基于全新工程教育理念構建多層次化工原理實踐教學模式

俞路　吳雪梅　潘艷秋

摘要：以培養學生創新能力為宗旨的實驗教學改革，在提高實驗教學質量的同時，需要進一步改革實驗教學模式和實驗教學體系。依據本?；ぴ韺嶒炚n程的特點，將全新工程教育理念引入教學環節，構建基于“CDIO”工程教育理念的實踐教學體系，并提出構建多層次、多方位實驗教學平臺，在此基礎上以“CDIO”工程理念為中心合理規劃實驗課內容，激發創新思維，從而加強實踐課與理論課的聯系。

關鍵詞：化工原理實驗；“CDIO”工程教育理念；實驗教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）53-0132-02

當前各國高等教育改革中關注重點之一是如何培養符合大工程需求的工程人才。在此背景下美國麻省理工學院等四所大學共同提出了一種全新的工程教育理念——“CDIO”（構思Conceive、設計Design、實施Implement、運作Operate）。它以培養學生工程基礎知識、個人創新能力、團隊協作精神以及解決具體問題時的工程系統能力等四個方面為目標，以工業生產中從產品的實驗室研發到過程中測試的生命周期為項目單元，在此項目培訓中讓學生能夠以主動的、實踐的、有機聯想課程之間的知識體系的方式完成學習任務，是一種在課程學習過程中既強化基礎知識的學習和專業理論的傳授，又注重教學過程中實踐的全新教學模式[1]?！痘ぴ怼肥且婚T研究典型過程單元操作中傳遞過程機理的工程技術基礎課，它在基礎與專業課程之間起到承上啟下的作用，是我?；ゎ悓I非常重要的課程。其目的是培養學生分析工程中遇到實際問題和解決實際問題的能力[2]，課程的培養目標與“CDIO”的培養模式相一致?；ぴ碚n程的理論教學主要是傳授各單元操作的基本原理即動量傳遞、質量傳遞、熱量傳遞和反應過程動力學等，與之配套的實踐環節則側重培養學生對工藝過程的設計、實踐、思考以及創新能力，進一步加深和鞏固學生理解理論知識、提高運用知識系統化解決工程實際問題的能力和團隊協作的能力等。由于該課程所研究的過程單元操作具備嚴格的理論基礎，因而具有高度的抽象性和概括性，傳統的教學方式著重于講授各典型單元操作的基本原理，實踐環節多為驗證性實驗，層次單一，學生缺少對綜合工程能力的訓練，導致“工程”觀念模糊不清，大部分學生只是機械式地完成實驗，普遍缺乏團隊協作精神。現有的化工原理實驗教學體系存在著這些不足和弊端，與近幾年來國家提出的卓越工程師培養計劃尚存在一定的差距。因此，針對我校化工原理的實驗教學現狀，從國家產業結構調整和發展戰略性新興產業的人才需求出發，引入全新工程人才培養教育理念（CDIO）開展實驗課程的改革，適度超前培養設計開發工程師和研究型工程師等多種類型的工程師后備人才，從而推進我校卓越工程師培養計劃的實施。

一、以“CDIO”工程理念為中心構建多層次實驗教學平臺

近幾年來，我們對化工原理實驗教學內容以及實驗室建設等方面進行了積極地實踐和探索，自主設計和改造完成了基礎驗證性、綜合設計性和創新研究性等實驗教學設備，成功構建了多層次、多方位的實驗教學平臺，為全新工程教育理念模式的實施提供了硬件保障。嘗試將全新工程教育理念“CDIO”運用到設計與開發綜合創新性實驗項目的化工原理實驗教學過程中，打破了傳統課程學習過程中以課堂知識傳授為主要特征的模式，將原來由以講授為主轉變為以導學為主，從被動學習知識向主動思考和創新設計成長轉變。通過這個實踐平臺訓練后，構建起在教師主導下學生為主體，將理論知識與實踐操作相結合，培養學生的基本理論知識、工程實踐能力和創新思維全面協調發展的教學模式。圍繞以“CDIO”的各層次實驗項目為中心組織課程教學內容，讓學生在具體實驗項目的實施過程中系統地構建相關的理論知識。為此，我們對傳統的實驗項目教學模式進行了重構，有四個層次實驗教學平臺：基礎驗證型實驗、綜合型實驗、設計型實驗和研究型實驗。第一層次：主要為驗證型實驗，讓學生熟悉典型化工單元操作的工藝流程，認識和了解裝置中各個設備以及儀器儀表的工作原理和使用方法；第二層次：綜合型實驗，將多個單元設備依據一定實驗任務組合起來構成多目標、一體化的實驗裝置進行實驗操作，該項目能夠把某一單元操作的重點知識系統化，通過此項實驗操作培養學生綜合運用所學知識的能力；第三層次：設計型實驗，由教師提出題目，學生自組團隊依據課題查閱文獻、設計流程、搭建裝置、實施實驗，開拓學生的創新能力和探索精神，培養學生的綜合實驗設計能力；第四層次：研究型實驗，以教師科研項目為背景，為那些對科研有濃厚興趣的學生提供科研訓練操作平臺，讓學生參與部分科學研究，激發探索新知識的欲望，增強學生的創造能力與研究能力[3]。

二、以“CDIO”工程理念為中心合理規劃實驗教學內容

化工原理實驗中具有代表性的實驗是精餾實驗，該單元操作中集中了流體力學、傳質、傳熱等重要知識點，由于實驗流程可以進行多目標組合，因而我們將該實驗項目作為以“CDIO”工程理念為中心來組織課程內容和課程教學，完成由綜合性實驗到設計性實驗再到研究性實驗（反應精餾）的拓展演變。實驗室現有四套精餾實驗裝置，其中三套為板式塔，一套為填料塔，實驗室備有乙醇和正丙醇兩種藥品，學生可以利用不同的實驗裝置，分別對乙醇-水、乙醇-正丙醇進行分離實驗。由于實驗流程可以實現多目標化，因此實驗中學生可以比較不同回流比、不同進料位置、不同進料狀態、不同加熱功率等操作條件對各塔分離效率的影響，并將全塔效率與單板效率進行比較。另外，還可以進行同一裝置不同物系分離的比較實驗以及同一物系不同裝置分離的比較實驗。對于傳統的單元操作實驗指導書提供的實驗方案往往比較單一，這大大局限了學生的思維模式。而在設計型實驗中，學生可以通過查閱文獻自主設計實驗方案，由于采用的實驗方法各不相同，因而在此實踐過程中不但要重溫已學過的知識而且還要依據出現的新問題擴充新的知識。例如對于進料位置、回流比、進料熱狀況、側線出料以及加熱功率等操作條件對精餾塔分離效率的影響，在傳統實驗中，對于每個操作條件的影響評價只在一個過程下進行驗證性實驗即可，設計性實驗中如果學生想綜合分析各因素對精餾塔分離效率的影響規律，從而得到最優工藝操作條件，就必須采用多因素化法對實驗過程進行對比分析，這樣就會出現課本上沒有遇到的新問題，需要查閱大量的資料幫助分析和解決問題。由此可見，該項目不但將化工原理某一單元操作的重要知識點貫穿在一起，而且通過查閱文獻，學生對原有知識進行了更新和擴充，在完成此設計實驗的基礎上，進一步與教師科研有機地結合在一起，參與到自主研究型實驗——甲醇和醋酸的酯化反應精餾過程，引導學生利用模擬計算的方法初步確定最佳回流比、合理的甲醇過量程度，并通過靈敏度分析得出靈敏板的大概位置并實施實驗操作，在這個訓練過程中實現“CDIO”基于項目的學習和教育理念，學生把基礎知識的獲取以及科研能力的培養完全融入到該項目的實施過程中。endprint

三、以“CDIO”工程理念為中心激發創新思維

為了進行精品課程建設，經過多年的努力，實驗室設計并加工了一系列配套優良的實驗裝置，同時依托學校引進人才的政策我們擁有了一支專業素養豐厚、教學質量優秀、具備團隊協作精神的教師隊伍。實驗指導教師不同于理論課教師，他們直接與學生面對面，學生在實驗過程中產生的新思路與新觀念可以直接與教師進行探討，因而需要指導教師在熟悉實驗內容的基礎上拓展知識體系，特別是對交叉學科以及專業研究的新動向要有所了解，只有不斷進取創新的教師，才能激發創新的教育思維。為了構建基于“CDIO”工程教育理念的實踐教學體系，我們對化工原理實驗進行了開放式教學[4]。原來實驗教學模式是四人一套裝置共同完成實驗內容，單獨整理實驗報告，現在我們改為二人一套裝置協同完成實驗內容，共同撰寫實驗報告。這種重組方式不僅避免了由于實驗參與人數過多而使個別學生在實驗過程中無法進行實際操作，只是站在一旁觀察的現象，還能夠充分調動兩個學生之間的合作精神與主動性?；ぴ韺嶒炐枰幚泶罅康膶嶒灁祿瑢W生共同編寫數據處理程序完成實驗報告，可以把更多的時間用于查閱文獻資料、鞏固專業知識、對實驗過程進行深入了解并培養創新思維上。另一方面，為了能夠綜合、全面地對學生的實踐能力做出正確評價，參照課程設計的方式以實驗研究報告的形式替代卷面考核，以隨機抽取實驗的方式對學生進行實驗技能考評，考察學生的工程實踐與設計能力，培養創新意識。

四、結語

選擇化工原理實驗課推行全新工程教育理念是因為這門課程具備極強的工程性和實踐性，并且還是化工類學生的主干課程。以多層次實驗教學平臺為依托，引入“CDIO”全新工程教育理念，在系統化基本理論教學的同時，全面實施學生對工程構思、設計、實施、運作等能力的培養，使學生初步具備解決分析工程實際操作問題的能力，不斷實踐和探索實驗教學環節改革，突破我校原有化工原理實驗教學模式，為卓越工程師培養計劃提供更好的實踐平臺。

參考文獻：

[1]陶勇芳，商存慧.CDIO大綱對高等工科教育創新的啟示[J].中國高教研究，2006，（11）：81-83.

[2]周錫堂，鄭秋霞，鄒綱明.化工原理實驗教學中的幾個問題[J].化工高等教育，2007，95（3）：45-47.

[3]張朝霞，吳杰穎，黃毅萍，等.研究型教學方法在化工原理課程中的應用[J].阜陽師范學院學報（自然版），2007，24（4）：84-86.

[4]李德瑩，田毅紅，等.化工原理開放性實驗模式的研究與實踐[J].廣東化工，2007，34（2）：83-84.endprint