新工科背景下化工设计及设计软件的教学改革

曹春梅，徐 丽，张亚涛，任保增，刘国际,2*

(1.郑州大学 化工学院，河南 郑州 450001；2.中原工学院，河南 郑州 450007)

化工设计及设计软件是化学工程与工艺专业的核心课程，具有标准规范多、知识面广、工程实践和综合性强的特点[1-2]。课程要求综合运用化工原理、反应工程、分离工程、化工热力学、化工技术经济和化工工艺学等专业理论知识，需要掌握现代化工设计的思想、方法和工具，强化培养学生的创新能力和工程能力。作为国家培养具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才的一门化工类核心课程，化工设计及设计软件课程的教学改革的重要性不言而喻。传统的教学过程中一直存在“重理论、轻实践”的问题，并且目前的教学内容、方法以及过程管理和考核方式等都不能满足现代化化工建设的需求。为适应新工科建设需要，强化化学工程与工艺专业学生的工程概念及解决复杂工程问题的能力，培养具有较高工程素养的人才，基于“面向学生，以产出为导向”的教育理念展开化工设计及设计软件课程教学改革势在必行。

1 完善课程体系、拓展教学深度

在化工设计及设计软件课程改革中必须将价值观塑造、知识讲授和能力提升三者融为一体，要将价值观引导赋予知识讲授和能力提升之中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观和价值观。

1.1 加强思政建设，拓宽课程时限

化工设计及设计软件作为化工类的核心专业课程，蕴含大量的思政元素。结合化工设计及设计软件的课程特点，要注意挖掘人文精神和科学精神，通过知名人物、化工建设者等在化工生产中发挥重要作用的案例的引入，强化大学生的爱国主义、工匠精神、职业素养、创新意识和生态文明教育等。总结本课程的课程思政教学元素主要包括：通过国内外化工设计能力对比培养学生的爱国主义和民族自豪感；通过工艺流程设计中现代化工厂以及智慧化工园区的介绍来培养学生的逻辑思辨、绿色化工及循环经济等工程观念；通过物料衡算与能量衡算，结合Aspen Plus进行化工计算的陈丙珍院士事迹以及试差法进行循环和排放过程的物料衡算，培养学生的工匠精神、逻辑思辨、循环经济和抗挫能力；通过设备的工艺设计及化工设备图，结合雷诺传记，培养学生的爱国主义、使命感、职业素养和科学精神；通过第五章车间布置设计，结合现代生态工业园介绍，培养学生绿色化工以及环保的意识；通过第六章管道布置设计培养学生的爱国主义和工匠精神；通过第七章公用工程、安全与环境保护，结合7·19义马气化厂爆炸事故以及松花江重大污染事件，培养学生的工程伦理、绿色化工、法律法规及职业素养。除此之外，在课堂教学中注重渗透法律法规教育。

另外，由于化工设计及设计软件课程为48学时，学时有限，无法完成全部课程内容的讲授，特别容易发生“赶课时”和“满堂灌”的情况，导致教学效果不理想。为了解决这个问题，在学校卓越计划的支持下，课程组根据教学内容将一般的教学内容进行录制了教学短视频，共40个10 min时长的短视频，总时长400 min，这为线下授课讲解教学难点和重点打下了良好的基础，在有限的学时情况下提高了教学效果。

1.2 增加案例教学

采用案例教学法教学时，需注意选取合适的能够反映化工行业技术发展和创新的典型案例，从项目的前期安排、工艺路线选择及流程确定、关键控制变量和设计参数的选取，到设计图纸等教学内容，案例教学贯穿整个化工设计及设计软件课堂教学中。例如，在讲解生产方法和工艺流程的选择时，可以结合潍坊滨城化工有限公司的己二酸二甲酯生产工艺流程，让学生分组讨论为什么采用现在的工艺流程？符合哪些生产方法和工艺流程选择的原则？然后引导学生探索基本原理以及相关概论。此外，还可以通过案例分析，剖析设计过程中参考的规范和标准、设计理念以及工程经济观点等。对比传统的理论教学方式，案例教学让学生的参与度更高，有助于课堂知识点的加深和巩固，同时可以让学生理论联系实践、学以致用，增强学生解决实际工程问题的能力。

1.3 课赛融合，强化软件学习

课赛融合可以激发学生的好奇心和创造力，提升学生学习的主动性，培养学生分析和解决实际工程问题的实践能力。根据化工设计竞赛要求，学生5人为一个团队，团队合作完成竞赛要求的项目，其中包括工艺路线说明、可行性研究、初步设计说明书、创新性说明、设备(反应器、塔设备、换热器、泵、储罐等)设计说明书、节能减排与换热网络设计、安全预评估、环境评估及技术经济评价等设计内容；其中，要综合运用Aspen Plus、Auto CAD、3ds MAX等计算机设计软件，完成工艺流程模拟优化、PID/PFD工艺流程图、车间设备管道平剖面布置图和三维工厂设计等设计图纸。因此，实训过程中，Aspen Plus等软件的学习与训练也会进一步得到加强。将竞赛与课堂相结合的课程模式，有助于激发学生的学习兴趣、提高学生的分析和解决问题的能力，更有利于培养学生团队协作精神，提高学生解决复杂工程问题能力和创新应用的综合能力。在化工设计竞赛中，我院代表队连续三年获得全国一等奖，体现出“课赛融合”模式中学生学以致用的良好效果。

2 创新教学模式、改进教学方法

2.1 构建“翻转课堂”教学模式

本课程构建了“翻转课堂”的教学模式，该模式以教学目标为核心，以学生为主导，根据创设的问题进行分组分析—讨论—提炼—讲解。在“翻转课堂”模式中，灵活创设问题情境尤为重要。在相关知识点的问题选取时应注意，首先从教学内容的重点和难点出发，确定需要探究的问题，有利于学生掌握知识点；然后从化工工程实践中发现与化工设计及设计软件相关的知识点，在教师启发导向作用下，让学生相互交流，发现问题，解决问题，并总结涉及的教学知识点。例如，化工过程安全问题这一章节讲解时，我们会根据教学内容结合具体的化工厂事故来创设问题，让学生5人一组，通过HAZOP基本知识点的在线视频学习，要求学生列出表格，给出分析过程中涉及的工艺参数、引导词和偏差；此外，通过HAZOP分析产生事故的原因，并给出具体的解决措施。这种教学模式着重强调学生的自主性，提升学生学习的积极性，同时提高学生发现问题和解决问题的能力。

2.2 深化校企合作教学

深化产教融合和校企合作是党的十九大以来高校工科院系教学改革的必经之路。近年来，为了更好地实现应用型人才的培养目标，学院积极推进校企合作，聘请企业专家结合化工生产的实际需求展开讲解，针对工艺流程设计的实用性、可行性和复杂工程问题的分析及解决方法进行深入的探讨，强化学生的工程思维。另外一方面，通过与企业资源共享，让学生进入企业进行实习实训，有利于加深学生课堂所学知识，使学生真正参与到设计过程中，提高实际工程应用的能力。深化产教融合，加强校企合作，有利于高校培养高素质人才，有利于企业发展，更有利于形成校企合一，互惠共赢的教育模式。

3 加强过程管理、优化考核方式

化工设计及设计软件课程的考核方式要符合专业认证的培养目标，同时要符合新时代卓越化工人才的培养要求，改变目前考核方式过于简单、缺乏开放性的问题，加强过程考核，推行全过程学业评价，综合运用笔试、课堂测试、讨论等多种考核形式。以往的成绩评定方式由期末考试(闭卷)80%+平时成绩20%组成。经改革后，现在最终成绩由过程性成绩30%、实训成绩(化工设计竞赛)20%、上机成绩(软件)10%和期末成绩40%组成。除了期末考试为笔试，其它部分全部在线完成，其中过程性成绩由视频学习10%、翻转课堂情况10%和课堂作业10%三部分构成。在线视频学习是课前自主学习，是为了掌握课程的基本内容，为教学重点内容和难点内容打基础；翻转课堂情况主要看学生针对案例或者所给设计问题分析—讨论—总结的情况；课堂作业由线上题库中抽取，题库由每章节30题组成，类型分为选择题、判断题、填空题、简答题、图形分析题以及计算题等。实训成绩根据化工设计竞赛项目的完成情况，由带队老师给出；上机成绩主要考察学生对Aspen Plus的掌握情况。通过这样全过程式的考核和成绩评定方式，达到“以考促教、以考促学”的目的。

4 结语

化工设计及设计软件在化工专业课程中具有举足轻重的地位，其课程改革对培养化工专业人才具有重要作用。在新时代工程教育专业认证和新工科背景下，我院结合自身情况，对化工设计及设计软件课程的教学内容、教学方法和教学评价等方面进行了长期的改革和探索，并取得了良好成效，提高了学生的创新能力和实践能力。实践证明，加强课程思政建设，寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，帮助学生塑造正确的世界观、价值观和人生观；课赛融合、案例教学、翻转课堂、校企合作教学等教学内容和教学方法的改革，改善了单纯学习理论知识和专业软件的枯燥无味，激发了学生的好奇心和学习兴趣，提升了学生自主学习、团队协作和解决复杂工程问题的能力，教学效果取得了明显的改善。