新工科背景下材料化学专业“化工设计”课程教学改革与实践

郭玉华，吕春燕，王坤燕，徐敏虹

(湖州师范学院 工学院,浙江 湖州 313000)

0 引 言

2017年教育部启动的新工科计划是新时代社会经济发展的现实需求，为高校工程教育改革创新指明了新方向.新工科的内涵是以立德树人为引领，培养具有家国情怀、工程实践能力、创新能力和国际竞争力的卓越工程技术复合型人才.与传统工科相比，新工科更注重学科的实用性、交叉性和综合性.如何通过课程教学改革满足新工科人才培养的需求，已成为高校教学研究与改革的重点[1-2].“化工设计”课程研究的是化工过程开发中科技成果转化为生产力的技术，是一门涵盖知识应用和实践操作的专业课程，设计过程涉及化学、化工、机械、电气、土建等专业，以及政治、经济、资源、产品、市场等多方面知识，是一门综合性很强的技术科学.材料化学是一门新兴交叉学科，是材料科学、化学和化工领域的重要分支.工科类专业在专业培养中侧重材料和化学方面的基本理论、基本知识和基本实验技能的学习，对工程设计实践类课程知识体系的学习较少.而新材料技术的产业化和升级换代需要进行工程设计才能实现.为适应材料科学与工程领域对工程技术人才培养的需要，湖州师范学院对材料化学专业大三学生开设了“化工设计”课程.学生通过学习该课程，可以扩大知识面，提高综合运用知识进行工程设计的实践能力，这与新工科建设对人才培养的目标是一致的，也符合《制造业设计能力提升专项行动计划(2019—2022年)》对设计人才的培育需求.

“化工设计”课程教学不仅要向学生传授基本技术知识，还要让学生学会运用学过的专业知识解决化学工业生产过程中的实际问题.而传统的教学模式过分注重对课本知识的讲解，因此对实践性较强的“化工设计”课程来说，会导致学生动手能力得不到提高，学习兴趣降低，对知识一知半解，缺少严谨求实精神和创新实践精神.采用这种教学模式培养的学生已不能满足企业对实践型人才的需求.湖州师范学院材料化学专业人才培养以服务地方，着力培养高级应用技术型人才为目标.面对新环境、新趋势、新工科的要求，现有教学模式已难以完成相应的人才培养任务.因此,新工科背景下“化工设计”课程教学模式改革势在必行.

1 传统教学模式存在的主要问题

1.1 教学内容知识体系不够完善

“化工设计”课程是一门涉及多个学科知识领域的综合性课程.该课程除涉及基础的“四大化学”知识、化工原理、化工工艺等专业知识外，还涉及安全可靠性、环境保护、经济合理和操作人性化等方面的内容.湖州师范学院材料化学专业在人才培养中的工程课程较少，支撑化工设计的知识体系还不够完善，这给“化工设计”课程的学习带来了很大难度.教师在有限的课时内要讲授的内容非常繁杂，学生难以系统地掌握和应用.此外，传统的“化工设计”课程教学注重化工过程计算和工艺设计，对高效快速的辅助化工过程设计软件介绍不多.目前大型的化工过程设计均由专业的计算机软件辅助完成，学生虽然掌握了专业知识，但却缺乏高效率表达设计结果的手段.

1.2 学生工程意识薄弱，缺少知识的综合运用能力

学生工程意识普遍薄弱，缺乏实践知识.这主要是因我国的大学生大部分是由高中直升大学的，而中学教学没有涉及工程学方面的内容，讲授的内容如数学、化学、物理等都属于科学体系，当学生进入大学后也鲜有机会接触相关工程知识和参加工厂实习，学校也没有开设相关的工程学课程，因此学生工程学方面的知识仍是空白[3].工程学知识体系和基本思维方式与自然科学是有区别的，它突出实践性，注重培养学生的分析、设计、综合等方面的能力.“化工设计”是一门综合性课程，要求学生能够将“四大化学”基础知识和化工原理、化工热力学、化学反应工程、化工机械设备、化工仪表及自动化等专业课程知识融会贯通，并综合运用.对材料化学专业的学生来说，“化工设计”课程的教学内容和教学方式是全新的，部分学生缺乏学习的主动性，虽已学过相关的基础课程，但其综合运用知识的能力还较薄弱.

1.3 教学组织形式过于传统，重理论，轻实践

“化工设计”课程具有很强的工程性、技术性和实践性.传统的课程教学主要以传授专业知识为主，是一种以书本知识为中心的学习方式.其课堂教学组织形式是知识的单向传授，学生被动地接受知识，部分学生甚至是为应付考试而学习的，缺乏主动意识和创新能力[4].实践性对学生来说是一个盲区，社会普遍反映工科专业毕业生动手实践能力不强，这已成为近些年工科专业实践教学中的一个突出问题[5].其主要原因是：目前校内外专业实训基地较少，学生无法进行实际操作和专业技能训练；受市场经济影响，校外工厂、企业不愿意接收和安排实习学生，怕干扰生产秩序，即使学生有机会到校外实习也是走马观花，严重影响了实践性课程的教学质量.

1.4 考核方法单一

长期以来，高校的课程考核通常忽略学科和课程的性质与特点，普遍采用单一的闭卷考试，其考试内容是课程教材中一些重要的知识点.而学生为应对考试，被动地记忆与理解知识，缺乏主动性和创造性.因此，这种考核方式实难反映学生通过课程学习所获得的工程实践能力和创新思维能力，与工科专业以培养学生动手实践能力和创新能力的教学目标不相适应.为全面推进素质教育，工科专业课程考核方法的改革应着眼于全面科学地评价学生的综合素养和创新实践能力，充分发挥考核评价体系在激发学生学习主动性和创造性中的导向作用.

2 教学改革措施

“化工设计”课程教学承担着培养学生工程设计能力的重要使命.如何以“应用”为主旨在有限的课时内使材料化学专业学生掌握更多的工程知识，学会运用理论知识来解决工程实际问题，培养学生工程设计、创新实践能力，满足企业对创新应用型工程技术人才的需求，本文从以下几个方面对“化工设计”课程教学模式改革进行探讨.

2.1 创新教学内容体系，强化现代设计软件教学

针对材料化学专业人才培养中工程方面课程较少，知识体系不完善，现代设计技术Aspen Plus、Pdmax、SketchUp等软件基本未引入课程教学的现状，课程教学团队将教学内容与现代设计技术有机结合(见图1)，以“化工设计”竞赛为依托，根据竞赛选题使教学内容项目化，重构课程教学模块，将其优化为设计程序和规范、工艺流程设计、化工工艺计算、设备设计与选型、车间与管道布置、安全与环境保护、经济概算等7个单元模块，并在工艺流程设计模块中适当补充化工工艺知识和原理，在设备设计与选型中适当补充典型的设备知识，适时引入设计标准、设计规范等内容.现代化工设计均需利用计算机软件辅助完成，如工艺流程模拟、换热网络优化、流程图绘制、设备的设计选型等都需要专门的软件协助完成.但现代设计技术的熟练应用是学生设计实施过程中的一个主要瓶颈.因此，在相应的模块学习过程中应引入对应的设计软件学习.如在工艺流程设计部分要求学生进一步熟悉AutoCAD软件的应用(前修课程已学过该软件)；化工工艺计算模块补充流程模拟软件Aspen Plus的学习；设备设计与选型补充Aspen EDR换热器选型、SW6 强度校核等软件的应用.通过软件的学习和应用激发学生的学习热情，拓宽学生的学习视野.

图1 课程—竞赛与能力培养关系图Fig.1 Relationship between course-competition and ability development

2.2 采取以“学科竞赛+项目设计”为导向的课程教学模式

针对学生工程意识薄弱，缺少知识综合运用能力，缺乏学习的积极性和主动性等问题，采取以“学科竞赛+项目设计”为导向的课程教学模式(见图1)，即在进行“化工设计”课程教学的同时，引入大学生化工设计竞赛.该竞赛是国内规模最大、水平最高的化工类国家级赛事.学科竞赛是考查学生学科基本理论知识和解决实际问题能力的活动，在培养学生的实践能力、创新能力、工程技能、团队精神和竞争意识等方面发挥着积极的作用[6].将大学生化工设计竞赛的题目作为本课程考核项目设计的题目，按照竞赛要求以团队形式进行项目设计.课程学习初期采取“任务式”教学，将项目设计任务布置给学生，让学生带着问题学习该课程；课程结束后进一步完善项目设计作品并参加竞赛.在项目设计实施过程中，从项目选题、方案设计、技术实现、工程图纸绘制、流程模拟，再到说明书及可行性研究报告的撰写、视频制作、答辩PPT编制等，每个环节都要以学生为主体，从而使学生的自主学习能力、实践动手能力和团结协作能力得到提高，探索精神得到发掘，创新能力和工程意识得到加强.“学科竞赛+项目设计”的教学模式提高了学生学习“化工设计”课程的兴趣和积极性.由图2可以看出，自2019年湖州师范学院材料化学专业实施“化工设计”课程教学改革以来，学生竞赛参与率有很大提升，是2016年的近10倍，80%以上的学生能积极参与.以“赛”促“学”，以“赛”促“教”，项目实践带动理论教学，在一定程度上弥补了课堂教学的不足，扩大了学生的知识视野，使学生学以致用.

图2 2016—2020年湖州师范学院材料化学专业学生参与竞赛的情况Fig.2 Participation of students majoring in materials chemistry in Huzhou University from 2016 to 2020

2.3 采取灵活多样的教学组织形式，强化实践教学

将教师单向知识传授的课堂教学转变为让学生成为学习的主人，采取课内讲授与课外自学相结合的教学组织形式，充分利用课程网络教学平台将“化工设计”课程涉及的课内外资源上传到网络教学平台.由于课内学时有限，未讲授的工程设计知识及Aspen Plus、Pdmax等现代设计软件的学习可采取“课堂入门+课后自学辐射”的教学方法.同时适时采取师生课内讨论交流、“组内+组间”讨论交流等灵活多样的课程教学组织形式，使教师与学生真正互动，进而激发学生的创新思维，提高学生自主学习和分析、解决问题的能力.

树立“实践教学与理论教学同等重要”“实践是工科专业人才成功之本”的教育理念.“化工设计”课程直接面向应用领域，实践性很强.而实践活动的展开有利于加深学生对课堂知识的理解，提高学生对后续课程学习的主动性，以及应用专业知识解决实际问题的能力.因此，在“化工设计”课程48学时结束后可增设两周“化工设计”课程的实践课，以竞赛要求为目标深化课程设计成果；积极开发校企合作平台，建立校外实践基地，聘请企业工程技术专家开展讲座，并让学生深入企业参观学习，尽可能地让学生在真实的环境中积累实践知识，增强工程意识.

2.4 改革课程考核方式

针对“化工设计”课程对学生动手实践能力要求高的特点，其课程考核方式应打破传统的期末闭卷考试方式的束缚，考试内容要突破课堂和教材内容的局限，注重学生对所学知识及自学知识的综合运用，充分体现学生的工程实践能力和创新能力.该课程考核方法要以“团队+项目设计+答辩”的形式为主，并将过程跟踪评价法与终结性评价法相结合.过程跟踪评价法主要是针对学生学习过程中的具体情况，如课程学习中的表现、实践学习过程中的动手能力、项目设计方案的提出、阶段性作品设计情况汇报、创新成果、团队协作情况等方面进行的跟踪考查.整个考核环节要注重学习能力及创新能力，特别是对学生积极思考问题和解决问题能力的考查.终结性评价包括项目设计成果(包括设计说明书、图纸质量、现代设计工具的使用等)和成果答辩情况，主要考查学生工程设计、写作、现代技术工具运用等方面的能力.

通过课程考核方式改革，要求学生不仅要掌握课程知识点，还要学会利用知识解决工程问题，由等着期末突击考试转变为时刻关注课程学习的每个细节，以有效提高学生对课程学习的重视程度和课堂效率.这样的课程改革明显增多了学生团队成员间及学生与老师围绕课程项目设计遇到问题的讨论.企业专家也发现学生去企业专业见习时，学生对专家讲解的生产流程一听就懂，对流程图中的工程知识也很熟悉.“团队+项目设计+答辩”的考核方式取得了良好效果.

3 结 语

湖州师范学院材料化学专业“化工设计”课程的教学改革，通过优化教学内容，重构课程教学模块，有机结合现代设计技术，以“学科竞赛+项目设计”为导向，有效地将化工设计竞赛内容贯穿于课程教学和实践环节中；通过面向项目设计的实践活动激发学生的创新思维，将理论知识应用于解决工程问题中，达到了学以致用的教学目的；充分利用课程网络教学平台，采取“课堂入门+课后自学辐射”、讨论交流等灵活多样的课程教学组织形式，丰富了学生的工程知识，开阔了学生的视野；通过校企合作深入企业实践，让学生感受到了真实的生产环境，增强了学生的感性认识和工程意识.总之，将课堂学习与课外竞赛、企业实践相结合，有效构建了全过程、多环节、一体化的“新工科”人才培养模式.