)所獲得的工程實踐能力和創(chuàng)新思維能力，與工科專業(yè)以培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力和創(chuàng)新能力的教學(xué)目標不相適應(yīng).為全面推進素質(zhì)教育，工科專業(yè)課程考核方法的改革應(yīng)著眼于全面科學(xué)地評價學(xué)生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力，充分發(fā)揮考核評價體系在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性中的導(dǎo)向作用.

2 教學(xué)改革措施

“化工設(shè)計”課程教學(xué)承擔著培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計能力的重要使命.如何以“應(yīng)用”為主旨在有限的課時內(nèi)使材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生掌握更多的工程知識，學(xué)會運用理論知識來解決工程實際問題，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計、創(chuàng)新實踐能力，滿足企業(yè)對創(chuàng)新應(yīng)用型工程技術(shù)人才的需求，本文從以下幾個方面對“化工設(shè)計”課程教學(xué)模式改革進行探討.

2.1 創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容體系，強化現(xiàn)代設(shè)計軟件教學(xué)

針對材料化學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)中工程方面課程較少，知識體系不完善，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)Aspen Plus、Pdmax、SketchUp等軟件基本未引入課程教學(xué)的現(xiàn)狀，課程教學(xué)團隊將教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)有機結(jié)合(見圖1)，以“化工設(shè)計”競賽為依托，根據(jù)競賽選題使教學(xué)內(nèi)容項目化，重構(gòu)課程教學(xué)模塊，將其優(yōu)化為設(shè)計程序和規(guī)范、工藝流程設(shè)計、化工工藝計算、設(shè)備設(shè)計與選型、車間與管道布置、安全與環(huán)境保護、經(jīng)濟概算等7個單元模塊，并在工藝流程設(shè)計模塊中適當補充化工工藝知識和原理，在設(shè)備設(shè)計與選型中適當補充典型的設(shè)備知識，適時引入設(shè)計標準、設(shè)計規(guī)范等內(nèi)容.現(xiàn)代化工設(shè)計均需利用計算機軟件輔助完成，如工藝流程模擬、換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、流程圖繪制、設(shè)備的設(shè)計選型等都需要專門的軟件協(xié)助完成.但現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的熟練應(yīng)用是學(xué)生設(shè)計實施過程中的一個主要瓶頸.因此，在相應(yīng)的模塊學(xué)習(xí)過程中應(yīng)引入對應(yīng)的設(shè)計軟件學(xué)習(xí).如在工藝流程設(shè)計部分要求學(xué)生進一步熟悉AutoCAD軟件的應(yīng)用(前修課程已學(xué)過該軟件)；化工工藝計算模塊補充流程模擬軟件Aspen Plus的學(xué)習(xí)；設(shè)備設(shè)計與選型補充Aspen EDR換熱器選型、SW6 強度校核等軟件的應(yīng)用.通過軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)視野.

圖1 課程—競賽與能力培養(yǎng)關(guān)系圖Fig.1 Relationship between course-competition and ability development

2.2 采取以“學(xué)科競賽+項目設(shè)計”為導(dǎo)向的課程教學(xué)模式

針對學(xué)生工程意識薄弱，缺少知識綜合運用能力，缺乏學(xué)習(xí)的積極性和主動性等問題，采取以“學(xué)科競賽+項目設(shè)計”為導(dǎo)向的課程教學(xué)模式(見圖1)，即在進行“化工設(shè)計”課程教學(xué)的同時，引入大學(xué)生化工設(shè)計競賽.該競賽是國內(nèi)規(guī)模最大、水平最高的化工類國家級賽事.學(xué)科競賽是考查學(xué)生學(xué)科基本理論知識和解決實際問題能力的活動，在培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力、工程技能、團隊精神和競爭意識等方面發(fā)揮著積極的作用[6].將大學(xué)生化工設(shè)計競賽的題目作為本課程考核項目設(shè)計的題目，按照競賽要求以團隊形式進行項目設(shè)計.課程學(xué)習(xí)初期采取“任務(wù)式”教學(xué)，將項目設(shè)計任務(wù)布置給學(xué)生，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)該課程；課程結(jié)束后進一步完善項目設(shè)計作品并參加競賽.在項目設(shè)計實施過程中，從項目選題、方案設(shè)計、技術(shù)實現(xiàn)、工程圖紙繪制、流程模擬，再到說明書及可行性研究報告的撰寫、視頻制作、答辯PPT編制等，每個環(huán)節(jié)都要以學(xué)生為主體，從而使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實踐動手能力和團結(jié)協(xié)作能力得到提高，探索精神得到發(fā)掘，創(chuàng)新能力和工程意識得到加強.“學(xué)科競賽+項目設(shè)計”的教學(xué)模式提高了學(xué)生學(xué)習(xí)“化工設(shè)計”課程的興趣和積極性.由圖2可以看出，自2019年湖州師范學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)實施“化工設(shè)計”課程教學(xué)改革以來，學(xué)生競賽參與率有很大提升，是2016年的近10倍，80%以上的學(xué)生能積極參與.以“賽”促“學(xué)”，以“賽”促“教”，項目實踐帶動理論教學(xué)，在一定程度上彌補了課堂教學(xué)的不足，擴大了學(xué)生的知識視野，使學(xué)生學(xué)以致用.

圖2 2016—2020年湖州師范學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生參與競賽的情況Fig.2 Participation of students majoring in materials chemistry in Huzhou University from 2016 to 2020

2.3 采取靈活多樣的教學(xué)組織形式，強化實踐教學(xué)

將教師單向知識傳授的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樽寣W(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人，采取課內(nèi)講授與課外自學(xué)相結(jié)合的教學(xué)組織形式，充分利用課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺將“化工設(shè)計”課程涉及的課內(nèi)外資源上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺.由于課內(nèi)學(xué)時有限，未講授的工程設(shè)計知識及Aspen Plus、Pdmax等現(xiàn)代設(shè)計軟件的學(xué)習(xí)可采取“課堂入門+課后自學(xué)輻射”的教學(xué)方法.同時適時采取師生課內(nèi)討論交流、“組內(nèi)+組間”討論交流等靈活多樣的課程教學(xué)組織形式，使教師與學(xué)生真正互動，進而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和分析、解決問題的能力.

樹立“實踐教學(xué)與理論教學(xué)同等重要”“實踐是工科專業(yè)人才成功之本”的教育理念.“化工設(shè)計”課程直接面向應(yīng)用領(lǐng)域，實踐性很強.而實踐活動的展開有利于加深學(xué)生對課堂知識的理解，提高學(xué)生對后續(xù)課程學(xué)習(xí)的主動性，以及應(yīng)用專業(yè)知識解決實際問題的能力.因此，在“化工設(shè)計”課程48學(xué)時結(jié)束后可增設(shè)兩周“化工設(shè)計”課程的實踐課，以競賽要求為目標深化課程設(shè)計成果；積極開發(fā)校企合作平臺，建立校外實踐基地，聘請企業(yè)工程技術(shù)專家開展講座，并讓學(xué)生深入企業(yè)參觀學(xué)習(xí)，盡可能地讓學(xué)生在真實的環(huán)境中積累實踐知識，增強工程意識.

2.4 改革課程考核方式

針對“化工設(shè)計”課程對學(xué)生動手實踐能力要求高的特點，其課程考核方式應(yīng)打破傳統(tǒng)的期末閉卷考試方式的束縛，考試內(nèi)容要突破課堂和教材內(nèi)容的局限，注重學(xué)生對所學(xué)知識及自學(xué)知識的綜合運用，充分體現(xiàn)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力.該課程考核方法要以“團隊+項目設(shè)計+答辯”的形式為主，并將過程跟蹤評價法與終結(jié)性評價法相結(jié)合.過程跟蹤評價法主要是針對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的具體情況，如課程學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)、實踐學(xué)習(xí)過程中的動手能力、項目設(shè)計方案的提出、階段性作品設(shè)計情況匯報、創(chuàng)新成果、團隊協(xié)作情況等方面進行的跟蹤考查.整個考核環(huán)節(jié)要注重學(xué)習(xí)能力及創(chuàng)新能力，特別是對學(xué)生積極思考問題和解決問題能力的考查.終結(jié)性評價包括項目設(shè)計成果(包括設(shè)計說明書、圖紙質(zhì)量、現(xiàn)代設(shè)計工具的使用等)和成果答辯情況，主要考查學(xué)生工程設(shè)計、寫作、現(xiàn)代技術(shù)工具運用等方面的能力.

通過課程考核方式改革，要求學(xué)生不僅要掌握課程知識點，還要學(xué)會利用知識解決工程問題，由等著期末突擊考試轉(zhuǎn)變?yōu)闀r刻關(guān)注課程學(xué)習(xí)的每個細節(jié)，以有效提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的重視程度和課堂效率.這樣的課程改革明顯增多了學(xué)生團隊成員間及學(xué)生與老師圍繞課程項目設(shè)計遇到問題的討論.企業(yè)專家也發(fā)現(xiàn)學(xué)生去企業(yè)專業(yè)見習(xí)時，學(xué)生對專家講解的生產(chǎn)流程一聽就懂，對流程圖中的工程知識也很熟悉.“團隊+項目設(shè)計+答辯”的考核方式取得了良好效果.

3 結(jié) 語

湖州師范學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)“化工設(shè)計”課程的教學(xué)改革，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)課程教學(xué)模塊，有機結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，以“學(xué)科競賽+項目設(shè)計”為導(dǎo)向，有效地將化工設(shè)計競賽內(nèi)容貫穿于課程教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)中；通過面向項目設(shè)計的實踐活動激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，將理論知識應(yīng)用于解決工程問題中，達到了學(xué)以致用的教學(xué)目的；充分利用課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，采取“課堂入門+課后自學(xué)輻射”、討論交流等靈活多樣的課程教學(xué)組織形式，豐富了學(xué)生的工程知識，開闊了學(xué)生的視野；通過校企合作深入企業(yè)實踐，讓學(xué)生感受到了真實的生產(chǎn)環(huán)境，增強了學(xué)生的感性認識和工程意識.總之，將課堂學(xué)習(xí)與課外競賽、企業(yè)實踐相結(jié)合，有效構(gòu)建了全過程、多環(huán)節(jié)、一體化的“新工科”人才培養(yǎng)模式.