化工专业设计类课程群的教学改革与实践*

宋应华， 陈盛明， 李 宁， 许 惠， 丁社光， 叶 梅， 文 莉

(重庆工商大学 环境与生物工程学院，重庆 400067)

随着科学技术的飞速发展，生产装置在不断进步，学科内容在持续更新，化工行业需要更多的具有良好工程意识和较强工程能力的高等工程技术人才，如何提高设计类课程的教学效果，加强工程意识和工程能力的培养，依然是新时期化工专业深化教学改革的重点和关键所在。近年来，高校工科教育注重培养学生的综合素质，外语能力和计算机能力提高了，同时增加了人文社科类课程的比重，但学生工程能力的培养却被进一步削弱，学生下厂实习实践的次数和时间被进一步削减，工程设计的训练得不到保证，毕业环节全搞科研。作为重庆市特色专业，学校化工专业对于如何提高学生的工程能力，做了大胆的探索和有益的尝试，也取得了一定的效果[1，2]，通过对设计类课程群的整合和优化，强化课程联系，丰富教学模式，变革考核方式，在培养具有较强工程能力的化工人才方面取得了一定的成效。

1 存在的问题

目前国内高校化工专业所开设的设计类理论和实践课程不尽相同，除了开设化工原理(含课程设计)以外，还设置其他设计类课程，我校化工专业开设的设计类课程群主要包括八门理论课程(化工原理、化工设备、反应工程、分离工程、化学工艺、计算机软件在化工中的应用、化工设计、化工过程分析与合成)和4门实践课程(化工设备课程设计、化工原理课程设计、反应工程课程设计和化工设计与CAD课程设计)。

这些课程互相独立又相辅相成，学完这些课程后，学生应掌握化工过程设计的计算原理、设计规范以及相应的设计软件，具备化学工程专业人才所必备的工程素质。

目前，这些课程本身在教学内容、教学模式和考核方式等方面进行了很多改革，例如，重庆市精品课程化工原理除了引进东方仿真、进行计算机辅助教学外，还录制了教学视频供学生课外自学，并被评为重庆市精品资源共享课程，该教学团队也被评为重庆市市级教学团队；又比如，将原有课程化工设计与CAD拆成了化工设计和计算机软件在化工中的应用这两门课程，在化工设计中重点讲解化工过程设计中所涉及的规范和方法，而在计算机软件在化工中的应用中，除了讲解AutoCAD外，还介绍其他新技术、新软件，有效减少学生设计过程中的计算工作量、增加了课程信息量。

但是，认为现行设计类课程群在教学实施过程中仍存在诸多问题。首先，课程之间缺乏联系，重复授课现象严重。在理论课教学过程中，由于课程本身具有一定的独立性和完整性，任课教师之间缺乏必要的交流和沟通，不同课程讨论相同的问题，采用的方法或经验公式相同或不同，一方面导致授课内容的重复，使得本来紧张的课时更难以满足课程教学要求，更没有时间引入学科前沿信息，另一方面，由于学生专业认知能力的限制，不能发现课程之间的区别和联系，导致课程内容相互混淆，或使得本应前后呼应的教学安排被完全割裂。

其次，授课教师明显“非工化、非师化”，理论教学和工厂实践脱节[3]。授课教师为工科硕士、博士研究生，大多从学校到学校，缺乏工厂实践经验，不熟悉教育学理论，在授课过程中更多关注本课程的知识点，不能进行扩展和引申，和实践的联系不够紧密，导致教学效果差强人意。加之设计类课程中各类规定、规范和准则较多，如果教师本身没有设计经验，不引入实际设计案例，内容将很枯燥，很难达到预期的教学效果。

再次，考核方式单一，抄袭现象严重，达不到训练目的。一直以来，本专业设计类课程实践环节的教学都是集中和分散相结合，学生每人一题，教师布置设计任务后，由学生自行查阅资料，完成设计说明书的编写和图纸的绘制，教师根据学生提交的说明书和图纸评定成绩。由于指导教师有限，虽然名义上是每生一题，但是题目雷同，导致学生缺乏主观能动性和创新性，甚至部分学生坐享其成，只是在其他同学基础上改改数据，图纸照抄，唯一不同的地方仅在于尺寸标注，交上来的作品往往千人一面，学生之间相互抄袭的现象严重，不能客观地评价学生学习效果，达不到设计训练的目的。另外，部分考研学生盲目考研，为了考研而考研，只重视考研科目的学习而放弃了很多专业方向课的学习，而大多设计类课程均为专业方向课，这部分学生即使考上研究生，工程能力也很欠缺，而那些考不上的学生损失更大，专业课没学好，缺乏专业技能，不具备应有的工程能力，缺乏就业竞争力。

针对上述一系列问题，希望能够对化工专业设计类课程群进行改革，将这些课程有机地串起来，优化整合教学内容，丰富教学模式，拓展考核手段，使设计类课程群能真正达到培养学生工程意识、训练学生工程能力的目的，全面提高设计类课程的质量，以更好地培养应用型工程技术人才。

2 改革与探索

2.1 整合教学内容

2.1.1 梳理课程内容，减少重复授课

通过不同课程关联内容的梳理，减少课程之间不必要的重复，有效地提高教学效率。无论是设计类理论课或设计类实践课之间，都存在一些重复的内容，如何将这些课程有机地结合起来，充分地利用好有限的教学学时，真正起到锻炼学生工程设计能力的目的，这就需要授课教师之间进行良好的交流和沟通。

例如芬斯克方程的推导，在化工原理课程中有详细的介绍，那么，在化工分离以及化工原理课程设计等教学环节中，就没有必要再进行赘述，只需引入即可；又如，化工设计课程中关于安全防火与环境保护等相关章节，可在化工安全课程中予以讲授，而关于工程概算等部分内容，则又可放在化工技术经济课程中进行讲解，这样即可减少化工设计课程中的重复内容，保证学生在少学时情形下有足够的知识接收，提高课程教学质量。

2.1.2 加强课程衔接，提升全局观念

由于专业课学时的进一步压缩，相对独立的单一课程的教学，使得学生对化工过程设计整个过程缺乏系统的、整体的认识，在对毕业生的调查反馈中发现，很多学生提出，应当在设计类课程的教学中体现系统性和全局性。通过加强不同课程内容之间的衔接，让学生清楚课程之间的相互联系，让教学安排前后呼应，让学生对化工过程设计整个过程有系统的、整体的认知，提升学生的全局观念。

设计类课程往往是相互关联的，有些教学环节具有承前启后的作用，例如生产实习是专业大多数课程完成之后、化工设计和化工过程分析与合成课程开设之前的一次承前启后的重要实践教学环节，在这一过程中，实习指导教师要有意识地针对前修课程进行复习和加强，对后续课程教学内容进行启发和引导，让学生学会思考。例如，在合成氨厂变换工段中，提出“热水泵为何一开一备？管道连接方式和化工原理实验中管道连接方式有何不同？”等问题，强化化工原理课程内容；在脱碳工段中，提出“除了实习厂家所采用的脱碳工艺外，还可以有哪些工艺用来脱碳？分别基于什么原理？各有什么优缺点?”等问题，复习化工原理、化学工艺部分教学内容，同时对化工设计课程内容进行引导；针对整个合成氨流程，提出“为什么要这样设置换热单元？设置过程中有什么限制？”等问题，引入化工过程分析与合成中换热网络的合成等概念，使学生思考问题的方式得到进一步锻炼，在夯实前修课程的同时，也为后续课程的教学打下基础，为学生形成一个整体的概念。

为了加强设计类课程之间的衔接，浙江工业大学尝试采用项目式教学模式进行教学[4]，即在课程开始阶段以某个工程项目为例，将设计类课程中的内容贯穿其中，在讲授的过程中做到有的放矢，学生在听课的过程中，采用讨论和课堂教授相结合的方式，学生在课前要对相关领域的知识有充足的准备，针对项目的工艺路线可以设计出多条生产工艺，通过课堂讨论，发挥学生学习的积极性和主动性，使学生能从中受益，锻炼学生的综合分析和判断能力。

2.2 丰富教学模式

2.2.1 “先示例、后解析”，增强学习兴趣

为了提高化工设计类课程的教学效果，在课堂教学中有必要引入一些工程设计的实例进行讲解[5，6]。传统的教学方法是先讲理论知识，讲完后再讲例题，这样学生可以将先前所学的知识应用到例题中，缺点是学生的思维被禁锢在该章节中，难以发挥学生的主观能动性，难以锻炼学生综合分析问题的能力；同时在理论知识的讲解过程中，学生不知道学来有什么用，缺乏学习的积极性。在讲解化工过程分析与合成课程非线性优化时，给出了一个反应器的优化实例，该例可以有多种求解方式，可以利用课程非线性优化方法求解，也可利用反应工程知识求解，还可利用初中学过的数学方法进行求解，而其中又以该课程中所学的方法最繁复，以初中学过的方法最简单，结果学生给出的答案无一例外的全部采用课堂上讲授的方法进行解答。

目前，在欧美一些高校的教学中，通常采用另一种实例讲解方式：在章节开头即引出实例，例子几乎涵盖了这一章的主要内容，然后从这个例题出发逐步引出一些基本的概念、理论，即所谓的“先示例、后解析”的教学方式，这种方式有明显的易学易懂、便于应用的特点，而且能够提高学生的主观能动性。在讲解化工过程分析与合成课程稳态过程模拟章节时，先引入学生比较熟悉的暑假生产实习过程中所接触的合成氨过程的工艺流程图，要求对这个过程进行模拟，求出所有过程变量。对于这样一个实例，可以先进行实例的解答，将之逐渐分解为每一个步骤，逐步引出相关的知识点，这样学生从实例中得到启发，对所引出的一些专业术语或相关知识点的理解就比较透彻。

2.2.2 设计项目教学，串联零散知识

在课程设计实践教学环节中，化工原理课程设计通常要求学生进行换热器、精馏塔或吸收塔等单元操作设备的设计，包括工艺计算、设备尺寸计算、设备材料选择以及手工绘图等，反应工程课程设计则进行工业规模反应装置的设计，包括反应器选型、设备尺寸计算、设备材料选择及手工绘图等，而化工设备课程设计通常也是以单元操作设备或反应装置为对象，计算设备尺寸，进行强度校核、结构设计及手工绘图，几门实践课程虽然各有侧重，但仍然有很多雷同内容；而且，每门课程学生所承担的项目是相互独立的，没能将某个化工过程的整个设计过程串起来，而在“重论文、轻设计”的毕业环节中也得不到相关锻炼，学生的知识较为零散，缺乏全局观念；同时，理论和实践存在脱节，学生在完成课程设计项目过程中，只能根据查到的资料数据进行，而没有直观认识。

为此，参照“三井杯”全国化工设计大赛的模式，设计了项目教学，将分别为期1周的化工设备、反应工程和化工CAD课程设计整合为5周的化工大设计，时间安排在第7学期，即在生产实习完成后进行。在组织形式上采取项目组的方式，实现学习过程的分工协作，培养学生的团队合作精神；将全专业学生按照生产实习分组情况，分成若干个项目组，以各自实习工段为原型设计项目组所承担的项目，学生以项目组为单位完成设计任务，从而实现课堂理论和工厂实践的结合；设计任务具体包括市场调研、经济评价、流程设计、物料衡算、热量衡算、典型设备设计及绘制、非工艺项目处理、平/立面布置、设计说明书编制及施工图绘制等环节，从而将设计类课程中所有知识点串起来，让学生形成对整个化工过程设计的系统认识。由于设计过程采用小组合作，学生有了更大的思考空间，设计作品也更体现出学生的创新意识和集体智慧，有的项目组甚至能够在实习工艺路线的基础上进行改进和优化，形成新的工艺路线。为了避免项目教学流于形式并保证教学效果，指导小组教师轮班答疑，并仔细检查学生完成的作品，要求学生进行成果汇报，接受答辩。整个训练过程可以帮助学生构建完整的、系统的设计过程认知，为后续学习和工作打下基础。

2.2.3 引进设计软件，简化设计过程

随着计算机技术的不断发展，化工设计过程中引入计算机工具已成为大势所趋，计算、绘图、编写设计文件、展示设计方案等，任何一项设计工作都离不开计算机。而专业课学时的压缩，也要求引入计算机技术，学生才能在有限的时间内，完成高质量的设计作品。面对这样的形势，专门开设了理论课程——计算机软件在化工中的应用，介绍流程模拟设计软件Aspen Plus及ChemCAD，进行工艺过程能量、物料衡算，预测物料的流量、组成与性质，绘制相应的流程图；介绍绘图软件AutoCAD，进行流程图、设备装配图、车间布置图的绘制。由于设计软件的引入，大大减少了学生繁杂的手工计算工作量，从而提高了学生的设计兴趣，教学效果明显改善。

当然，在利用好各种软件、达到我们设计目的的同时，也不能过分依赖软件的存在。对于化工设计过程中所涉及到的核心知识点，还是有必要进行手工计算的。比如，精馏塔的逐板计算，在EXCEL里面即可简单完成，如果利用流程设计软件则达不到巩固知识的效果，故化工原理课程设计仍然单独开出。

2.2.4 外聘专家讲座，提高教学效果

目前我校化工专业从事教学的教师年龄呈现两头大的趋势，除了少数年龄为50岁左右的老教师，大部分教师30岁左右。老教师工作经验丰富，课程体系、理论知识比较熟悉，但是普遍计算机应用能力相对较差，学习和接受新事物能力不强，目前化工设计有相当大比例的工作需要依赖于计算机技术，需要教师具有较强的计算机运用能力。而年轻教师虽然总体学历很高，不乏名校毕业的博士生，计算机应用能力较好，但“非师化、非工化”现象严重，大多是从学校到学校，相对擅长发文章，工程经验匮乏，在授课中和实践的联系不紧密，教学效果差强人意。当然，由于目前学校引进人才政策的限制，一方面，具有实际化工生产技术经验的工程技术人员很难进入学校专业教师队伍，另一方面，由于学科限制，高校化工专业博士又很难有高水平科研论文产出，因而目前学校很难再新进化工专门人才，设计类课程指导教师队伍成了老大难问题。

面对如此局面，一方面将高学历青年教师“送培”，送出去参加石油和化学工业协会举办的各类与工程设计相关的培训，送出去协助老教师和工厂技术人员指导生产实习，获得化工生产过程的感性认识，从而提高化工设计类课程的教学效果；另一方面，学院聘请有工程背景、设计经验的设计院/企业老总、总工到学校为学生举办讲座，介绍化工产品的研发方法、传授化工过程的设计经验、介绍最新的企业管理经验、讲解最新的化工行业需求，使学生感受专业前沿知识，拓宽学生专业知识面，增强学习兴趣，提高教学效果。

2.3 拓展考核方式

作为最终的教学检验，采用何种考核形式对学生具有重要的影响，在某种程度上也能指导他们的学习方式，同时如果教师能利用好考核手段，也可以达到相应的教学目的。

对于理论课程，传统的考核方式是考试，一张试卷定终身，通过期末考试成绩评判学生的学习效果，但是化工设计类课程通常具有很强的实践性，如果单单通过考试的方式往往难以对学生成绩做出公平公正的判断，因此灵活的考核方式能很大程度上提高学生的主观能动性。除了仍然采用考试对基本概念、基础理论的知识点进行考核、使学生对全课程有一个全面掌握以外，还设置学生课堂报告的环节，于课程中某部分知识进行延伸，给出项目题目，让学生自由组合，以小组形式准备好相关内容PPT，并在课堂上进行讲解，授课教师提问，根据讲解和回答问题情况，给出分数，并计入平时成绩。对于实践类设计课程，为了有效预防学生在设计过程中的抄袭和拷贝现象，在新整合的化工大设计课程中，采用小组答辩的形式，让学生对小组所设计的项目做出相应的汇报和解释，要求每个学生负责其中的一部分内容，教师和其他小组的同学提出相应的问题，教师根据小组提交的项目资料和汇报、答辩情况，给定分数。通过考核方式的拓展，充分调动了学生的主观能动性，有效防止了抄袭现象，从而对学生的学习效果进行较为公正地评价。

3 结 语

设计类课程作为化工专业培养目标中的一个重要环节，其实践性较强，教学效果的好坏将直接影响到学生工程意识与工程能力的培养，随着我国以教学为核心的高校办学理念的回归，随着国家对工程教育的日益重视，应当坚持设计类课程的定位不动摇，坚持进行教学改革和探索，通过对课程内容的梳理和整合，减少重复授课，同时加强课程衔接，提升学生的全局观念；通过“先示例、后解析”、项目式教学等多种教学模式，使学生具有完整的、系统化的化工过程设计知识；通过引进流程设计软件和绘图软件，掌握现代设计工具和手段，简化设计过程；通过外聘具有工程背景和设计经验的专家到校授课，增强学生的学习兴趣，提高教学效果；积极开展、参加一些化工设计竞赛，强化知识应用能力和实践创新能力，提高学生的学习积极性；通过拓展考核方式，调动学生的主观能动性，真正评价教学效果，真正将学生培养成具有现代工程意识和能力、具有创新意识、并掌握现代工程设计软件的新时代工程技术人才。

值得一提的是，随着本专业设计类课程群的教学改革逐步开展，近3年来，我校学生在重庆市“化医杯”化工设计竞赛中总计取得了一等奖2项、二等奖4项、三等奖1项，在全国“三井化学”大学生化工设计竞赛中取得西南赛区特等奖1项，一等奖1项，2等奖3项；全国二等奖3项、三等奖3项，团队合作奖1项，这在一定程度上为我校化工专业设计类课程群教学改革的深入实施注入了更多信心与动力。

参考文献：

[1] 陈盛明，郑旭煦，宋应华.在化工专业新生中开设工程导论课程的探索与实践[J].广州化工，2011，39(9)：118-121

[2] 宋应华，陈盛明，李宁.化工专业生产实习现状及教学改革探索[J].广州化工，2012，40(6)：191-193

[3] 张亚涛，张文辉，陈卫航.化工类专业化工设计教学的改革与实践[J].化工高等教育，2010，27(5)：50-52

[4] 祝玲钰，许轶，姚克俭.化工设计课程群的项目式教学改革探讨[J].化工高等教育，2012，29(2)：37-40

[5] 刘赫扬，成忠，王士财.基于课程群建设的化工过程设计课程教学改革[J].浙江科技学院学报，2012，24(6)：500-504

[6] 刘辉，叶红齐.化工设计类课程教学改革的几点措施[J].高教论坛，2008(3)：62-64