高?；瘜W(xué)專業(yè)“化工基礎(chǔ)”課程教學(xué)模式的改革與探索

萬 鑫 王 敏 趙 爽 曹春艷 宋志國

（渤海大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院 遼寧錦州 121000）

“化工基礎(chǔ)”是一門針對化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)等理科專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，是運用高等數(shù)學(xué)、物理、物理化學(xué)的基本原理來研究和分析化工生產(chǎn)中“三傳一反”的基本原理、典型設(shè)備、工程思維與研究方法的學(xué)科，涵蓋化學(xué)、石油、輕工、生物、環(huán)保等行業(yè)，是一門實踐性很強的課程，實現(xiàn)了從自然科學(xué)向工程科學(xué)、理論到實踐的過渡[1]。隨著經(jīng)濟(jì)與科技的飛速發(fā)展，滿足高層次人才培養(yǎng)要求，強化理科學(xué)生的工程教育也逐漸受到各高校重視[2]。

一、化工基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問題

本課程采用了清華大學(xué)編著的《化學(xué)工程基礎(chǔ)》國家級規(guī)劃教材，包括典型化工單元操作與化學(xué)反應(yīng)工程兩大模塊。主要講授流體流動與輸送、傳熱、精餾、吸收等單元操作以及化學(xué)反應(yīng)器等相關(guān)內(nèi)容[3]。根據(jù)目前高校人才培養(yǎng)模式的改革思路[4]，本?；瘜W(xué)專業(yè)的教學(xué)課時根據(jù)新版培養(yǎng)方案的調(diào)整進(jìn)行了普遍下調(diào)，但是該門課程教學(xué)內(nèi)容涉及面廣、公式多且復(fù)雜，基本原理的應(yīng)用部分所占比重很大，由于課時限制，無法更為細(xì)致地對知識點進(jìn)行講解。例如，方程的推導(dǎo)，該過程不僅能使學(xué)生對基礎(chǔ)知識點進(jìn)行融會貫通，還可以培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力、邏輯思維能力，對后續(xù)典型設(shè)備的計算與選型也能打下良好的基礎(chǔ)。此外，理科學(xué)生在前修課程的培養(yǎng)過程中，學(xué)習(xí)側(cè)重點也多是理論知識的傳輸，缺少實踐經(jīng)驗，這方面能力的缺乏在化學(xué)專業(yè)的學(xué)生中體現(xiàn)更為明顯，他們通常很難將所學(xué)的基本原理很好地與工廠生產(chǎn)實際聯(lián)系在一起，特別化工典型設(shè)備的計算與選型等存在諸多問題。

作為一門較為傳統(tǒng)、理論知識框架很成熟的課程，傳統(tǒng)教學(xué)模式較為單一，主要以教師講授為主，課堂采用多媒體輔助教學(xué)，內(nèi)容主要圍繞單元操作的設(shè)計型與操作型計算展開，公式繁多，學(xué)習(xí)過程也非常枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性明顯不足，對基礎(chǔ)知識的理解與掌握遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，很難熟練地應(yīng)用理論知識解決工程實踐問題。因此，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性、培養(yǎng)學(xué)生的工程思維以及理論聯(lián)系實際的能力同樣成了本課程亟待解決的重點問題。

近年來，基于“OBE”理念即成果導(dǎo)向教育成了我國各高校人才培養(yǎng)模式改革的主流[5-8]。在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，本校為了更好地貫徹“OBE”教學(xué)理念，在全校范圍內(nèi)對各專業(yè)的培養(yǎng)方案、教學(xué)大綱及考核方式等均進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整與修正，旨在實現(xiàn)以學(xué)生為中心的教育理念，教學(xué)重點由教師的“教”向?qū)W生的“學(xué)”進(jìn)行轉(zhuǎn)變。但目前仍處于改革初期的摸索階段，對于化工基礎(chǔ)課程來說，傳統(tǒng)教育模式仍占比較大，教師在授課過程中的重點仍多以傳授知識為主，這與以學(xué)生達(dá)到預(yù)期學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的目的還有差距。

二、化工基礎(chǔ)課程教學(xué)模式的改革與探索

1.基于化學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心的課前預(yù)習(xí)模式

渤海大學(xué)化學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心是依托遼寧省應(yīng)用化學(xué)省級高校重點學(xué)科和應(yīng)用化學(xué)省級重點實驗室組建而成的。學(xué)生在虛擬仿真教學(xué)平臺上，可以自主進(jìn)行化工基礎(chǔ)虛擬仿真實驗的預(yù)習(xí)、操作練習(xí)、實驗方案設(shè)計等[9]。此外，中心還提供了與生產(chǎn)實際緊密相關(guān)如現(xiàn)代智能化工廠VR（虛擬現(xiàn)實）教學(xué)體驗系統(tǒng)、甲醇合成工藝3D虛擬現(xiàn)實仿真、丙烯酸甲酯生產(chǎn)工藝3D虛擬現(xiàn)實仿真等項目。

化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，化工單元操作以及化學(xué)反應(yīng)器的知識貫穿始終，例如壓縮系統(tǒng)需要的輸送管路、輸送設(shè)備以及各種閥門，合成車間需要的換熱設(shè)備，吸收塔、產(chǎn)品精制車間需要的精餾塔等。學(xué)生無論在課堂還是課下都很難接觸到真正的化工廠，理科專業(yè)學(xué)生實訓(xùn)課的安排以及認(rèn)識實習(xí)等場所均有所限制，也可能會涉及高危的生產(chǎn)環(huán)境[10-12]，那么對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程僅靠想象來完成顯然是不夠現(xiàn)實的，學(xué)生也很難做到把課上所學(xué)的基礎(chǔ)知識與實際聯(lián)系起來，理論聯(lián)系實際的能力無法得到鍛煉，工程思維也很難得到培養(yǎng)。

近年來，VR技術(shù)即虛擬仿真技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到了實踐運用，已有部分高校將該技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)和科研過程中[13-14]。“化學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心”的現(xiàn)代智能化工廠VR教學(xué)體驗項目，通過高度工業(yè)化、信息化和智能化三個維度，還原了現(xiàn)代化工廠的發(fā)展現(xiàn)狀。其中包括了產(chǎn)品生產(chǎn)、智能儲運、調(diào)度指揮以及污水處理等方面的內(nèi)容。學(xué)生可通過VR眼鏡跟隨系統(tǒng)通過任務(wù)引導(dǎo)，完成化工廠各生產(chǎn)車間的參觀，一方面，學(xué)生身臨其境全面體會了化工生產(chǎn)過程，熟悉了化工生產(chǎn)工藝車間、車間里的各種設(shè)備、加深了對即將學(xué)習(xí)的化工單元操作以及反應(yīng)器的理解，也能大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性；另一方面，也可以降低大型實訓(xùn)設(shè)備的運行成本與操作帶來的安全風(fēng)險。

為了有效地建立化工基礎(chǔ)課前預(yù)習(xí)體系，將中心平臺提供的甲醇合成工藝3D虛擬現(xiàn)實仿真項目與理論教學(xué)進(jìn)行了融合。學(xué)生課前通過化工虛擬仿真實驗平臺，進(jìn)入到工藝流程軟件中進(jìn)行實操預(yù)習(xí)。但整個操作學(xué)生如果僅僅通過提示進(jìn)行操作，各工藝流程中，各車間所需要的操作時間均較長，需要不斷地對生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，盡管可以根據(jù)提示完成操作，但學(xué)生始終處于比較被動的狀態(tài)，且也很難懂得如此操作的原因，機(jī)械性的操作與學(xué)習(xí)并不能加深學(xué)生對各車間生產(chǎn)操作過程的理解、對設(shè)備的理解等。因此，教師在學(xué)生預(yù)習(xí)前，首先發(fā)布任務(wù)書，針對授課內(nèi)容預(yù)先提出問題，學(xué)生帶著問題去進(jìn)行虛擬仿真操作，總結(jié)在任務(wù)書中出現(xiàn)的問題并在預(yù)習(xí)結(jié)束后，撰寫預(yù)習(xí)報告向教師進(jìn)行匯報，教師整理問題匯總總結(jié)，在授課過程中引導(dǎo)學(xué)生共同解決問題，并在課堂后發(fā)布新的操作任務(wù)，由學(xué)生獨立完成，做到鞏固知識、融會貫通。實施流程如圖1所示。

圖1 基于虛擬現(xiàn)實仿真項目的課程預(yù)習(xí)模式設(shè)計思路

教師針對本節(jié)化工基礎(chǔ)課程要講授的知識點，融合虛擬仿真項目中的操作，針對性地提出問題并進(jìn)行發(fā)布。例如，冷態(tài)開車的進(jìn)料過程中，需要人工操作的閥門種類都有哪些？閥門開度如何選擇與控制？啟動泵的順序是什么？為何啟動之前要關(guān)閉出口閥？對離心泵的特性參數(shù)有何影響？這是流體流動與輸送章節(jié)中涉及的內(nèi)容。甲醇合成車間使用的換熱器都有哪些種類？結(jié)構(gòu)特點及各自用途都是什么？熱流體的選擇？這是傳熱過程與傳熱設(shè)備章節(jié)講授的內(nèi)容。向精餾塔進(jìn)料時，如何控制塔釜液位高度、塔釜溫度和塔頂?shù)牟僮鲏毫?，回流操作中為何需要向回流罐中不斷打回流液？吸收塔和精餾塔用于哪些車間，主要用途分別是什么？在對精餾塔進(jìn)行操作時，如操作不當(dāng)會出現(xiàn)液泛等不正常的現(xiàn)象，對塔的操作性能和后續(xù)生產(chǎn)過程有何影響？合成得到的粗甲醇經(jīng)過哪些工藝過程得到了精致甲醇，在精制車間分別使用了哪些傳質(zhì)設(shè)備？用途分別是什么？這些內(nèi)容是精餾、吸收和氣液傳質(zhì)設(shè)備章節(jié)涉及的內(nèi)容。

2.基于化工設(shè)計競賽教學(xué)模式的改革與探索

遼寧省教育廳主辦的“化工設(shè)計競賽”是面向省內(nèi)各高校大學(xué)生的專業(yè)競賽，競賽中涉及化工單元操作的基礎(chǔ)知識、化工設(shè)備選型與計算、化工企業(yè)運行等內(nèi)容[15]，均與“化工基礎(chǔ)”課程息息相關(guān)。參加競賽對學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、工程實踐能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力均有明顯的促進(jìn)作用。學(xué)生參與競賽的積極性普遍較高，任課教師可在教學(xué)過程中加入經(jīng)典案例，將化工競賽設(shè)計任務(wù)引入課堂，不僅可以提高學(xué)生課堂的學(xué)習(xí)積極性，還能提高學(xué)生解決實際問題的能力。例如，某公司年產(chǎn)10萬噸MMA項目中換熱器的設(shè)計選型，涉及教學(xué)內(nèi)容包括熱交換器的傳熱機(jī)理、傳熱面積的計算、換熱過程的強化途徑以及熱交換器的選用和計算等。又比如，某電廠2000萬噸/年的含硫廢氣脫硫項目中，化工常見設(shè)備如反應(yīng)器的計算涉及的氣固相催化反應(yīng)模型、填料塔設(shè)備選型時需要考慮的流體力學(xué)性能評價、冷卻器設(shè)計中的管程及殼程的選擇等內(nèi)容與化學(xué)反應(yīng)工程、氣液傳質(zhì)設(shè)備等內(nèi)容密切相關(guān)。教學(xué)的重心由教師講授向以學(xué)生為中心轉(zhuǎn)變，不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，還能培養(yǎng)學(xué)生的工程技能和工程思維能力。

3.基于OBE理念的化工基礎(chǔ)課程設(shè)計的改革與探索

OBE理念的教學(xué)模式強調(diào)以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和能力為目標(biāo)，著重強調(diào)想讓學(xué)生取得什么樣的學(xué)習(xí)成果，如何有效地幫助學(xué)生取得這些成果以及如何知道學(xué)生已經(jīng)取得了這些成果[16]?！盎せA(chǔ)”作為一門實踐性和應(yīng)用性很強的課程，在教學(xué)過程中進(jìn)行創(chuàng)新教育不僅是人才培養(yǎng)的要求，也是課程自身性質(zhì)的要求?；せA(chǔ)的典型單元操作均有大量工程案例可供討論，不僅如此，在日常生活中涉及的相關(guān)案例也數(shù)不勝數(shù)，為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的參與度，使教學(xué)過程更加生動有趣，教學(xué)過程中可選擇一些偏向日常生活的案例。例如，餐廳里餐具的選擇與熱導(dǎo)率的關(guān)系、暖氣片的形狀與熱交換的關(guān)系等。教師在授課過程中根據(jù)案例先提出問題，學(xué)生在課下解決問題，教師對學(xué)生的討論情況進(jìn)行收集匯總并放在課堂上進(jìn)行分享討論，學(xué)生針對出現(xiàn)的問題進(jìn)行整理記錄并能獨立完成新的案例對知識進(jìn)行鞏固。整個教學(xué)設(shè)計過程與課程預(yù)習(xí)模式的流程基本一致，很好地將OBE理念貫穿于教學(xué)過程的始終，學(xué)生不僅在成績方面得到了提高，在分析解決問題能力、工程思維能力等方面均得到了鍛煉和提高。

4.課程評價考核系統(tǒng)的改革與實施

課程評價體系的建立是檢驗教學(xué)效果的主要方法，以往的課程評價體系中的過程性考核部分，并不包括課前預(yù)習(xí)部分，平時成績主要由出勤、作業(yè)與課堂表現(xiàn)三部分組成，總占比為30%。然而，教師在批閱課后作業(yè)的過程中發(fā)現(xiàn)，有雷同、抄襲等現(xiàn)象，學(xué)生對平時考核顯然不夠重視，如果考前突擊復(fù)習(xí)，最后也能取得不錯的成績，但實際上他們對課程內(nèi)容的理解和掌握程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，根本無法反映學(xué)生的真實學(xué)習(xí)情況，包括對理論知識的掌握程度，理論聯(lián)系實際的能力、工程思維能力等都無法得到鍛煉，也很難完成基于OBE模式修訂的教學(xué)大綱中對學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)的要求，因此改變傳統(tǒng)的考核方式勢在必行。

由于課前預(yù)習(xí)比重的加大，重新修訂了過程化評價的考核部分，課程的總成績組成如圖2所示。

圖2 化工基礎(chǔ)課程總成績考核方式

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，過程性評價和期末測試分別占比40%和60%，期末考試成績的占比由原來的70%降低到60%，加重了過程性評價的比例。過程性評價中預(yù)習(xí)、出勤、作業(yè)與課堂討論成績各占15%、5%、10%和10%，其中預(yù)習(xí)情況的側(cè)重點主要考查學(xué)生在虛擬仿真項目操作過程中的動手操作能力和自主學(xué)習(xí)能力；課堂討論部分主要考查學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力和工程思維能力；出勤情況考查學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度；作業(yè)則側(cè)重計算分析題，除了基本計算題之外加入了與生產(chǎn)實際相結(jié)合的案例，考查了學(xué)生對知識的理解與掌握，也鍛煉了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。新的課程評價體系，更客觀、更全面地考查了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，提高了學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力、培養(yǎng)了學(xué)生的工程思維和創(chuàng)新思想。

三、課程教學(xué)模式改革效果評價

經(jīng)過多年的建設(shè)與發(fā)展，化工基礎(chǔ)課程已經(jīng)形成了以“化學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心”為依托，基于OBE模式和專業(yè)競賽模式的混合式課程教學(xué)體系。本文對比了化學(xué)專業(yè)的學(xué)生近兩年化工基礎(chǔ)課程目標(biāo)完成度的情況，如圖3所示。課程目標(biāo)分別考核了學(xué)生對流體流動與輸送、傳熱、精餾、吸收等各單元操作的基礎(chǔ)知識與基本原理、典型設(shè)備及其計算方法的掌握情況，學(xué)生對工程學(xué)科基本研究方法和工程思維方式的掌握情況以及學(xué)生綜合運用理論知識解決實際問題的能力。

圖3 化工基礎(chǔ)課程目標(biāo)完成度對比

可以明顯看出，學(xué)生對化工基礎(chǔ)理論知識的掌握程度明顯得到了提升，由2020年的71.09%提高到2021年的79.35%；對于工程思維能力的考核，2021年的目標(biāo)完成度已經(jīng)高達(dá)80.91%，這是由于在課程教學(xué)過程中，引用了大量的實踐案例與理論知識相結(jié)合，極大地鍛煉了學(xué)生的工程思維方式和邏輯思維能力；學(xué)生綜合運用理論知識解決實際問題的能力也得到了很大的提高，說明學(xué)生對于化工過程涉及的實際問題可以融會貫通，鍛煉了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

此外，學(xué)生參加化工專業(yè)競賽的積極性持續(xù)高漲，這種將“賽”融入“教”與“學(xué)”的模式，極大地提高了學(xué)生參加比賽的興趣，同時也取得了優(yōu)異的成績。參賽學(xué)生在全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽、全國大學(xué)生化工實驗大賽東北賽區(qū)選拔賽、遼寧省普通高等學(xué)校本科大學(xué)生化工原理大賽等比賽中取得了一、二等獎的好成績。