浅谈工程教育认证背景下的化工分离工程教学

＊邱健豪 张雄飞 顾晓利 徐勇 王飞 姚建峰

（南京林业大学化学工程学院 江苏 210037）

自2016年正式成为《华盛顿协议》的成员后，我国的工程教育开始走向世界、面向世界[1]。但与此同时，对工程教育的践行者（教师）和学习者（学生）提出了更高的要求。而要求自然也是源于工程教育认证的目标而提出：（1）改革是动力的源泉，持续改革才能不断提高教育质量；（2）为党育人，为国育才，要为不断发展的社会和企业培养适用型和实用型人才。为了实现和达成以上要求，必须将工程教育认证的核心理念转变为教育教学理念，主要包含以下几个方面：（1）以学生为中心；（2）以培养目标、教育产出和实际成效为导向；（3）以全体学生共同达标为目标；（4）以持续改进促进质量提升为手段[2]。因此，不论是达到要求还是践行理念，贴合工程教育认证且行之有效的教学改革极为关键。

分离工程是化学工程学科的重要分支，以研究混合物分离与提纯为目标的工程学科。作为清洁工艺的重要组成部分，分离工程在提高生产过程的经济效益、社会效益和产品质量中起到举足轻重的作用，尤其是在当下实现“碳达峰”和“碳中和”的大背景下。为了契合工程教育专业认证并针对目前分离工程教学现状及问题，该课程的教学应围绕课程内容、教学模式及考核评价机制等持续改进与完善，以期培养出整体较为优秀的化学工程专业毕业生并为他们未来在该专业上的进一步发展奠定良好基础。

1.化工分离工程教学现状及问题分析

分离工程具有较强的应用性和实践性、内容涉猎面广、跨度大、知识点多等特点，囊括精馏、吸收、萃取及膜分离等具体单元操作的原理、选型及计算问题。然而与之矛盾的是较少的课时量（一般为32课时），这就为教师教学和学生学习造成了较大的考验。具体来说，面临的现状和教学方面的问题主要有以下两点。

(1)分离工程课程本身的特征

由于分离工程涉及的分离单元种类较多，就不可避免的存在较多的概念、物理量及公式。例如多组分分离基础这一章包括分离过程设计变量的确定及相平衡关系、泡/露点、单级平衡分离过程（等温闪蒸及绝热闪蒸）的计算[3]，所涉及的物理量及指定的表示符号有60个，涉及的公式更是多达94个。对于大量繁琐的理论和公式，例如逸度系数计算涉及的维里方程、范德华方程、RK方程、BWR方程等以及活度系数计算涉及的范拉尔方程、马格勒斯方程、威尔逊方程、有规双液方程等，这些方程较为复杂抽象且相应的案例较少，学生听课往往晦涩难懂、不知所云；此外，正是因为缺乏应用案例，学生很难体会这些公式学起来有什么用、如何用，更不知孰轻孰重，最终致使对分离工程课程的学习兴味索然。

(2)教师教和学生学的方式和状态

分离工程的授课模式依然是以教师讲授、学生被动灌输为主，但是由于该课程内容多、学时短，教师不仅做不到面面俱到而且上课节奏可能较快，因此很容易使学生对课程内容的接收度低，最终所取得的教学效果较差。同时，这种“填鸭式”教育又与分离工程课程较强的应用性和实践性特征相互矛盾，因为这种授课模式很难做到理论与实践的有机结合。同样在以卷面分数为主要指标的课程考核与评价上，得高分的同学往往是理论基础比较扎实的，但并不代表其具备较强的工程思维和解决实际工程问题的能力[4]，这就很难达到工程教育认证的标准和培养要求。因此，在这种教育模式下，是无法准确的考查学生是否掌握了解决实际工程问题的能力。此外，不容忽视的一点是考研对学生学和老师教状态和效率的影响。由于分离工程课程的开课学期（大三或大四）与学生准备考研的时间重合且分离工程一般不是应试科目，学生不愿为他们所认为的“不重要课程”花费时间，这就进一步使得对分离工程的教学难上加难。更不幸的是，学生学的状态会影响老师教的状态，让老师形成“得过且过”的错误心理。还有一点同样会影响学生学的状态，分离工程每章节内容大都是相互关联、层层递进与深入，而该课的上课周期一般为一周2个课时，间隔较长外加期间其它课程内容的学习会使得学生很容易忘记上节所学内容，继而对新内容的接纳程度较低，由此形成极为不利的恶性循环。

综上，针对课程本身特征和老师教与学生学的方式和状态带来的一系列分离工程教学现状和问题，考虑到工程教育认证标准和培养要求，可行且有效的教学改革势在必行。

2.化工分离工程教学模式改革探索

改革的出发点和执行者主要是教师，核心理念是以学生为中心。根据分离工程课程的培养目标和毕业要求，提出了以下几点改进措施：（1）优化教学方案和授课内容；（2）强化案例式教学；（3）加强和引导学生参与；（4）优化考核评价机制。

(1)优化教学方案和授课内容

针对分离工程课程内容大、难点多与课时少相矛盾的现状，要想在有限的时间里做到事半功倍，必须对教学方案和授课内容进行改进。首先是精简内容，由于分离工程涉及了较多的化工原理及物理化学等先修课程的基本知识点，对它们进行有计划性的精简能够突显出分离工程课程的特色与实际应用方向。例如逸度系数和活度系数的计算在化工热力学中有详细的介绍，在分离工程中我们只需要简单介绍并告知学生逸度系数是汽相组成的函数而活度系数是液相组成的函数即可。其次是突出重点，需要学生掌握的内容重点讲解而弱化只需要了解的部分；弱化对公式的推导过程，侧重对公式的应用过程。最后是构建框架，每一节（章）的内容一般都是循序渐进、息息相关的，框架的合理构建能够让学生明确地定位和梳理每一节（章）的内容，进而增强理解、加深记忆。例如多组分分离基础这一章的基础是相平衡的计算，随后遵循泡点（塔釜的液相）计算→露点（塔顶的汽相）计算→闪蒸（一个平衡级的汽液两相）计算的框架展开；再如精馏这一章先掌握了多组分精馏的原理和计算，随后在此基础上层层展开了对共沸精馏、萃取精馏及加盐萃取精馏的理论学习和计算。优化教学方案和授课内容是使学生高效学习分离工程的前提和基础。

(2)强化案例式教学

高等教育学会会长瞿振元曾说：“没有高质量的课堂教学就没有高质量的高等教育”[5]。因此，要提高分离工程的教学质量，课堂教学及相关的教学模式改革依然是关键和核心。案例式教学是指在讲授课程内容之前或之后提出的与本节课内容相关的案例问题，通过案例问题的解决来加深对相关原理或公式的理解和运用。在课程之前提出能够引起学生的好奇、兴趣和求知欲并启发他们思考解决问题的方法，这样教师会带有目标性地来讲授本节内容，而学生便带着疑问来学习解决这个疑问的原理或公式（又称PBL（Problem Based Learning）式案例教学），有助于提高他们对分离工程学习的积极性。例如在讲授通过泡/露点方程确定混合物相态时可以通过以下问题引出：在工厂中有密闭的球罐或储罐盛装有易燃易爆的液体，如果夏天天气很热的时候，如何简单地判断液体是否被汽化而可能导致事故的发生呢？这样便会激发学生们的正义感和使命感来避免事故发生，由此学习热情高涨并发现学好分离工程是很有用的；再如在引出特殊精馏的讲授时，提问学生如何通过精馏来分离乙醇-水这类会形成共沸物的混合体系等。在讲授课程知识点之后提出案例问题能够让同学们及时体会并熟知原理或公式的应用环境及重要性，有助于强化理解、加深记忆。例如在讲授完共沸组成与压力的关系后，提问学生对于乙醇-水物系，如何通过调控压力来获得纯乙醇。此外，教材上与需重点掌握知识点相关联的例题或课后习题应在讲授完该知识点之后及时穿插讲解。

(3)加强和引导学生参与

积极加强和引导学生参与到教学过程中能够有效避免他们在课堂上不专心，并使他们在参与过程中获得成就感，由此调动学生学习分离工程的积极性和主动性。主要表现方式有2种：①教师为主体，加强师生互动。最简单的就是在课堂上多增加提问环节，使学生们注意力保持集中；或是通过案例来增强学生参与，例如在讲授萃取精馏和恒沸精馏时，可以从无水乙醇的生产过程中引出，指引学生设计分离方案并研究其可行性，最终确定最优方案并设计具体步骤[7]；②学生为主体，教师从旁指导。改变以往较为死板的“教师讲、学生听”的教学模式，教师通过布置与课程相关的实际工程案例作为任务，将学生分组并通过查阅文献来制定可行的方案然后通过PPT向大家讲解。相关工程案包括果汁浓缩、啤酒花提纯、生物酶类药物制取[4]、CO2吸收、吸附及膜分离等。由此不仅能够提升学生们的自主学习能力，还能使学生们的工程思维得到有效锻炼。此外，我校额外开设了涉及萃取精馏、液液萃取以及膜分离的分离工程专业实验课，且课时另算。实验教学相对于理论教学更具有直观性、实践性、综合性、探索性及启发性等特点，学生通过实验能够亲身熟悉分离装置及工艺流程、感悟分离原理，有助于进一步消化课堂理论知识，由此获得良好的教学效果[8]。最后，为了保持课堂的连贯性及延续性、加深学生对所学内容的理解及记忆，已学内容在课后及新课前需得到巩固和复习，作业的布置尤为重要。以往教师只注重课后作业的布置，而忽视课前作业，两者同时并举才能将学习效果最大化。然而，课前和课后作业的题型应有所区分，课后重在巩固原理或公式的应用（案例分析、计算或思考），课前重在对知识点的复习（名词解释或简答），而且要注意分开课后和课前作业布置的时间点。需要指出的是，学生参与的所有过程都要列入最终成绩考核。

(4)优化考核评价机制

考核评价机制是评价教学效果较为直观的参考指标，同时也为教学模式的改革提供动力，因此在一定程度上要根据教学模式的改革而改进。往常分离工程课程的考核一般采用平时表现（30%）和期末考试卷面成绩（70%），平时表现又分为出勤率（10%）和课后作业（20%），这种考核方式具备较为明显的“轻过程，重成绩”弊端[9]。而分离工程又是一门实践性较强的学科，高分的卷面成绩并不代表具备了较强的工程思维和解决实际工程问题的能力。因此，结合上文提出的教学改革举措，考核评价机制应调整为20%课堂表现（出勤和师生互动）+15%课后和课前作业+15%具体工程案例分析+50%期末考试成绩。这种考核评价机制的改进强化了分离工程的学习过程，弱化了期末考试成绩的“一刀切”，在一定程度上避免了学生“平时不学，考前突击”的状况，并有利于培养学生的工程思维和能力。

3.结语

根据工程教育认证标准和培养要求，针对分离工程教学面临的现状及问题，本文通过优化教学方案和授课内容、强化案例式教学、加强和引导学生参与以及优化考核评价机制等举措对分离工程的教学进行一系列深入的探索和改革，使该课程的教学更加适应当代应用型人才培养的需要。通过本文对分离工程教学改革的探究，希望能为相关院校的工程教育认证及提高工程应用型人才的培养质量提供参考。