基于CDIO工程教育模式下的《化工設計》課程的教學

杜長海 馬立國 孫德

摘要：本文介紹了《化工設計》課程教學實踐和經驗，通過CDIO工程教育模式在高等院校化工類本科生教學中的實踐，分別闡述了CDIO工程教育模式制定化工設計課程的教學大綱教學，如何細部講授和考評等。教學實踐顯示，新教學模式對學生掌握基礎知識、培養專業能力、提高素質具有較好的效果。

關鍵詞：化工設計；CDIO；實踐

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）11-0188-02

《化工設計》是面向化學工程與工藝類專業學生開設的一門技術基礎課，教學的目的是通過本課程的學習，提高學生綜合運用已學的專業基礎課等方面知識，培養學生聯系實際分析問題、解決問題的能力，同時使學生掌握設計計算的基本方法等。以往的講授方法是按照章、節平鋪直敘地進行，但因學生工程經驗不足等因素，達不到真正地培養學生工程能力的目的。CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。迄今為止，已有幾十所世界著名大學加入了CDIO組織，美國MIT的機械系和航空航天系全面采用CDIO工程教育理念和教學大綱，取得了良好效果，按照CDIO模式培養的學生深受社會與企業歡迎。CDIO大綱定義了培養學生的具體指標，CDIO標準實質上是一個實施CDIO培養模式的指引。作為中國第一個全面應用CDIO的學校，汕頭大學5個工科專業都按照CDIO大綱和標準進行了教育改革，提出并實施了以設計為導向的EIP-CDIO工程教育模式，主要是突出兩個方面：工程創新能力和人文素質及職業道德標準的新型工程技術人才。筆者在幾年教學過程中，參照CDIO工程教育模式的12條標準，在《化工設計》課程上進行了探索和應用。

一、按照CDIO工程教育模式制定《化工設計》課程的教學大綱

課程教學大綱是根據課程內容及其所處課程體系和教學計劃的要求編寫的教學指導性文件，現以《化工設計》課程中的第二章“化工廠設計概述”為例對大綱的主要內容進行修訂如下。

1.CDIO項目。根據學生學習的具體情況，由學生自由選擇以下項目進行實施：①2000噸/年碳酸二甲酯分廠項目建議書編寫。②2000噸/年碳酸二甲酯分廠項目可行性研究報告編寫。③2000噸/年碳酸二甲酯分廠項目工藝流程的選擇。④2000噸/年碳酸二甲酯分廠項目綜述。

2.主要知識點。化工設計的工作程序和建設程序；化工設計項目的建議書和可行性報告的編寫內容和原則；化工廠工藝流程的選擇方法與原則；化工廠項目設計的綜述。

3.教學提示。本章通過多個CDIO項目，本著“做中學”的原則，在指導學生實施項目的過程中，通過傳授學生如何搜集與整理資料，逐步展開化工廠設計概述的學習，針對具體項目實施具體的相關設計。

4.重點講解。①項目建議書和可行性研究報告內容；②工藝流程選擇原則。

5.檢驗標準。根據選擇的CDIO項目進行書面總結與討論，達到知識點互惠的目的。

二、基于“項目式”教學方法

《化工設計》課程是綜合運用已學過的專業基礎課和專業課，如化工原理、物理化學、化學反應工程、化工熱力學、化工過程分析與合成、機械設備、化學工藝、化工AutoCAD等專業課程的知識，在現有資源、法律和社會觀念的條件下，討論化工工藝過程開發設備的設計以及工廠的整體設計。化工設計是化工類專業工程教育的本質和核心，是培養未來工程師的創新思維和實踐的手段，也是理論聯系實際最主要的通道。

教學方法采用項目式教學模式，即第一課時，教師給學生安排一個團隊設計項目，如2000噸/年碳酸二甲酯分廠設計，該項目稱一級項目，下設化工工藝選擇、化工過程設計、設備選型與自動控制、化工廠經濟分析與評價、化工廠風險分析與預防、廠址選擇等二級項目。學生通過自由組合，由6～8人組成一個設計小組協同完成工廠設計任務，每個設計組設小組長1人，組長負責統籌整個設計項目的分工與實施，同時規劃整個項目與總結等。

在教學過程中，講授、設計和討論并重，其中講授約占總學時的■左右。教師在講授了基本的課程內容及要點后，各小組學生根據二級項目內容查找資料、討論設計內容、初步設計并形成項目報告。每個二級項目結束后，在討論課上，各小組匯報自己的項目內容，其他學生可提問、點評，最后由教師進行總結。教師在項目設計過程中要隨時解決學生提出的各種問題。在討論課中，一方面要把握住方向，另一方面也從中受到啟發，達到教學相長的目的。通過這種教學形式，學生真正開動腦筋，互相學習，培養了學生創新思維和實踐能力，同時亦培養了學生團隊合作能力、組織能力和競爭意識。

三、化工過程模擬軟件在化工設計中的應用

化工過程模擬與實驗研究的結合是最有效和最廉價的化工過程研究方法。可以大大節約實驗成本，加快新產品和新工藝的開發過程。在化工廠設計中，化工過程軟件的模擬也是必不可少的工具，因此在化工設計課程中應該做為重點講授內容，適當安排相關計算機上機實際操作，對具體的CDIO項目進行物料衡算和熱量衡算模擬等。除此之外，還可以使用相關軟件進行優化，比如利用Aspen Pinch進行熱集成，實施熱量集成與優化，將化工過程中冷熱物流進行匹配優化，將系統中冷熱量消化在體系內部，實現能源的節約目的。

四、對參加按照CDIO模式培養的學生建檔管理，跟蹤反饋

將所有參加《化工設計》課程按照CDIO模式培養的學生全部建檔管理，每個人都建成電子信息表，包括個人的所有基本信息、工作單位和其他相關信息等，然后根據具體信息對其進行定期的跟蹤反饋，及時了解相關企業對學生的知識體系、個人能力和工程能力的評價等，并通過交流，總結寶貴的經驗。

五、改進傳統的考試方法

考試是評價和改進教學，使之有利于培養創新人才的基本途徑；考試是引導學生主動、創造性地學習的重要手段；考試是檢測和提高學生創新思維和創新能力的重要環節。因此，科學合理的、鼓勵創新的、富有活力的考試制度有利于培養高校學生的創造力，有利于造就建設創新型國家所需要的創新型人才。我們認為，教學是一個動態的持續過程，考試作為教學質量的評價手段，要達到客觀評價的目的，其評價活動應貫穿整個教學過程，不應以一次考試決定成績。為此，團隊提出了“做中學，學中考”的考核方式，具體做法如下：基于化工設計課項目式教學模式的教學方法，我們對考核內容做了合理化分配（見表1），從三個方面進行考核，平時成績、設計報告、期末考試。平時成績占總成績的20%，主要考核學生出勤、回答問題等課堂表現情況；每一個二級項目完成后，在規定時間內提交完整的項目設計報告，設計報告占總成績的50%，是考核的主要部分；期末考試采用閉卷方式，主要考核化工設計過程中涉及的基本原理、方法、步驟等問題。這種分配方式突出強調了設計報告的重要性，弱化了期末考試的分值，這與化工設計課自身實踐性強的特點是相適應的，學生通過考核就必須認真作好二級項目，不但鞏固了化工設計的基本理論，又熟悉了相應的設計規范，這樣就避免了學生考試突擊現象。幾年來，沒有學生要求劃范圍、劃重點，考試時也沒有作弊現象。

六、結束語：

筆者基于CDIO理念下的工程項目制定教學大綱，就是培養學生的工程概念、工程意識、分析工程問題、解決工程問題的能力，培養工程業務素質。該項目的實踐效果體現在通過基礎科學理論如何運用工程理論的教學過程中，又體現在如何應用工程觀點、工程理論和方法，解決各類工程問題的教學和訓練過程中。并對參加COIO教育模式下的學生進行相關跟蹤，與相關企業對接，了解企業需要的工程人才等，然后再在新一輪教學中不斷進行相關補充與完善，為培養21世紀具有創新精神與實踐能力的高素質化工人才的目標服務。

參考文獻：

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