化工原理教学、实践及竞赛三位一体课程体系初探

许 晶 栾敏杰 孙佰贺 乔春玉 刘丽丽 朱传勇

(黑龙江工程学院 材料与化工学院，黑龙江 哈尔滨 150008)

化工原理课程是化工及相近专业的专业基础课，通过课程学习，培养学生掌握化工主要单元操作的基本原理，具有比较、选用和计算化工过程及设备的基本能力；培养学生严谨的科学态度及分析问题、解决问题的能力，为进一步学习专业课程及从事工程实践奠定必要的理论基础[1]。在培养应用型人才解决复杂化学工程实践能力的过程中存在着从理论知识到工程运用之间的壁垒，而化工原理课程设计就是攻克它的利器。化工原理课程设计是综合化工原理、化工设备、化工制图、化工仪表及自动化、计算机应用、文献检索等专业基础课进行的设计实践环节，是综合运用化工原理理论分析和设计化工生产中各种物理过程的实践性课程[2]，是化工及化学类专业综合应用型人才的重要知识储备。

全国大学生化工设计竞赛由中国化工教育协会、中国化工学会、教育部高等学校化工类专业教学指导委员会主办的面向全国高等院校学生的专业竞赛，也是国内化工类级别最高、规模最大、参赛队伍最多、影响最大的比赛[3]。这个比赛以当下科技和生产为背景，多方面培养大学生的创新思维和工程技能，培养团队协作精神，增强大学生的工程设计与实践能力。

应用型本科人才培养的能力内涵十分丰富，包括分析解决问题的能力、信息获取能力、团队合作能力、创新创业能力等，各种能力的发展也并非单一培养途径能够实现的，而教学、实践和竞赛培养的能力既有交集又互为补充。本文以黑龙江工程学院材料化学专业为例，结合非化工专业的特点，以竞赛为依托，对化工原理理论课程及化工原理课程设计实践课程进行一体化、综合化教学改革，对构建教学、实践和竞赛三位一体的协调课程体系进行了初级探索。

1 化工原理课程体系教学中普遍存在的问题

化工原理及化工原理课程设计具有实践性强、涉及知识面广、设计规范繁多、化工过程复杂等特点，对于非化工专业的学生，不仅缺少化工设备、化工制图等相关专业课程的学习与训练，真正动手做计算、做设计时更是一头雾水。目前很多应用型本科院校尤其是非化工专业在化工原理课程体系教学中或多或少存在一些共性问题。

1.1 题目陈旧、设计过程固化

化工原理课程设计是一门已经开设多年的经典实践类课程，很多院校存在着设计题目多年沿用，设计内容与工程实际脱节，设计过程固化，学生在设计过程中只要按照往届的模式套用新数据计算即能基本完成，学生缺乏学习兴趣与动力，设计质量难以达到应用型人才培养的需求。

1.2 理论与实践脱节

化工原理课程设计是一门综合实践性课程，要求学生能够将物理化学、数学等工科基础知识与化工原理等专业基础知识融会贯通并综合运用。仅仅通过少学时化工原理课程的理论教学很难让非化工专业学生理解与掌握化工设计基本知识，学生又缺乏在工厂身临其境的直观、感性认识，无法有效培养其对化工基础知识的综合运用能力及工程实践能力。而很多非化工专业的学生往往就业岗位又或多或少与化学工程联系紧密，需要学生具备解决复杂化学工程的能力，以我校非化工专业的材料化学专业为例，每年均有接近20%比例的学生的就业岗位是与化学工程密切相关，因而提升化工原理及课程设计的教学质量对于应用型人才培养具有重要意义。

1.3 软件教学缺失

化工设计过程中会用到很多专业软件如Auto-CAD工程制图软件、Aspen Plus流程模拟软件等，但很多院校计算机辅助课程开设不够或学时有限，学生软件应用能力无法支撑化工设计的实际需要。

1.4 考核方式固化

化工原理及化工设计课程具有很强的实践性，根据学科特点，很多院校已经在做考核方式多元化的尝试与改进，比如平时成绩的细化，总评成绩的多元化构成等。但单单从考试及分数上的评价与激励，很难真正调动学生学习的主观能动性，很难高效激发学生学习的欲望与能效性。

2 教学、实践和竞赛三位一体的协调课程体系

传统的“灌输式”教学能高效的传递固有知识，缩短新信息的记忆时间，在陈述性知识的传递方面可以起到积极作用[4]。但缺点在于学生处于被动接受状态，缺乏自主性，不利于自学能力和创新能力的培养，易使学生产生依赖性，不利于学生终身学习能力的培养，而学科竞赛的出现为“灌输式”教学提供了有效的补充和改进。以全国大学生化工设计竞赛为切入点，把应知知识的学习和应会技能的训练都结合到实施设计项目的具体过程中，学生在教师引导下的自主学习成为主要学习手段，促进学生的自学能力、独立工作能力和团队协作能力的共同发展，贯彻应用型人才培养的教学理念。

2.1 以竞赛题目指引课程设计题目

全国大学生化工设计竞赛聚焦化工行业、企业需求和未来发展，在重视专业知识及多学科知识的基础上，更强调化工人才培养的责任意识和非技术性指标的要求[5]。每年化工设计竞赛的题目都围绕着我国化工行业发展进程中的重大需求设定，要求参赛者综合运用所学的化学工程专业知识和先进技术，探讨适合我国国情的解决方案。以2020年的竞赛题目为例，为某大型化工企业设计一座分厂，以碳五烷烃为原料制备非燃料用途的化工产品。相对该领域的现有生产技术，要求技术提升达到《中国制造2025》中提出的绿色发展2025年指标。近年来中国炼化一体化和煤(甲醇)制烯烃技术快速发展，乙烯产能持续扩大，生产过程中产生的碳五馏分随之迅猛增长，已经成为乙烯工业不可忽视的伴生资源。利用碳五馏分中不同组分生产精细化、多元化、高端化的化工产品，开拓产品应用领域，实现碳五资源的高值综合利用是提高乙烯工业核心竞争力的重要途径。与此同时，中国大力推广发展清洁能源汽车，车用燃料油需求增量将大幅减少，使得碳五烷烃资源的能源化利用途径趋向收缩。在上述背景下，如何有效利用数量可观的碳五烷烃资源生产既有使用价值又有市场需求量的下游产品，是化工科技界面临的一项具有挑战性的任务[6]。该设计题目既与实际化工生产接轨又保持了行业的先进性，更适应国情与民生，又培养了学生的社会责任感和历史担当。这样的竞赛题目作为化工原理课程设计的题目不仅完全契合应用型人才培养方案的要求，更把思政教育也润物细无声地有机融入到了专业教育中，又赋予时代性与挑战性，充分激发了学生学习的热情，提升学习动力。以我校非化工专业的材料化学专业为例，受少学时的限制，但考虑到专业培养目标的达成及学生就业岗位的技术需求，近五年的化工原理课程设计题目都是选定当年的化工设计竞赛题目中的某个代表性工段，组织学生进行课程设计，整个设计流程中，学生无法在“承袭”的往届模板上格式化套用，只能与时俱进的从查询资料走起，又按部就班的选定路线、运算校核，学生设计兴趣浓厚，动力十足，教学效果显著提高。

2.2 教学、实践和竞赛的有机相融

将学科竞赛有机地融入到化工原理理论课程的讲授过程中，能够为学生提供一个运用理论知识解决实际复杂工程问题的实践平台，且在不同的教学阶段采用适当的教学方法，可以真正做到以赛促教，以赛促学。我们在讲授换热器及精馏塔时，采用观摩教学法，将竞赛中的优秀案例进行回放观摩讲解，对比其优势与不足，学生既有经典案例的学习研讨，又增强了学习的信心与动力，为日后积极参加学科大赛打下良好的基础。教师亦可结合历年指导学生参赛经验及评审经验，随堂引入竞赛中的相关设计项目，尤其是引入一些反向案例，使学生更加清楚地了解如果设计失误或者参数选择或设定的不正确所造成的后果，通过这种反向教学的方式使学生更深刻地理解化工设计的精髓。

化工原理课程设计是专业基础知识的实践应用环节，构建实践、竞赛协调课程体系具体实施过程为：①专题研讨阶段。在布置设计任务前，我们筛选历年化工设计竞赛获奖的优秀作品，组织学生进行专题性的研讨，并针对课程设计要求完成的部分做深入的剖析与讨论，使学生明确成品文件的撰写方式与系列图册的绘制方法。通过案例式与讨论式相结合的教学模式，培养学生工程意识、创新意识及工程设计能力。②综合实训阶段。在训练过程中，教师参照化工设计大赛的经验将学生按5人为一个团队分成若干设计互助小组，组内成员分工明确：分别负责讲解设计标准、规范；软件使用方法；制图过程；流程计算方法；典型设备选型。每一教学阶段完成的设计内容在组内及各组间进行交流讨论，课程结束时，抽出几组专门就流程设计，设备选型，标准、规范查阅，软件使用四方面以PPT形式做分项介绍，并由学生自由研讨，教师做总结性、针对性的答疑、点评。通过将教学、实践和竞赛的有机相融，构建一体化的教学体系，运用多种教学方法实施理论、实践教学，培养了学生分析解决问题的能力、信息获取能力、团队合作能力及创新能力。从2014年开始探索以赛促教的一体化化工原理课程体系构建以来，我校非化工专业的学生参加全国大学生化工设计竞赛，竞赛成绩亦实现了从参与性参赛到荣获省赛一等奖，地区赛一等奖的跨越，教学改革成果显著。

2.3 考核方式立体化、具象化

全国化工设计大赛始办于2007年，历经13年的发展，已经建立起一套完善、具体、合理的评分细则。学生提交的设计说明书、图纸的评分标准可以参照化工大赛的评分细则，这样既有效避免了因教师工程实践经验不足或者观点不一导致的成绩评定主观性因素的不良影响，又可以帮助学生明晰工程图纸、设计说明书等的具体绘制、书写规范，更有利于学生在设计过程中及时自检、自评。课程设计过程中在专题研讨和综合实训阶段针对学生的出勤、互动、研讨、团队协作情况都会给予一个阶段性的平时成绩。课程设计总评成绩分布为: 图纸及设计说明书(占总评成绩40%)，Auto-CAD等软件应用(占总评成绩30%)，答辩及PPT制作(占总评成绩10%)，平时成绩(占总评成绩20%)。考核方式的立体化、具象化有助于客观、公正、具象化的评价学生的学习效果，并能及时给予教学上的修正与指引，也能全程化的有效监督、促进学生的学习与综合能力的提升。另外，对于课程设计中综合素质与能力优秀的团队或个人，在后续参加全国大学生化工设计竞赛的校内选拔上，我们会给予适当加分或优先权，这也在一定程度上激励了学生学习的动力与能效性，达到以赛促学的目的。

3 结语

以学科竞赛为依托，构建教学、实践和竞赛三位一体的协调课程体系，把应知知识的学习和应会技能的训练都结合到理论讲授及课程设计实施项目的具体过程中，开展化工原理课程体系改革，全面提升了化工原理课程的教学效果。将竞赛的工程理念和内容有机融入到专业课程的教学体系中，对于培养应用型非化工专业学生运用多学科交叉知识去分析和解决复杂化学工程问题的能力、工程实践能力、创新能力具有重要现实意义。