以新工科理念為指導(dǎo)的化工設(shè)計課程教學(xué)研究與改革

王立成 ， 尹曉紅 ， 范文元 ， 孫 喆

(天津理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 ， 天津 300384)

0 前言

化工專業(yè)的學(xué)生不僅要具備扎實深厚的理論知識，還要具有多學(xué)科知識交叉應(yīng)用能力、操作和設(shè)計的實踐能力、工程意識和創(chuàng)新精神，以及國際視野和競爭意識。因此，我國高等工程教育的培養(yǎng)模式和課程體系急需改革。2016年，教育部首次提出了新工科理念，并先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”三個指導(dǎo)性文件。從“新理念”“新結(jié)構(gòu)”“新模式”“新質(zhì)量”和“新體系”五個方面闡述了新工科建設(shè)的深刻內(nèi)涵，即以立德樹人為引領(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[1-2]。為了適應(yīng)新工科建設(shè)的要求，化工專業(yè)的教育模式和培養(yǎng)體系必須打破桎梏，改革創(chuàng)新，適時發(fā)展。

1 化工設(shè)計課程存在的不足

化工設(shè)計是將實驗室的科研成果轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實化工產(chǎn)品的橋梁和紐帶?；ぴO(shè)計課程是化工專業(yè)的主干課和必修課，是利用相關(guān)課程的理論知識和專業(yè)技能，確定生產(chǎn)采用的工藝流程，利用流程模擬軟件完成工藝流程的物料衡算和熱量衡算，以此為基礎(chǔ)進行裝置的選型和設(shè)計，完成裝置在車間的布置和管路鋪設(shè)，并對工藝的安全、環(huán)保和經(jīng)濟型進行評估。課程具有標準規(guī)范多、知識面廣、工程實踐強的特點[3]。旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合利用所學(xué)知識解決實際工程問題的能力，增強學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新精神，具備化學(xué)工程師的基本素質(zhì)和行為準則。對照新工科建設(shè)的要求和新形勢下人才培養(yǎng)模式的變化，對化工設(shè)計課程存在的問題進行分析和梳理，發(fā)現(xiàn)該課程還存在一些不足。

1.1 課程思政建設(shè)重視不足，立德樹人效果不突出

目前化工設(shè)計課程重心在專業(yè)知識的教學(xué)上，沒有正確認識知識傳授與價值引領(lǐng)之間的關(guān)系，不重視課程思政的引入。即使能引入一些思政教育，但沒能將教學(xué)內(nèi)容與思政元素靈活融合，導(dǎo)致思政教育親和力不強，針對性不足，不能促進學(xué)生思想道德的提升，也降低了學(xué)生的學(xué)習興趣，起不到“潤物細無聲”的效果，沒有達到立德樹人的更高要求。

1.2 課程內(nèi)容不合理，學(xué)時壓縮嚴重

目前的教學(xué)只能介紹化工設(shè)計的一般過程和基本原理，教授的內(nèi)容是淺嘗輒止，學(xué)生的學(xué)習也是“走馬觀花”。學(xué)時的限制導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容深度不夠，對于學(xué)生設(shè)計能力的提高和工程意識的培養(yǎng)不利?；ぴO(shè)計的過程是遵循國家設(shè)計規(guī)范的過程，設(shè)計過程中要查閱眾多的設(shè)計規(guī)范。但目前的化工設(shè)計教學(xué)沒有介紹國家設(shè)計規(guī)范，對于如何查閱和使用設(shè)計規(guī)范，如何在設(shè)計規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)自主設(shè)計缺乏認識，不利于學(xué)生規(guī)范意識的培養(yǎng)和工程師素質(zhì)的積累?；ぴO(shè)計要用到很多的設(shè)計軟件，受限于學(xué)時，對于各類軟件的介紹和使用不能講授，對于后期學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計及各種化工設(shè)計競賽的參與極為不利。

1.3 設(shè)計實踐教學(xué)不足，學(xué)生綜合應(yīng)用能力差

化工設(shè)計是一門涉及多學(xué)科知識交叉應(yīng)用的課程，是在“四大”化學(xué)、化工原理、化工熱力學(xué)、化工機械基礎(chǔ)、反應(yīng)工程、化工制圖等課程的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)技能，解決實際工程問題的學(xué)科?，F(xiàn)在的化工設(shè)計教學(xué)仍是重理論、輕實踐，忽略了該課程的工程性和實踐性的特點。由于大多數(shù)教師缺乏工程設(shè)計經(jīng)驗，在授課過程中，沒有案例教學(xué)的應(yīng)用，不能通過實際的化工工藝設(shè)計過程講解，闡述設(shè)計原理和工程經(jīng)驗，學(xué)生沒有參與感，無法激起學(xué)習興趣。課程沒有配套的設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生通過多人合作，利用所學(xué)知識親身參與具體工藝流程的設(shè)計，各學(xué)科綜合應(yīng)用能力較差。

1.4 考核方式形式單一，無法反映學(xué)生綜合能力

化工設(shè)計是一門實踐能力要求較高的課程，理應(yīng)重視對學(xué)生多學(xué)科交叉應(yīng)用能力和工程設(shè)計實踐能力的考核。但目前的考核方式與其他的課程無異，分兩部分：一部分是平時分，主要看學(xué)生的作業(yè)和課上回答問題情況，占20%；另一部分是期末的閉卷考試，主要看學(xué)生對重要知識點的掌握能力，占80%。這種考核方式，考察的是學(xué)生的記憶能力，無法反映學(xué)生利用所學(xué)知識進行工程設(shè)計的能力，與培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和工程意識的教育目標不一致，也無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣和挑戰(zhàn)意識，與新工科理念不一致。

2 化工設(shè)計課程改革

針對化工設(shè)計課程存在的不足，以新工科理念為指導(dǎo)，以立德樹人為引領(lǐng)，強化化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的工程意識與實踐能力，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，對化工設(shè)計課程提出一些改革措施。

2.1 加強課程思政建設(shè)，提升學(xué)生道德水平

化工設(shè)計課程要講授很多工程設(shè)計實例和化工生產(chǎn)現(xiàn)狀，蘊含大量的思政元素，我們在傳授知識、提高學(xué)生設(shè)計水平的同時，挖掘其中的人文情懷和科學(xué)精神，引領(lǐng)學(xué)生形成正確的人生觀和價值觀。在介紹化工廠建設(shè)過程的內(nèi)容時，引入一些著名化工設(shè)計工程師的感人事跡，激發(fā)學(xué)生愛國情懷和吃苦耐勞、無私奉獻的精神。在介紹一些通過我國學(xué)者改進獲得提升的工藝流程時，講述研究者在科研道路上的奮勇拼搏、勇攀高峰精神，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感和熱愛科研的追求。通過介紹智慧化工園區(qū)和綠色可循環(huán)工業(yè)園區(qū)的技術(shù)和建設(shè)，讓學(xué)生節(jié)約能源，珍惜自然資源，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)展綠色化工、重視環(huán)境保護和與自然和諧相處的新化工理念。在講授化工裝置的選型設(shè)計環(huán)節(jié)，穿插介紹我國在機械制造業(yè)領(lǐng)域取得的巨大成就，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神和愛國意識。在介紹化工安全與環(huán)境保護方面的內(nèi)容時，結(jié)合“3·21”響水化工企業(yè)爆炸事故、“4·17”太原化工廠爆炸事故及太湖水污染事件，強化學(xué)生遵紀守法、關(guān)愛生命、重視環(huán)境保護的意識，培養(yǎng)學(xué)生的工程倫理，提升職業(yè)素養(yǎng)。

通過具體實例的講解，實現(xiàn)思政教育與專業(yè)知識傳授的高效融合，使價值引領(lǐng)不突兀，學(xué)生接受不排斥，同時激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習興趣，真正起到“潤物細無聲”的教育效果，促進學(xué)生的思想道德提升。

2.2 增加課程學(xué)時，完善授課內(nèi)容

針對化工設(shè)計課程32學(xué)時的不足，將授課時間增加到48學(xué)時，同時改革教學(xué)方法，完善授課內(nèi)容。由于課程涉及的理論知識較多，而學(xué)生的工程經(jīng)驗不足，單純講授書本知識，學(xué)生的興趣不大，知識接受起來也較為晦澀，達不到較好的學(xué)習效果。所以，在改革中，將設(shè)計理論與工程實際案例結(jié)合，通過具體案例的應(yīng)用分析，加深學(xué)生的知識領(lǐng)悟能力，達到學(xué)以致用的效果。

化工設(shè)計過程要遵循很多的國家標準和行業(yè)規(guī)范，為此，專門拿出兩個學(xué)時，介紹設(shè)計過程各個環(huán)節(jié)需要遵循的標準和規(guī)范，并對其主要內(nèi)容作講解。同時，在講授其他設(shè)計內(nèi)容時，穿插介紹標準和規(guī)范的應(yīng)用。

為了彌補化工專業(yè)教師非工化的不足，專業(yè)鼓勵設(shè)計院和企業(yè)專家進入課堂?；ぴO(shè)計課程邀請?zhí)旖蚧ぴO(shè)計院、中國天辰工程有限公司、天津海水淡化所等企業(yè)的專家學(xué)者，定期為化工專業(yè)的學(xué)生講授相關(guān)領(lǐng)域的研究進展和化工行業(yè)的現(xiàn)實狀況，使學(xué)生開闊視野，了解化工企業(yè)的生產(chǎn)管理，為今后的科研深造、工作就業(yè)指明方向。

2.3 增設(shè)設(shè)計軟件教學(xué)和仿真實訓(xùn)歷練

完成一項化工設(shè)計需要很多設(shè)計軟件的輔助，化工設(shè)計軟件的引入體現(xiàn)了設(shè)計水平的提高。為此，化工設(shè)計課程專門拿出一些學(xué)時介紹設(shè)計各個階段需要的輔助設(shè)計軟件。對一些較為重要的軟件還進行實例操作講解。同時，學(xué)院購買了流程模擬軟件Aspen Plus和50臺電腦，建立了流程模擬教學(xué)室。學(xué)生在課堂學(xué)習后，再進入模擬教學(xué)室練習。通過實例教學(xué)，使學(xué)生快速掌握軟件的使用方法。學(xué)生親自動手完成一個個工藝流程模擬實例，掌握了設(shè)計軟件的使用方法，加深了對化工知識的理解，也對化工生產(chǎn)過程有了更直觀的認識。

為了使學(xué)生了解真實的化工生產(chǎn)過程，學(xué)院建立了化工虛擬仿真中心。仿真體系包括化工單元操作仿真、化工過程控制仿真、化工安全仿真和工藝流程模擬優(yōu)化仿真。學(xué)生通過仿真體系的DCS控制系統(tǒng)，控制原料進料，調(diào)節(jié)操作溫度、壓力，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，為今后進入化工廠實習或工作奠定基礎(chǔ)。

2.4 加強設(shè)計實踐訓(xùn)練，提高設(shè)計水平

為了提高學(xué)生的化工設(shè)計水平，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，在課程學(xué)習中增加了兩項設(shè)計實踐訓(xùn)練。實訓(xùn)一要求學(xué)生按照教師指定的生產(chǎn)工藝，選擇合適的生產(chǎn)裝置，按照流程的組織原則確定裝置的連接方法，明確裝置的操作條件，完成裝置的自動控制設(shè)計。同時提交帶控制點的工藝流程圖和主要裝置的設(shè)備條件圖。實訓(xùn)二將學(xué)生每5人為一組，完成一種工藝流程的設(shè)計。通過Aspen Plus模擬軟件，完成工藝流程的物料衡算和能量衡算，以此為基礎(chǔ)進行裝置的選型設(shè)計，車間布置設(shè)計、車間管路設(shè)計和廠區(qū)布置設(shè)計。要求學(xué)生利用Auto CAD 繪制帶控制點的工藝流程圖，車間布置圖、車間管路圖和廠區(qū)布置圖。完成設(shè)計后進行答辯匯報，由每組組長介紹流程設(shè)計過程每個組員完成的工作，取得的成果，并由教師對匯報中的一些問題進行提問，組員進行解答。通過這兩項設(shè)計實踐訓(xùn)練，鍛煉了學(xué)生綜合應(yīng)用各學(xué)科知識的能力，提高了設(shè)計水平，也培養(yǎng)了學(xué)生的團隊意識和競爭精神，為化工設(shè)計大賽等競賽活動奠定了扎實的專業(yè)基礎(chǔ)。

2.5 增加考核內(nèi)容，突出實踐能力

化工設(shè)計課程的考核要符合新工科建設(shè)人才培養(yǎng)的要求，要改變以往考核形式單一，只注重記憶和應(yīng)試的考試形式。加強對學(xué)生的過程考核，進行全過程學(xué)業(yè)評價，特別是學(xué)生綜合應(yīng)用能力和實踐能力的考核。改革后，課程考核分為幾部分：①平時成績，主要是看學(xué)生的作業(yè)、回答問題情況和學(xué)習態(tài)度，占10%。②上機實習成績，考察學(xué)生模擬軟件的掌握程度和虛擬仿真的操作情況，占20%。③設(shè)計實踐一的成績，評價學(xué)生完成實訓(xùn)一的情況，占10%。④設(shè)計實踐二的成績，評估學(xué)生完成實訓(xùn)二的情況，占20%。⑤期末考試，以閉卷考試的形式評估學(xué)生對知識的掌握和應(yīng)用能力，占40%。新的考核體系，突出了學(xué)科交叉應(yīng)用能力和實踐能力的考核，符合新工科建設(shè)的要求，更能真實反映學(xué)生的學(xué)習效果。

3 結(jié)語

新工科建設(shè)理念指導(dǎo)下，對化工設(shè)計課程進行深入分析和大力改革，取得了很好的成效。實踐證明，通過加強課程思政建設(shè)，學(xué)生的思想道德獲得很大提升，形成了正確的價值觀和人生觀。通過完善授課內(nèi)容，增加軟件教學(xué)和仿真實訓(xùn)，使化工設(shè)計課程更貼近設(shè)計實際，使化工專業(yè)學(xué)生更符合化工企業(yè)對人才的要求。加強設(shè)計實踐訓(xùn)練，改革考核方式，促進了學(xué)生的學(xué)習興趣，提升了設(shè)計水平。這些措施的實施，滿足了新工科建設(shè)的要求，也將促進化工設(shè)計課程的良好發(fā)展。