新工科背景下化工設(shè)計(jì)競賽促進(jìn)人才培養(yǎng)的研究

＊張秋利 陳朝陽 周軍 馬晶 湯潔莉

（西安建筑科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 陜西 710055）

隨著新經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)專業(yè)的人才特別是全能型工科人才的需求愈加強(qiáng)烈，而我國現(xiàn)在正缺少此類人才。全國高校工程教育研討會(huì)于2017年在復(fù)旦大學(xué)舉行并達(dá)成“復(fù)旦共識(shí)”，標(biāo)志著中國“新工科”探索階段的開始[1]?！靶鹿た啤弊⒅厝瞬诺娜姘l(fā)展，注重多學(xué)科的交叉融合，更注重信息技術(shù)與工業(yè)發(fā)展的結(jié)合，智能化、信息化與大數(shù)據(jù)的發(fā)展突破了傳統(tǒng)工科的思維定勢及局限性[2]。“新工科”為高校專業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了契機(jī)，為工程教育改革提供了啟發(fā)。因此，在“新工科”背景下，更新教育理念和模式，優(yōu)化專業(yè)人才培養(yǎng)方案，對(duì)人才培養(yǎng)的提升有重要意義。

化學(xué)工業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其具有十分重要的地位[3]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，化工行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)生了深刻的變化，急需新型工科人才支撐，這與“新工科”的要求不謀而合，對(duì)工程教育改革人才培養(yǎng)提出了新的要求，要求培養(yǎng)工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的工程科技人才[4]。然而，我國化工類專業(yè)學(xué)生的設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力不足，主要表現(xiàn)為：重視課堂教學(xué)、輕視實(shí)踐教學(xué)的教育理念沒有得到根本轉(zhuǎn)變[5]，畢業(yè)生進(jìn)入生產(chǎn)單位后表現(xiàn)出工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足、實(shí)際操作能力弱等，這與“新工科”的理念與內(nèi)涵相距甚遠(yuǎn)。為加強(qiáng)工程教育，培養(yǎng)卓越的工科人才，教育部發(fā)起“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”。為了培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理念，提高工程設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”目標(biāo)，中國化工學(xué)會(huì)、中國化工教育協(xié)會(huì)、教育部高等學(xué)?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)聯(lián)合舉辦了多屆全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競賽[6-7]。作為全國化工設(shè)計(jì)領(lǐng)域規(guī)模最大與水平最高的國內(nèi)賽事，其任務(wù)包括化工新產(chǎn)品和化工新技術(shù)的研發(fā)，新流程和新裝置的設(shè)計(jì)以及新的化工廠生產(chǎn)過程操作運(yùn)行方案等方面，對(duì)提高化工專業(yè)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、培養(yǎng)卓越工程師、拓寬專業(yè)知識(shí)、增強(qiáng)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力等諸多方面具有積極的促進(jìn)作用，這恰與“新工科”的建設(shè)目標(biāo)相契合[8-9]。

西安建筑科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院的化學(xué)工程與工藝專業(yè)為了適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要和企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新要求，結(jié)合地方資源優(yōu)勢，發(fā)揮自身特長，把握行業(yè)人才需求方向，形成自己的辦學(xué)方向和特色。但是在新工科建設(shè)背景下，急需結(jié)合全國化工設(shè)計(jì)競賽，修訂培養(yǎng)方案，優(yōu)化整合主要課程及教學(xué)內(nèi)容，為培養(yǎng)符合時(shí)代發(fā)展與產(chǎn)業(yè)行業(yè)要求的綜合性工科人才奠定基礎(chǔ)。

1.化學(xué)工程與工藝專業(yè)基礎(chǔ)

化學(xué)工程與工藝系前身是我校冶金工程學(xué)院有色金屬冶金教研室，1997年國家調(diào)整專業(yè)結(jié)構(gòu)，學(xué)校申辦了“化學(xué)工程與工藝”專業(yè)，并于1998年9月開始招生。2005年獲批化學(xué)工程與技術(shù)一級(jí)學(xué)科碩士點(diǎn)。

經(jīng)過多年發(fā)展和實(shí)踐，化學(xué)工程與工藝專業(yè)形成了“能源工程技術(shù)”和“先進(jìn)化工工程技術(shù)”兩個(gè)專業(yè)方向；目前已經(jīng)具有完善的專業(yè)培養(yǎng)方案，培養(yǎng)目標(biāo)明確、課程設(shè)置合理、專業(yè)特色鮮明。擁有化學(xué)工程與技術(shù)一級(jí)學(xué)科碩士點(diǎn)1個(gè)，應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程、生物化工、工業(yè)催化、化學(xué)工藝等二級(jí)學(xué)科碩士點(diǎn)5個(gè)，化學(xué)工程專業(yè)學(xué)位碩士點(diǎn)1個(gè)。

2.化學(xué)工程與工藝專業(yè)改革背景

依據(jù)“新工科”教育的戰(zhàn)略思想，西安建筑科技大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)積極轉(zhuǎn)變辦學(xué)思路，改革辦學(xué)方式，重新定位人才培養(yǎng)目標(biāo)，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型工程技術(shù)人才。2015年西安建筑科技大學(xué)第一次參加全國化工設(shè)計(jì)大賽，累計(jì)獲得全國化工設(shè)計(jì)大賽二等獎(jiǎng)6項(xiàng)，三等獎(jiǎng)3項(xiàng)。為了提高學(xué)生的競賽能力，選拔優(yōu)秀人的學(xué)生參加，我校于2020年開始舉辦西安建筑科技大學(xué)校賽，使學(xué)生提前熟悉競賽的全過程，包括任務(wù)下達(dá)、查閱資料、確定工藝方案、工藝設(shè)計(jì)計(jì)算、提交作品、準(zhǔn)備答辯等，提高了學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)、創(chuàng)造學(xué)習(xí)性的能力，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)意識(shí)，報(bào)名人數(shù)逐年增加，競賽水平明顯提高，同時(shí)也促進(jìn)了化工專業(yè)人才的培養(yǎng)。但是從參賽的經(jīng)歷中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如學(xué)生對(duì)相關(guān)的化工設(shè)計(jì)軟件如Aspen等掌握不好，導(dǎo)致設(shè)計(jì)速度慢；學(xué)生不能綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，專業(yè)課程系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)不完善；對(duì)很多設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不清楚，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不規(guī)范；同時(shí)，化工專業(yè)的指導(dǎo)教師普遍無工程設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程實(shí)際指導(dǎo)學(xué)生困難。因此，為提高學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力，提高作品的整體水平，需要在教學(xué)中針對(duì)以上問題，加強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，教學(xué)中補(bǔ)充重要的化工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，增加設(shè)計(jì)軟件的教學(xué)，提高軟件的應(yīng)用能力，同時(shí)從企業(yè)或設(shè)計(jì)院聘請(qǐng)具有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專家和相關(guān)技術(shù)人員授課，提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。

綜上所述，高等院校必須積極推進(jìn)教學(xué)改革。針對(duì)我校具體情況，我們把化學(xué)工程與工藝專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案進(jìn)行梳理，結(jié)合近年的化工設(shè)計(jì)競賽經(jīng)驗(yàn)，并通過調(diào)研和專家指導(dǎo)，優(yōu)化課程設(shè)置，更新教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)模式、實(shí)施工程案例改革教學(xué)模式，使“新的培養(yǎng)方案”更符合“新工科”的要求。

3.化學(xué)工程與工藝專業(yè)改革措施

(1)培養(yǎng)方案的修訂

培養(yǎng)方案是一個(gè)培養(yǎng)專業(yè)人才的基本依據(jù)，全國化工設(shè)計(jì)競賽將課程學(xué)習(xí)內(nèi)容與設(shè)計(jì)實(shí)踐融會(huì)貫通，可有效激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。因此，合理利用化工設(shè)計(jì)競賽的資源，改革化工專業(yè)人才培養(yǎng)模式，更新培養(yǎng)方案，注重學(xué)科交叉和學(xué)科前沿，對(duì)培養(yǎng)“新工科”型人才有著十分重要的意義。

①以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，調(diào)整知識(shí)內(nèi)容，精簡課程數(shù)量

根據(jù)化工設(shè)計(jì)競賽的要求，結(jié)合化工行業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)化工類專業(yè)培養(yǎng)方案的知識(shí)體系進(jìn)行優(yōu)化組合，突出化工設(shè)計(jì)的理念，精簡課程降低學(xué)時(shí)。畢業(yè)需達(dá)到的最低學(xué)分?jǐn)?shù)控制在160學(xué)分以內(nèi)，設(shè)置了通識(shí)教育教學(xué)模塊、專業(yè)教育教學(xué)模塊、課外素質(zhì)教育模塊，并新增設(shè)了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育模塊。注重?cái)?shù)、理、化、英語等基礎(chǔ)課的銜接；打破課程間的壁壘，統(tǒng)籌各模塊與實(shí)踐環(huán)節(jié)，整合或重新設(shè)計(jì)綜合性課程，提高課程的綜合化水平。

②結(jié)合學(xué)科交叉，注重課程的深度和廣度

化工學(xué)科屬于典型的多學(xué)科交叉互融，涉及化學(xué)、物理、工程技術(shù)、生物、醫(yī)藥等，與能源、生物、環(huán)境、冶金、材料等多個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域緊密相關(guān)。因此，在化工專業(yè)的課程設(shè)置中要注重深度和廣度，開設(shè)多學(xué)科融合交叉的課程，組建相應(yīng)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，推進(jìn)不同學(xué)科的合作學(xué)習(xí)，增加相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的廣度和深度，使學(xué)生能夠從多角度、多領(lǐng)域、多學(xué)科方向上思考問題。

③結(jié)合學(xué)科前沿，引入最新的知識(shí)

在經(jīng)濟(jì)與技術(shù)高速發(fā)展的背景下，知識(shí)爆炸、學(xué)科之間交叉融合加深，拓寬了化工領(lǐng)域和研究范圍，生物、新能源、新材料、信息等工程領(lǐng)域的發(fā)展，擴(kuò)充了化工專業(yè)的研究范圍和知識(shí)領(lǐng)域，帶來了新的前沿學(xué)科[10]?；瘜W(xué)工業(yè)本身也產(chǎn)生了新的技術(shù)和研究方向，如組合催化技術(shù)、微化工技術(shù)等，這些新技術(shù)使化工及相關(guān)學(xué)科的知識(shí)體系更完善、更系統(tǒng)和全面，化工類專業(yè)的教育教學(xué)中要體現(xiàn)這些新知識(shí)，必須修訂培養(yǎng)方案，更新教學(xué)內(nèi)容，引入最新的學(xué)科前沿和新成果。

④精簡理論學(xué)時(shí)，突出應(yīng)用能力培養(yǎng)

應(yīng)用型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)實(shí)踐教學(xué)也是卓越工程科技人才培養(yǎng)創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)，也符合新工科專業(yè)多學(xué)科知識(shí)運(yùn)用要求。課程設(shè)置做好理論課和實(shí)踐課間的平衡，刪減部分理論學(xué)時(shí)，增加相關(guān)的實(shí)踐學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力主要依靠實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，在原有的實(shí)踐環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上，增設(shè)化工仿真訓(xùn)練模塊、以企業(yè)為主導(dǎo)的實(shí)習(xí)類工程訓(xùn)練教學(xué)模塊，與理論教學(xué)中的化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)、化工專業(yè)課程設(shè)計(jì)等結(jié)合，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的考核，結(jié)合化工專業(yè)特點(diǎn)和人才培養(yǎng)目標(biāo)，使學(xué)生更好地掌握化學(xué)工程的專業(yè)知識(shí)和技能。

(2)主要課程教學(xué)內(nèi)容的修訂

在培養(yǎng)方案中，與化工設(shè)計(jì)相關(guān)的主要課程有：化工原理、化工過程設(shè)計(jì)與開發(fā)、化工工藝學(xué)、化工設(shè)備設(shè)計(jì)、化學(xué)反應(yīng)工程、化工計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等，各課程間知識(shí)模塊相對(duì)獨(dú)立，學(xué)生在學(xué)習(xí)中也不能有效的相互聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生在進(jìn)行知識(shí)綜合應(yīng)用，如參加競賽或綜合類實(shí)驗(yàn)時(shí)，不能較好的獨(dú)立解決實(shí)際問題，因此，將相關(guān)課程內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，形成有機(jī)整體，有助于學(xué)生掌握設(shè)計(jì)方法，更好的完成化工設(shè)計(jì)競賽的內(nèi)容。

在化工設(shè)計(jì)競賽中，化工計(jì)算機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)軟件的運(yùn)用非常重要，幾乎貫穿了整個(gè)競賽的作品完成過程，因此在設(shè)計(jì)類課程教學(xué)中增設(shè)相關(guān)軟件的教學(xué)內(nèi)容，并結(jié)合專業(yè)課知識(shí)，講授軟件的應(yīng)用，提高化工設(shè)計(jì)效率。如在化工熱力學(xué)課程中，增加了熱力學(xué)模型的軟件實(shí)現(xiàn)；在化學(xué)反應(yīng)工程課程中，增加動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模塊的模擬；在化工設(shè)備設(shè)計(jì)中，增加了塔設(shè)備、換熱器的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)；此外，還單獨(dú)增加了化工相關(guān)設(shè)計(jì)軟件的教學(xué)內(nèi)容，如：Aspen Plus、Plant 3D、AutoCAD等。學(xué)生通過專業(yè)課程與軟件內(nèi)容的綜合學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)了專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，也掌握了化工軟件的應(yīng)用，可大大提高設(shè)計(jì)效率，為提升競賽作品的質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)，也可以更快的適應(yīng)設(shè)計(jì)工作。

(3)教學(xué)方法和模式的改革創(chuàng)新

在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代要充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，改革教學(xué)方法與模式。將優(yōu)秀的競賽作品制作成教學(xué)案例，結(jié)合專業(yè)課程的知識(shí)點(diǎn)，分布到各課程教學(xué)中，進(jìn)行重點(diǎn)講解；將部分內(nèi)容做成微課、慕課等，使學(xué)生可以隨時(shí)在網(wǎng)上學(xué)習(xí)；將課程設(shè)計(jì)的工藝流程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，加深設(shè)計(jì)過程的理解；通過參加競賽，使學(xué)生熟練掌握專業(yè)軟件，并與實(shí)際工程實(shí)踐相合，提高工程設(shè)計(jì)能力。

如在我校的化學(xué)反應(yīng)工程與化工設(shè)備設(shè)計(jì)課程的教學(xué)中，實(shí)施了案例教學(xué)法與相應(yīng)的評(píng)價(jià)機(jī)制?；瘜W(xué)反應(yīng)工程課程涉及到化學(xué)動(dòng)力學(xué)、間歇反應(yīng)器、理想流動(dòng)反應(yīng)器、返混、應(yīng)速率等知識(shí)點(diǎn)，化工設(shè)備設(shè)計(jì)課程中涉及具體反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，若按教材講解相關(guān)的定義和公式等，沒有新意和特色，枯燥乏味，學(xué)生也不喜歡聽。結(jié)合化工設(shè)計(jì)競賽，規(guī)劃好反應(yīng)器的設(shè)計(jì)案例，引導(dǎo)學(xué)生利用化學(xué)反應(yīng)工程與化工設(shè)備的相關(guān)知識(shí)，使用Aspen Plus軟件設(shè)計(jì)一個(gè)合理的反應(yīng)器。學(xué)生對(duì)競賽的案例有很強(qiáng)的好奇心，激發(fā)了對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣，課堂學(xué)習(xí)氣氛濃厚?；ぴO(shè)計(jì)競賽的案例一般都是來源于生產(chǎn)實(shí)踐，學(xué)生結(jié)合課堂所學(xué)知識(shí)，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，分析案例，并在課堂上匯報(bào)，和老師和同學(xué)一起在課堂討論，老師進(jìn)行知識(shí)總結(jié)，結(jié)合案例介紹相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。針對(duì)案例教學(xué)法的實(shí)踐，傳統(tǒng)的考核方式無法客觀評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果，因此，提出了過程的多層次考核的學(xué)生學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方案，考核內(nèi)容主要包括學(xué)生上課考勤與紀(jì)律、課堂知識(shí)點(diǎn)的提問與回答、文獻(xiàn)的查閱與分享、案例的分析與討論、案例的匯報(bào)、學(xué)生間互評(píng)等，充分體現(xiàn)了案例教學(xué)的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)考核模式重結(jié)果、輕過程，重理論、輕應(yīng)用的不足。通過結(jié)合全國化工設(shè)計(jì)競賽的案例教學(xué)法與創(chuàng)新評(píng)價(jià)機(jī)制的實(shí)施，強(qiáng)化了學(xué)生理論的培養(yǎng)、注重理論的應(yīng)用、突出實(shí)踐教學(xué)的重要性，同時(shí)兼顧學(xué)生的主動(dòng)性、思考性和探究性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自學(xué)能力，有效保證了教學(xué)效果，有利于培養(yǎng)理論指導(dǎo)實(shí)踐思維的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

化工專業(yè)教師普遍缺乏工程設(shè)計(jì)經(jīng)歷，沒有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致教學(xué)中不能很好地將理論與實(shí)際結(jié)合，為解決這些問題，采取了以上措施：邀請(qǐng)化工相關(guān)設(shè)計(jì)研究院的專家講學(xué)，結(jié)合實(shí)際工程案例，傳授設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；邀請(qǐng)化工生產(chǎn)企業(yè)的相關(guān)專家做報(bào)告，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)案例，講解化工行業(yè)的需求、化工生產(chǎn)工藝和方法；組織教師參加化學(xué)工程專業(yè)相關(guān)的設(shè)計(jì)培訓(xùn)，提高設(shè)計(jì)教學(xué)能力；安排青年教師到化工企業(yè)實(shí)訓(xùn)，了解化工生產(chǎn)的全過程，提高化工工程素養(yǎng)。

4.結(jié)語

“新工科”的教育理念注重人才的全面發(fā)展和多學(xué)科的交叉融合，突破對(duì)傳統(tǒng)工科的思維定勢，打破對(duì)傳統(tǒng)工科的局限性認(rèn)識(shí)，其為高校專業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了契機(jī)，為工程教育改革提供了啟發(fā)。全國化工設(shè)計(jì)競賽是化工設(shè)計(jì)領(lǐng)域規(guī)模最大、水平最高的國內(nèi)賽事，其對(duì)提高化工專業(yè)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、培養(yǎng)卓越工程師、拓寬專業(yè)知識(shí)、增強(qiáng)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力等諸多方面具有積極的促進(jìn)作用。通過兩者的有效融合，并結(jié)合我?；I(yè)實(shí)際，梳理培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案，并優(yōu)化相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)模式、實(shí)施工程案例改革教學(xué)模式，制訂了符合“新工科”型人才培養(yǎng)的化工設(shè)計(jì)類課程體系的培養(yǎng)計(jì)劃，可培養(yǎng)出符合時(shí)代發(fā)展與產(chǎn)業(yè)行業(yè)要求的工科人才。