以工程实践能力培养为目标的“化工原理”教学改革与实践

曾嵘，宋泽研，刘建文，龙华丽，王凯，党雪萍

（湖北大学化学化工学院，湖北 武汉 430062）

随着我国科学领域国际化水平的不断提高，对科学工程人才的工程实践及创新能力的要求也越来越高[1]。“化工原理”是化工类学科体系中的基础课程，也是十分重要的核心课程，在培养学生的工程观念、运用基本理论来处理实际工程问题方面发挥着举足轻重的作用。但是，由于当今工程技术领域的相关问题日益复杂化，过去传统的教育教学体系已经难以满足当前工程认证的国际化要求。

现今高校的“化工原理”课程教学大多存在以下问题：①理论教学缺乏创新，课堂互动少；授课时长不足，课程内容较难，学生兴趣低；学生自控力差，课上态度不端正；考核比较片面，反馈缺乏真实性;②实验教学预习环节效率低；实验安排不合理；实验室条件不足，常以小组进行实验，抄袭现象严重；实验设计、创新型实验较少；许多高校出于安全对部分步骤进行简化或删除;③课程设计多为单项，没有综合创新；课题重复率高；师资不足，学生很难获得针对性指导；考核常注重结果，忽略学生的平时积累。

本文针对“化工原理”课程存在的问题，分别从理论教学、实验教学、课程设计三个方面提出改革措施，以培养学生的工程思维，提高学生的工程实践能力，使之成为符合工程认证标准的化工人才。

1 “化工原理”理论教学改革

基于OBE 导向理论，参考认知领域中的教学目标分类理论（美国教育心理学家本杰明·布鲁姆提出），我们应该对教学目标进行深度解析，将教学目标分为三个层次[2]，如图1所示。我们对不同层次的教学内容采用不同的教学方式，通过改革提高学生对“化工原理”课程的兴趣，让学生更好地记忆、理解知识，加强学生的实践能力、分析解决问题的能力以及创新能力。

图1 基于布鲁姆教育目标分类法重构“化工原理”教学内容

1.1 引入线上教学

针对课上教师“满堂灌”，学生学习积极性不足的问题，我们可采用“线上线下混合式教学”，线上学生自主学习基础知识，强调学习的广度；线下课堂教师对重难点进行讲授，强调学习的深度。这种线上线下混合式教学模式如图2所示。

图2 线上线下混合式教学

例如：扬州大学与江苏师范大学采用翻转课堂的模式[3]，教师将课堂分为课前线上自学、课堂线下讲授、讨论及课后线上练习，提前准备重难点的讲解案例，设计讨论环节，引导学生线上预习，并设置练习检验学习效果，还可设置一些有趣的思考题，让学生独立思考、探索，提高学生的学习兴趣和创新能力。通过缜密的设计，将课前、课中、课后有机结合，实现课前预习、课堂讲授、课后练习巩固、思考总结的良性循环。

1.2 增加教学互动

互动式教学即在教学过程中，要时常与学生交流互动。教师在发挥主导地位的同时，要坚持“以学生为本”。引导学生，调动学生学习的积极性，培养学生主动分析、思考、解决问题的能力。“双向互动”的课程模式是研究型大学人才培养的重要特征[4]。通过课堂互动在师生之间建立桥梁，加强学生与老师间的交流，增强学生学习的信心，锻炼学生的表达能力，提高学生学习的积极性，这对培养学生的科学素质、创新能力、工程实践能力至关重要。英国莱斯特大学提出在课程中引入实际案例，让学生带着问题学习，以提高学生的学习主动性。土耳其哈卡里大学也认为，情景式教学将有利于学生以后硕士阶段的学习[5-6]。

授课时，老师应加强与学生的交流，教师教给学生的不是一两个知识点，而是学习的方法与态度。给每个学生时间和空间，尊重他们，成为他们的良师益友。只有这样，在教学中学生才会积极地思考、讨论和回答教师提出的问题，通过发表自己的意见和见解，和老师互动，建立起师生互动式的教学关系。

教师要在互动过程中培养学生的思考和创新能力，强化教学过程的每个环节，对学生进行科学的指导。授课时，要注重对重难点部分的讲解，讲清楚相关知识在生产实际中的应用，激发学生的兴趣，培养其相关的工程能力。例如：在讲述伯努利方程时，教师可以抛出一系列的问题与学生进行互动：可提问“流体流动过程中具有哪些能量形式？”学生解答后，再提出“这些能量之间是如何变化的？”之后再提出“应用该方程式有哪些注意事项？”“在生产实际中怎么应用这个方程式？”层层递进，让学生讨论，教师再适时总结，对学生的回答要给予肯定和鼓励，调动学生的积极性。在这个过程中，学生不仅能加深对重难点的理解，复习基础知识，还能更好地将知识运用于实际，培养学生独立思考的思维方式，提高他们的科学素质和创新能力。

1.3 改进考核体系

传统的理论课程考核，无法科学评判学生的学习态度、学习效果及学习过程。根据OBE的教育理念，应使学生重点关注学习过程而非结果，要以学生为中心，建立符合工程认证标准的考核体系。传统的考核期末成绩的比重过大，造成许多学生为应付考试，考前突击背公式、背重点。为避免这一现象，使学生能踏实、认真地对待“化工原理”课程的学习，需对考核体系进行相应的调整。我们将该课程的理论总成绩评定分为三个部分：日常测试成绩、平时成绩和期末成绩。

表1为“化工原理”成绩考核的分值计算表，表中所示的考核方式更加全面。根据每项得分的百分比算出总成绩，促使学生不再只注重考试本身，而是更注重学习过程，加强对理论知识的学习及吸收，激发了学生学习的自觉性。

表1 “化工原理”成绩考核分值计算表

2 “化工原理”实验教学改革

2.1 丰富实验的预习方式

“化工原理”实验与四大化学基础实验的内容相差较大，文字描述不足以让学生了解相关的实验装置，传统的预习方式无法满足“化工原理”实验的要求。因此，为学生提供更多的预习方式是必要的。

教师应收集与实验相关的图片、视频资料，或自行拍摄本校的实验设备、说明书等，上传至线上平台供学生参考，让学生在实验前对设备有较为清楚的认识；而且，学生实验结束后还可以查阅，便于复习。

2.2 努力完善实验的硬件条件

哈尔滨理工大学在“化工原理”实验中引入互联网+虚拟仿真实验，虽然不可避免地存在失真性，无法完全替代实际实验，但是其成本低，安全性高，对设备的调试与运行也很方便，可显著提升教学效果[7]。因此，对于那些安全系数低或成本较高而放弃开展的实验，通过引导学生进行仿真实验，可以观察实验设备的内部结构，模拟操作流程，从而了解并掌握实验的原理和步骤。

学校可在机房电脑中安装仿真实验软件，并定期开放实验场地。例如：每周三和周五下午开放“化工原理”实验室和安装有仿真实验软件的机房，让学生能近距离接触实验设备。通过实验老师的讲解加深学生对实验流程的掌握，同时又使教学资源的利用最大化，为学生的学习提供便利。

2.3 优化实验安排

“化工原理”实验教学的前提是学生需要掌握相应的理论知识，能够分析实验中的简单问题，掌握实验数据的处理和解决相关问题的基本方法。因此，实验课程应尽量开设在理论课程后的两周内，避免学生淡忘知识，以提高实验效果，达到巩固理论知识的目的。

若实验设备有限，应选择错峰制安排实验，将每个实验小组成员控制在4名以内，提高带班老师的教学效率，优化学生的实验过程，有助于提升实验的教学效果。

2.4 改进实验内容

按照OBE 导向理论，我们应该对实验内容进行扩展。“化工原理”实验课程以培养学生的实践能力和创新能力为目的，我们有必要对验证性实验的比例进行调控，增加设计性实验及综合性实验的占比，有助于培养更多具有创新实践能力的人才，为今后的课程评估和专业认证奠定良好的基础。同时对部分传统的“化工原理”实验内容进行扩展，如表2所示。

表2 “化工原理”实验的传统内容及扩展内容

从表2中可以看出，我们主要对“化工原理”设计性、综合性、研究性的实验项目进行了扩展。通过对这些项目的扩展，引导学生进行思考，提高他们多方面的工程能力，进而实现培养具有工程实践能力的化工人才的目标。

3 “化工原理”课程设计改革

3.1 优化设计选题

“化工原理”课程设计是化工及其相关专业的学生在大学中接触的第一门课程设计。由于学生缺乏经验，因此老师在选择设计题目时，应充分考虑学生所学的知识范围，结合生产实际，控制题目的深度与广度，才能激发学生的学习热情，例如：围绕新冠疫情，可将课程设计的选题定为三氯异氰尿酸消毒剂的相关设计。

设计题目应一届一换，避免学生抄袭往届。设计内容不应仅局限于一个单元操作的单项设计，可选择结合多个单元操作的综合设计，使设计更加全面，例如，以“三氯异氰尿酸的换热器、离心泵、过滤机、吸收塔、风机选型计算”为题，比以“三氯异氰尿酸的换热器设计”更加全面，包含了多种单元操作在该产品生产线中的应用，有助于加深学生对生产实际的理解和认识。

3.2 引入工程设计软件

化工设计中公式繁杂，计算量大。为降低学生的计算量和计算强度，将工程软件引入到课程设计中。工程软件的应用给学生注入了现代的设计理念，提高了学生的设计能力，满足了当前行业的人才要求。我们鼓励学生使用相关的设计软件，提高课程设计的效率。例如，我校在本科期间开设了AutoCAD 课程，在“化工原理”课程设计中，学生可利用AutoCAD 绘制工艺流程图。相比手工绘图，AutoCAD 具有直观、简便、精确的特点，能增强学生的工程意识及计算机应用能力。采用CUPTOWER 软件对塔设备进行水力学校核，以提高学生的学习兴趣。此外，还可将其他实用软件运用到“化工原理”课程设计中，这样不但能够激发学生的学习热情，还为学生参加全国大学生化工设计竞赛打下基础，为后续的毕业设计做好准备。

3.3 改进考核体系

“化工原理”课程设计的考核不应过于注重结果，应同时注重设计过程。考核成绩可由平时成绩(40%)、设计作品(40%)、答辩(20%)三部分构成，贯穿整个设计过程。

平时成绩中，有10 分为考勤，设计过程中的表现（态度是否积极、是否遵守纪律等）占30 分；设计作品中，说明书占10分，设计图纸、工艺设计计算各占15分；答辩的表现（学生设计的独立性及态度、对相关知识的掌握程度、态度等）占20分。

加强过程性的考核，不再仅依靠设计结果进行评判，使得结果更加公平、公正。这种考核办法有助于强化教师对学生学习过程的监督、指导，提高学生学习“化工原理”课程的积极性。

4 结束语

“化工原理”是一门被工程认证重点关注的化工学科体系的核心课程。由于其知识系统繁杂，学生较难掌握，所以需要我们对“化工原理”课程进行充分的探索和全面的改革，培养学生扎实的化工专业基础。基于OBE目标导向理论，我们提出采用“线上线下混合式教学”，从理论课程、实验课程和课程设计三个方面进行了探讨，对课程安排、软件应用和考核方式等都提出了相应的改革方案。通过这些改革措施可以提高学生的学习兴趣，加深对课程的理解，增强学生的工程实践能力和创新能力，以满足社会对高水平化工人才的需求。