淺談工程教育認證背景下的化工分離工程教學(xué)

＊邱健豪 張雄飛 顧曉利 徐勇 王飛 姚建峰

（南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 江蘇 210037）

自2016年正式成為《華盛頓協(xié)議》的成員后，我國的工程教育開始走向世界、面向世界[1]。但與此同時，對工程教育的踐行者（教師）和學(xué)習(xí)者（學(xué)生）提出了更高的要求。而要求自然也是源于工程教育認證的目標而提出：（1）改革是動力的源泉，持續(xù)改革才能不斷提高教育質(zhì)量；（2）為黨育人，為國育才，要為不斷發(fā)展的社會和企業(yè)培養(yǎng)適用型和實用型人才。為了實現(xiàn)和達成以上要求，必須將工程教育認證的核心理念轉(zhuǎn)變?yōu)榻逃虒W(xué)理念，主要包含以下幾個方面：（1）以學(xué)生為中心；（2）以培養(yǎng)目標、教育產(chǎn)出和實際成效為導(dǎo)向；（3）以全體學(xué)生共同達標為目標；（4）以持續(xù)改進促進質(zhì)量提升為手段[2]。因此，不論是達到要求還是踐行理念，貼合工程教育認證且行之有效的教學(xué)改革極為關(guān)鍵。

分離工程是化學(xué)工程學(xué)科的重要分支，以研究混合物分離與提純?yōu)槟繕说墓こ虒W(xué)科。作為清潔工藝的重要組成部分，分離工程在提高生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益、社會效益和產(chǎn)品質(zhì)量中起到舉足輕重的作用，尤其是在當下實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”的大背景下。為了契合工程教育專業(yè)認證并針對目前分離工程教學(xué)現(xiàn)狀及問題，該課程的教學(xué)應(yīng)圍繞課程內(nèi)容、教學(xué)模式及考核評價機制等持續(xù)改進與完善，以期培養(yǎng)出整體較為優(yōu)秀的化學(xué)工程專業(yè)畢業(yè)生并為他們未來在該專業(yè)上的進一步發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

1.化工分離工程教學(xué)現(xiàn)狀及問題分析

分離工程具有較強的應(yīng)用性和實踐性、內(nèi)容涉獵面廣、跨度大、知識點多等特點，囊括精餾、吸收、萃取及膜分離等具體單元操作的原理、選型及計算問題。然而與之矛盾的是較少的課時量（一般為32課時），這就為教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)造成了較大的考驗。具體來說，面臨的現(xiàn)狀和教學(xué)方面的問題主要有以下兩點。

(1)分離工程課程本身的特征

由于分離工程涉及的分離單元種類較多，就不可避免的存在較多的概念、物理量及公式。例如多組分分離基礎(chǔ)這一章包括分離過程設(shè)計變量的確定及相平衡關(guān)系、泡/露點、單級平衡分離過程（等溫閃蒸及絕熱閃蒸）的計算[3]，所涉及的物理量及指定的表示符號有60個，涉及的公式更是多達94個。對于大量繁瑣的理論和公式，例如逸度系數(shù)計算涉及的維里方程、范德華方程、RK方程、BWR方程等以及活度系數(shù)計算涉及的范拉爾方程、馬格勒斯方程、威爾遜方程、有規(guī)雙液方程等，這些方程較為復(fù)雜抽象且相應(yīng)的案例較少，學(xué)生聽課往往晦澀難懂、不知所云；此外，正是因為缺乏應(yīng)用案例，學(xué)生很難體會這些公式學(xué)起來有什么用、如何用，更不知孰輕孰重，最終致使對分離工程課程的學(xué)習(xí)興味索然。

(2)教師教和學(xué)生學(xué)的方式和狀態(tài)

分離工程的授課模式依然是以教師講授、學(xué)生被動灌輸為主，但是由于該課程內(nèi)容多、學(xué)時短，教師不僅做不到面面俱到而且上課節(jié)奏可能較快，因此很容易使學(xué)生對課程內(nèi)容的接收度低，最終所取得的教學(xué)效果較差。同時，這種“填鴨式”教育又與分離工程課程較強的應(yīng)用性和實踐性特征相互矛盾，因為這種授課模式很難做到理論與實踐的有機結(jié)合。同樣在以卷面分數(shù)為主要指標的課程考核與評價上，得高分的同學(xué)往往是理論基礎(chǔ)比較扎實的，但并不代表其具備較強的工程思維和解決實際工程問題的能力[4]，這就很難達到工程教育認證的標準和培養(yǎng)要求。因此，在這種教育模式下，是無法準確的考查學(xué)生是否掌握了解決實際工程問題的能力。此外，不容忽視的一點是考研對學(xué)生學(xué)和老師教狀態(tài)和效率的影響。由于分離工程課程的開課學(xué)期（大三或大四）與學(xué)生準備考研的時間重合且分離工程一般不是應(yīng)試科目，學(xué)生不愿為他們所認為的“不重要課程”花費時間，這就進一步使得對分離工程的教學(xué)難上加難。更不幸的是，學(xué)生學(xué)的狀態(tài)會影響老師教的狀態(tài)，讓老師形成“得過且過”的錯誤心理。還有一點同樣會影響學(xué)生學(xué)的狀態(tài)，分離工程每章節(jié)內(nèi)容大都是相互關(guān)聯(lián)、層層遞進與深入，而該課的上課周期一般為一周2個課時，間隔較長外加期間其它課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)會使得學(xué)生很容易忘記上節(jié)所學(xué)內(nèi)容，繼而對新內(nèi)容的接納程度較低，由此形成極為不利的惡性循環(huán)。

綜上，針對課程本身特征和老師教與學(xué)生學(xué)的方式和狀態(tài)帶來的一系列分離工程教學(xué)現(xiàn)狀和問題，考慮到工程教育認證標準和培養(yǎng)要求，可行且有效的教學(xué)改革勢在必行。

2.化工分離工程教學(xué)模式改革探索

改革的出發(fā)點和執(zhí)行者主要是教師，核心理念是以學(xué)生為中心。根據(jù)分離工程課程的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，提出了以下幾點改進措施：（1）優(yōu)化教學(xué)方案和授課內(nèi)容；（2）強化案例式教學(xué)；（3）加強和引導(dǎo)學(xué)生參與；（4）優(yōu)化考核評價機制。

(1)優(yōu)化教學(xué)方案和授課內(nèi)容

針對分離工程課程內(nèi)容大、難點多與課時少相矛盾的現(xiàn)狀，要想在有限的時間里做到事半功倍，必須對教學(xué)方案和授課內(nèi)容進行改進。首先是精簡內(nèi)容，由于分離工程涉及了較多的化工原理及物理化學(xué)等先修課程的基本知識點，對它們進行有計劃性的精簡能夠突顯出分離工程課程的特色與實際應(yīng)用方向。例如逸度系數(shù)和活度系數(shù)的計算在化工熱力學(xué)中有詳細的介紹，在分離工程中我們只需要簡單介紹并告知學(xué)生逸度系數(shù)是汽相組成的函數(shù)而活度系數(shù)是液相組成的函數(shù)即可。其次是突出重點，需要學(xué)生掌握的內(nèi)容重點講解而弱化只需要了解的部分；弱化對公式的推導(dǎo)過程，側(cè)重對公式的應(yīng)用過程。最后是構(gòu)建框架，每一節(jié)（章）的內(nèi)容一般都是循序漸進、息息相關(guān)的，框架的合理構(gòu)建能夠讓學(xué)生明確地定位和梳理每一節(jié)（章）的內(nèi)容，進而增強理解、加深記憶。例如多組分分離基礎(chǔ)這一章的基礎(chǔ)是相平衡的計算，隨后遵循泡點（塔釜的液相）計算→露點（塔頂?shù)钠啵┯嬎恪W蒸（一個平衡級的汽液兩相）計算的框架展開；再如精餾這一章先掌握了多組分精餾的原理和計算，隨后在此基礎(chǔ)上層層展開了對共沸精餾、萃取精餾及加鹽萃取精餾的理論學(xué)習(xí)和計算。優(yōu)化教學(xué)方案和授課內(nèi)容是使學(xué)生高效學(xué)習(xí)分離工程的前提和基礎(chǔ)。

(2)強化案例式教學(xué)

高等教育學(xué)會會長瞿振元曾說：“沒有高質(zhì)量的課堂教學(xué)就沒有高質(zhì)量的高等教育”[5]。因此，要提高分離工程的教學(xué)質(zhì)量，課堂教學(xué)及相關(guān)的教學(xué)模式改革依然是關(guān)鍵和核心。案例式教學(xué)是指在講授課程內(nèi)容之前或之后提出的與本節(jié)課內(nèi)容相關(guān)的案例問題，通過案例問題的解決來加深對相關(guān)原理或公式的理解和運用。在課程之前提出能夠引起學(xué)生的好奇、興趣和求知欲并啟發(fā)他們思考解決問題的方法，這樣教師會帶有目標性地來講授本節(jié)內(nèi)容，而學(xué)生便帶著疑問來學(xué)習(xí)解決這個疑問的原理或公式（又稱PBL（Problem Based Learning）式案例教學(xué)），有助于提高他們對分離工程學(xué)習(xí)的積極性。例如在講授通過泡/露點方程確定混合物相態(tài)時可以通過以下問題引出：在工廠中有密閉的球罐或儲罐盛裝有易燃易爆的液體，如果夏天天氣很熱的時候，如何簡單地判斷液體是否被汽化而可能導(dǎo)致事故的發(fā)生呢？這樣便會激發(fā)學(xué)生們的正義感和使命感來避免事故發(fā)生，由此學(xué)習(xí)熱情高漲并發(fā)現(xiàn)學(xué)好分離工程是很有用的；再如在引出特殊精餾的講授時，提問學(xué)生如何通過精餾來分離乙醇-水這類會形成共沸物的混合體系等。在講授課程知識點之后提出案例問題能夠讓同學(xué)們及時體會并熟知原理或公式的應(yīng)用環(huán)境及重要性，有助于強化理解、加深記憶。例如在講授完共沸組成與壓力的關(guān)系后，提問學(xué)生對于乙醇-水物系，如何通過調(diào)控壓力來獲得純乙醇。此外，教材上與需重點掌握知識點相關(guān)聯(lián)的例題或課后習(xí)題應(yīng)在講授完該知識點之后及時穿插講解。

(3)加強和引導(dǎo)學(xué)生參與

積極加強和引導(dǎo)學(xué)生參與到教學(xué)過程中能夠有效避免他們在課堂上不專心，并使他們在參與過程中獲得成就感，由此調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)分離工程的積極性和主動性。主要表現(xiàn)方式有2種：①教師為主體，加強師生互動。最簡單的就是在課堂上多增加提問環(huán)節(jié)，使學(xué)生們注意力保持集中；或是通過案例來增強學(xué)生參與，例如在講授萃取精餾和恒沸精餾時，可以從無水乙醇的生產(chǎn)過程中引出，指引學(xué)生設(shè)計分離方案并研究其可行性，最終確定最優(yōu)方案并設(shè)計具體步驟[7]；②學(xué)生為主體，教師從旁指導(dǎo)。改變以往較為死板的“教師講、學(xué)生聽”的教學(xué)模式，教師通過布置與課程相關(guān)的實際工程案例作為任務(wù)，將學(xué)生分組并通過查閱文獻來制定可行的方案然后通過PPT向大家講解。相關(guān)工程案包括果汁濃縮、啤酒花提純、生物酶類藥物制取[4]、CO2吸收、吸附及膜分離等。由此不僅能夠提升學(xué)生們的自主學(xué)習(xí)能力，還能使學(xué)生們的工程思維得到有效鍛煉。此外，我校額外開設(shè)了涉及萃取精餾、液液萃取以及膜分離的分離工程專業(yè)實驗課，且課時另算。實驗教學(xué)相對于理論教學(xué)更具有直觀性、實踐性、綜合性、探索性及啟發(fā)性等特點，學(xué)生通過實驗?zāi)軌蛴H身熟悉分離裝置及工藝流程、感悟分離原理，有助于進一步消化課堂理論知識，由此獲得良好的教學(xué)效果[8]。最后，為了保持課堂的連貫性及延續(xù)性、加深學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解及記憶，已學(xué)內(nèi)容在課后及新課前需得到鞏固和復(fù)習(xí)，作業(yè)的布置尤為重要。以往教師只注重課后作業(yè)的布置，而忽視課前作業(yè)，兩者同時并舉才能將學(xué)習(xí)效果最大化。然而，課前和課后作業(yè)的題型應(yīng)有所區(qū)分，課后重在鞏固原理或公式的應(yīng)用（案例分析、計算或思考），課前重在對知識點的復(fù)習(xí)（名詞解釋或簡答），而且要注意分開課后和課前作業(yè)布置的時間點。需要指出的是，學(xué)生參與的所有過程都要列入最終成績考核。

(4)優(yōu)化考核評價機制

考核評價機制是評價教學(xué)效果較為直觀的參考指標，同時也為教學(xué)模式的改革提供動力，因此在一定程度上要根據(jù)教學(xué)模式的改革而改進。往常分離工程課程的考核一般采用平時表現(xiàn)（30%）和期末考試卷面成績（70%），平時表現(xiàn)又分為出勤率（10%）和課后作業(yè)（20%），這種考核方式具備較為明顯的“輕過程，重成績”弊端[9]。而分離工程又是一門實踐性較強的學(xué)科，高分的卷面成績并不代表具備了較強的工程思維和解決實際工程問題的能力。因此，結(jié)合上文提出的教學(xué)改革舉措，考核評價機制應(yīng)調(diào)整為20%課堂表現(xiàn)（出勤和師生互動）+15%課后和課前作業(yè)+15%具體工程案例分析+50%期末考試成績。這種考核評價機制的改進強化了分離工程的學(xué)習(xí)過程，弱化了期末考試成績的“一刀切”，在一定程度上避免了學(xué)生“平時不學(xué)，考前突擊”的狀況，并有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和能力。

3.結(jié)語

根據(jù)工程教育認證標準和培養(yǎng)要求，針對分離工程教學(xué)面臨的現(xiàn)狀及問題，本文通過優(yōu)化教學(xué)方案和授課內(nèi)容、強化案例式教學(xué)、加強和引導(dǎo)學(xué)生參與以及優(yōu)化考核評價機制等舉措對分離工程的教學(xué)進行一系列深入的探索和改革，使該課程的教學(xué)更加適應(yīng)當代應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要。通過本文對分離工程教學(xué)改革的探究，希望能為相關(guān)院校的工程教育認證及提高工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量提供參考。