新工科背景下化工原理课程设计教学改革

胡榕华 陈玉凤 宾月景

(梧州学院 化学工程与资源再利用学院，广西 梧州 543000)

当前我国正处在加快转变经济发展方式、推动产业转型升级的关键时期，为进一步提升高等工程教育在新科技革命、新产业革命、新经济背景下的服务支撑能力，教育部自2017年以来积极推动高校新工科教育。新工科的内涵可以概括为[1]：“以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才。”

化工类专业虽然是一个传统的工科专业，但该专业也是与高新科技最密切相关的工科专业之一。新经济形势下化学工业转型，实现化学工业集约发展、清洁发展、低碳发展、安全发展和可持续发展，迫切需要大批高素质的应用型、复合型新工科化工人才[2]。化工原理课程设计是化学工程与工艺、林产化工、制药工程、资源循环科学与工程等化工类专业一门重要的专业核心实践课程，是化工原理理论学习后的实践课程，是综合运用化工原理和有关先修课程知识完成化工单元操作设计的实训课程[3]。通过课程设计，学生可以熟悉化工单元操作的基本原理，掌握典型化工单元操作的工艺设计计算。对学生进行设计技能的基本训练，培养学生综合运用所学的理论知识解决工程实际问题的能力，为后续的化工设备课程设计、化工设计课程设计、毕业设计等后续相关实践环节打下基础[4]。作为化工类专业一门重要的实践课程，化工原理课程设计的课程建设对新经济形势下高素质应用型、复合型新工科化工人才培养的重要性不言而喻。对化工原理课程设计进行教学改革，提高课程教学质量，增强学生的工程应用能力，是我校主动适应新经济发展和新工科建设背景下化工类专业应用型人才培养的必由之路。

1 化工原理课程设计传统教学过程存在的问题

我校的化工原理课程设计从2011年开设，目前已面向林产化工、制药工程、资源循环科学与工程等本科生开展了该门课程的实践教学工作。

化工原理课程设计在传统教学中主要存在以下问题：第一，化工原理理论课学时数较少，学生的理论基础知识相对较薄弱。学生虽然进行了系统的理论学习，但对单元操作的基本原理、工艺设计计算、设备结构知识掌握不够；第二，学生的工程观念比较欠缺，科学观不足，虽然在企业进行了课程实习，但对工程内容了解仍然较少，对工程项目设计知识的掌握还比较肤浅，创新意识不够；第三，设计时间紧，任务重，学生查阅设计手册的能力还不强，个别学生的学习积极性不高，作品完成质量不高；第四，青年教师缺乏化工设计经验和工厂实践经验，对学生最终设计结果的可靠性和适用性难以做出正确判断；第五，设计选题面窄，一般以换热器或塔设备的工艺设计为题，验证性设计题目多，与学生所实习的周边化工企业现状关联较少，难以培养学生的综合运用能力；第六，课程设计学时有限，教师指导学生人数过多，教师主要在课堂上讲解一些单元操作的课本知识和课程设计要求，后续没有更多的时间集中指导，难以对所有的学生进行有针对性的设计指导；第七，课程设计的考核简单，多以设计说明书和图纸作为评断依据，没有完全真实反映学生的设计能力，不能很好地培养学生的批判性思维和沟通交流能力。

2 教学改革的措施

针对目前化工原理课程设计传统教学中所存在的问题，结合新工科背景下社会对化工类应用型人才的要求，以“实际应用，提升能力”为原则，我们对课程设计的教学目标、选题内容、教学方式、考核方式、教学平台、教学团队等方面进行教学改革。

2.1 教学目标的改革

我校是二本高校，学生的层次参差不齐，在化工原理课程设计教学中应根据学生自身素质、学习能力和未来的就业方向，确定分层次的教学目标。对于专业基础较差、自我学习能力不强的学生，其教学目标是培养学生的独立思考能力和基本的工程设计能力，掌握换热器、离心泵、吸收塔的选型设计计算，学会编制设计说明书，并绘制规范的工艺流程图；而对于那些专业基础好、工程素质高以及日后可能从事化工生产、管理和开发设计工作的学生，其教学目标是熟练进行某一化工生产过程的流体输送、过滤、传热、吸收等单元操作的综合工艺计算和设备选型，鼓励其采用现代设计软件如CUP-TOWER、Aspen Plus进行设计，增强其学习的主动性，进一步树立工程意识和安全、节能、环保、创新的理念，培养学生综合运用所学的理论知识解决工程实际问题的能力。

2.2 选题内容的改革

化工原理课程设计是化工及相近专业学生在大学学习阶段的第一门设计课程，学生没有设计经验。因此在开始进行课程设计时，应结合学生在化工原理课程所学习的单元操作理论基础知识，选定与生产实际贴近的设计题目，并把控好设计的难度。根据多年的化工原理教学经验，结合当前新冠疫情的防疫形势，我们将化工原理课程设计的设计题目确定为“某化工产品的换热器、离心泵、过滤机、吸收塔、风机选型计算”。该选题来自化工厂三氯异氰尿酸项目的生产实际(该产品是高效广谱消毒剂，可用于新型冠状病毒的消杀)，选题涉及该项目的氯化工序和过滤工序，设计内容包括多种单元操作在生产线的实际应用，难度适中，符合大部分学生实际掌握的理论知识水平和能力，在老师的指导下学生经过努力能顺利完成设计任务。与国内部分高校的化工原理课程设计只进行某一单元操作的单项设计相比，本课程设计选题是运用化工原理各单元知识对一个产品的多个单元操作进行综合设计，内容更全面，知识更与当前防疫抗疫实际紧密联系，达到将各单元操作知识进行综合运用训练和解决实际问题的目的，学生进行课程设计的热情和积极性更高。

2.3 教学方式的改革

2.3.1 合理安排课程设计的时间

我校化工原理课程开设在第3、4学期。第3学期，教学内容包括流体流动、流体输送机械、沉降与过滤、传热；第4学期，教学内容包括吸收、蒸馏和干燥。根据学生学习的实际情况，化工原理课程设计开设在第4学期，课时数17学时。为了提高课程设计的质量，本课程安排在第6～9周，每周4～5节课。化工原理课程设计的教学进度安排如下：第6周，换热器的设计，5学时；第7周，换热器设计辅导，4学时；第8周，离心泵扬程计算及选型、管道阻力计算、转鼓真空过滤机计算及选型，4学时；第9周，吸收塔的设计计算及风机的选型，4学时。

2.3.2 采用线上线下混合式教学指导方式

根据高校教学的特点和原则，并考虑到学生基础知识的差异和课程教学内容的安排，总体上，化工原理课程设计的教学采用线上线下混合式的教学方式。通过线下引导和线上学习相结合的方式，落实以学生为中心，以教师为主导的教育理念。课前，要求学生线上自学，观看雨课堂平台上发布的课程设计任务书的讲解视频，并做完课前预习题；引导学生到中国大学慕课以及一些知名化工专业论坛查找更丰富的课程设计学习资源。这样，教师可以在课堂中有更多的时间指导学生，从而有利于加快课程设计的进度，同时更好地培养学生学习的主动性。课间，采用在教室集中授课的方式，教师讲解课程设计内容的难点、各单元知识的架构及其相互联系，集中指导学生设计。检查学生设计进度，解答学生课程设计中遇到的问题。在课堂教学中，注重启发性引导，采用讲授、提问、讨论、演示和翻转课堂等多种教学方法，给学生一定的自由空间，自主完成相关专业知识查阅。激励学生对所学内容进行知识梳理、加工和思考，认识重要概念之间的相互联系。鼓励学生发表自己的观点，针对所学内容进行批判性思考，并运用于实践活动。课后，要求学生自行查阅设计手册，继续完成设计工作；设计中期要求学生在雨课堂平台上传设计初稿检查设计情况，对发现的问题逐一解决。通过采取线上线下的混合式教学，有效地提高了课程设计的质量。

2.3.3 开展课程的思政教育

课程都有育人功能。开展课程的思政教育，把做人做事的基本道理，把社会主义核心价值观的要求，把实现民族复兴的理想和责任融入到课程教学中，从而贯彻落实高校新工科建设立德树人的根本任务[5]。在上课时，教师把消毒产品质量对国家防疫的重要性、产品在生产过程中的安全性、三废污染的危害性进行强调，让学生明白设计是一项严肃的工作。有个别学生认为，上课可以不到机房教室，可以随便迟到和早退，从而使设计进度缓慢，以致出现错误不能及时纠正。因此，我们结合课程的设计要求以及企业的岗位职责，对学生进行爱岗敬业的职业道德教育，加强培养学生良好的学习习惯、认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风。同时，我们定期检查设计进度和设计质量。在进行课程设计最终成绩考核时，这部分的平时成绩占到30%的比例，更好地调动了学生的积极性和主动性。

2.3.4 加强工程设计软件在课程设计中的应用

随着计算机技术的发展，工程软件在现代化工设计中使用广泛。鼓励学生在课程设计中使用Excel、AutoCAD、CUP-TOWER等软件，这样学生在少课时情况下能达到较好的设计效果，提高课程设计的效率和质量[6-7]。例如，可以采用具有强大数据分析和处理能力的Excel软件，减少学生在换热器、吸收塔等设计时因取值不合适而进行重复计算的工作量；运用AutoCAD绘制规范、美观的工艺流程图，既能强化学生的计算机应用能力，又能提高学生的绘图能力和工程意识；对于个别学习能力强的学生，增加塔附件阻力的计算，并应用CUP-TOWER软件对塔设备进行水力学校核，更好地激发学生的学习兴趣。鼓励特别优秀的学生，自学化工设计常用的大型通用流程模拟软件Aspen Plus，将其应用到换热器、塔设备的设计中，激发学生学习现代设计软件的热情，为参加全国大学生化工设计竞赛及毕业设计打下基础。

2.4 考核方式的改革

化工原理课程设计采用过程考核办法。总评成绩由平时成绩、设计作品及答辩3项内容构成，贯穿整个教学过程，总评满分100，高于等于60为及格，低于60为不及格。不设期末考试，不设补考，总评成绩不及格，直接列为重修科目。我们对每一部分考核内容规定了细化的评分标准：

2.4.1 平时成绩(30分)

主要检查学生平时的积极性和自主性，包括学生线上学习任务的完成10分，学生学习态度端正、遵守纪律10分，问题的提出和解决的方法10分。

2.4.2 设计说明书和工艺流程图(50分)

主要检查学生的设计作品。包括说明书格式、工艺设计计算和制图三部分内容。

说明书格式(10分)：符合课程设计说明书的基本要求，语句通顺、格式规范、图表美观、计算数据正确、单位完整正确。

工艺设计计算(30分)：根据规定任务和选定方案进行物料衡算、热量衡算、主要设备工艺计算及选型等，其中换热器计算10分，三钠盐离心泵、乙二醇离心泵、转鼓真空过滤机计算10分，吸收塔计算10分。

制图(10分)：工艺流程图绘制正确，设备图形、管道线条、箭头大小及方向、文字大小等符合规定要求，图纸完整、布局美观。

2.4.3 答辩(20分)

检查学生设计的独立性和工作态度，要求学生通过PPT进行设计作品汇报与答辩。教师对设计作品进行提问和点评。答辩主要考察学生对所学设计知识的实际掌握程度，认识设计作品的错误及不足所在，从而获得正确的设计方法，设计水平得到更好提升。这部分内容包括学生汇报10分和回答问题10分。

2.5 教学平台的改革

为丰富教学内容和手段，促进教学资源共享和师生互动，增加学生的学习兴趣，方便学生在线测试和讨论，以及使教师及时掌握学生的学习情况，达到提高教学水平和教学质量的目的，本课程在雨课堂平台上建设了线上教学资源。目前，雨课堂的线上教学资源包括10个课程教学视频，每个视频5～10分钟，涵盖了课程设计任务书的解读、管道阻力计算、换热器设计、离心泵扬程计算及选型、转鼓真空过滤机计算及选型、吸收塔塔径及填料高度计算等课程设计内容。另外，我们还将针对化工原理课程设计所涉及的单元操作的知识点设置100道练习题，用于学生自测，以便学生温故知新。为了满足学生自主学习需求，我们将在学堂在线平台或校内平台上建设化工原理课程设计的线上课程，为线上线下混合式一流本科课程建设做好积累和改进。

2.6 教学团队的改革

化工原理课程设计水平与指导教师直接相关，教师的实践教学能力是提高课程设计环节教学质量的关键。大部分年轻教师基本都是从高校毕业就到学校从事本科教育，没有企业工作背景，工程实践经验不足，对工艺流程、设备结构、车间布置和管道布置等不熟悉。因此，年轻教师可以到企业进行挂职锻炼，参加实习实践基地建设及校企项目合作，解决实际工程问题和企业关心的实际问题。另外，我们可以从企业中选派具有工程设计经验的工程师或优秀校友作为兼职教师，共同开展课程设计，不断提升教师队伍的指导水平。

3 结语

针对化工原理课程设计的教学现状，以“实际应用，提升能力”为原则，我们进行新工科背景下化工原理课程设计实践课程的教学改革。课程设计选题来源于工程实际，教学中实施分层次的教学目标，开展专业课程思政教育，采用线上线下混合式教学，建立“平时成绩+设计作品+答辩”的过程性考核方式。通过以上的教学改革，更好地提升了学生的设计水平，提高了学生的工程实践能力和创新能力，进一步满足社会对应用型人才的需求。