新工科背景下化工專業工程實踐教學模式探索*

張 偉，張亞昆，原平方，陳可可，賈若凌

(新鄉學院化學化工學院，河南 新鄉 453003)

2019年4月29日，教育部、中央政法委等13個部門在天津聯合召開“六卓越一拔尖”計劃2.0啟動大會，推動全面實施“六卓越一拔尖”計劃2.0，發展新工科、新醫科、新農科、新文科，拉開了全國高校“質量革命”的序幕。這是自2017年，教育部形成“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，發布《關于開展新工科研究與實踐的通知》、《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》之后，積極推進新工科建設的又一重要有力舉措[1]。

化工產業為“國之重器”。近年來，我國化學工業發展成就顯著，化工高等教育也取得了蓬勃發展，專業辦學點達到了383個，在校學生13萬余人。但目前中國化工高等教育普遍存在學生工程實踐能力不足、團隊精神訓練不夠、創新創業能力偏弱等問題，化工高等教育改革發展、提高質量迫在眉睫[2]。實踐教學是培養學生工程能力、工程素養、創新能力、團隊精神的有效途徑，因此探索并實踐新工科背景下化學工程與工藝專業工程實踐教學模式，構建與國際工程教育相接軌的化學工程與工藝專業的實踐教學體系，使本專業學生更好地適應新時代經濟發展和全球化的需求具有重要的意義和價值[3]。

新鄉學院化學工程與工藝專業是我校第1批升本的專業，通過12年的建設與發展，逐步形成了自己的辦學特色和優勢，2010年該專業被評為“河南省高等學校特色專業建設點”，2012年確立為“河南省高等學校專業綜合改革試點”；2013年化工實驗教學中心被評為“河南省高等學校實驗教學示范中心建設單位”；結合特色專業建設和實驗教學示范中心建設工作中的思考，我們認為化學工程與工業專業的培養應特別突出該專業工程能力和工程素養的培養，凸顯人才培養的“實踐性”，為此我們在國家教育部提出的新工科背景下，對化學工程與工藝專業工程實踐教學模式進行了探索與實踐。

1 構建內容完整、系統化的實踐課程教學體系

全面修訂2016級化學工程與工藝專業人才培養方案，構建了由“實驗+實訓+實習”三位一體的實踐教學體系。實踐教學的開展通過3條主線，即實驗、實訓、實習來安排一系列的培養環節，完成學生由認知性訓練到基本技能、專業綜合能力、工程實踐能力，最終創新能力訓練的階梯化成長，使學生實踐能力逐級提高，實現培養目標的要求[4]。新的實踐課程體系共計31學分，與原來相比，增加了實訓環節，包括化工單元操作仿真實訓、化工工藝過程仿真實訓、化工裝備基礎拓展實訓、新型膜材料制備工藝實訓，使學生在學習過相關的課程之后，可以馬上在實驗室進行相關的設備拆裝和工藝操作訓練，有效的鞏固了所學的專業知識，提高了動手能力，達到《化學工程與工藝專業教學質量國家標準》和《工程教育專業認證標準》中的要求。

表1 實踐教學體系課程及學分

新的實踐課程體系還對實習環節進行全面調整，形成了四年不間斷的連續性實習。大一開展認知見習，使學生了解化學化工基礎知識與化工工程實際的聯系，提高職業感性認識；大二開展金工實習與化工單元操作認知實習，樹立學生工程意識，為核心課程《化工原理》的學習打下牢固基礎；大三開展課程認識實習，使學生了解化工生產過程，認識不同反應器、化工裝置，為后續反應工程、化工機械設備基礎、化工儀表等專業課程的學習打下基礎；大四生產實習，屬于綜合實習，通過對企業文化、工藝路線、化工典型設備的全面學習，培養學生知識綜合運用能力，分析和解決實際工程問題能力和創新能力，增強學生的事業心和責任感，為畢業后與社會需要接軌奠定堅實的實踐基礎。通過不間斷、由體驗到實踐到全程參與的循序漸進的實習，逐漸培養學生的動手能力、樹立學生的工程意識，進行職業崗位能力培養。通過實習環節，借助地方企業平臺，有機地將教學內容和地方經濟相銜接，使學生看到了“真刀真槍”，實現教學內容與就業的無縫對接，有效提高了學生的工程實踐能力，實現真正意義的校企合作教育。

2 改革專業實驗教學模式

2.1 整合實驗內容

打破原有實驗順序和內容，對原開設的實驗進行梳理，停開質量不高的實驗，保留必要的基礎實驗，按照“分階段、分層次、模塊化”的思路，遵循由淺入深、由簡單單一實驗到復雜綜合實驗順序、建立由基礎性實驗、綜合性設計性實驗、綜合創新性實驗構成的專業實驗教學體系。

綜合設計性實驗是綜合利用所學基礎知識，自行進行實驗設計，測定某些生產參數或者確定生產條件的實驗。例如，將原有精餾實驗裝置進行改進，將簡單的測定板效率的實驗改為設計型實驗，學生分別測定不同進料溫度、不同進料位置、不同進料組成、不同回流比、不同進料流量的板效率及靈敏板位置，最后通過分析得出最佳生產工藝條件，并可以通過正交分析法分析不同因素對板效率及靈敏板位置的影響。設計性實驗的開展能充分發揮學生學習的主觀能動性，使學生將所學知識活學活用，從而對原有理論知識有了更為深刻的理解，對生產實際問題有了一定的認識，有利于提高學生解決工程實際問題的能力。

綜合創新性實驗是基礎實驗和專業實驗的進階版，例如原來單一的結晶實驗，將其和基礎實驗聯合起來開設阿司匹林生產綜合實驗。學生以水楊酸為原料，通過酰化、酰洗離心、水洗離心、氣流干燥、旋風分離、壓片一系列工藝流程，最終得到阿司匹林片劑成品。其中涉及到的單元操作有：酰化反應、攪拌、冷凍結晶、離心、干燥、過濾等。最后學生實驗報告中要提交根據小型綜合實驗設計的阿司匹林物料流程圖、帶控制點工藝流程圖、對生產過程中條件控制的分析及經濟分析。這樣的專業實驗改革突破熱力學、傳遞過程、反應工程、分離工程、化工工藝等模塊的限制，通過融會貫通、綜合運用基礎課和專業課的理論知識以及實驗理論及實驗技能，實現了按照“產品”理念系統安排實驗項目。實驗不僅需要完成“原料→反應→分離→產品分析測試”的實驗過程，還要求學生結合化工過程開發與設計，完成從市場調研確定工藝路線到化工過程放大、過程節能降耗、環境保護及技術經濟評價等環節的報告，讓學生了解化工產品的整個開發過程[5]。通過這樣的綜合實驗改革，使學生對化工原理、化工制圖、反應工程、儀表自動化等課程的內容加以更深程度的理解和融合，提高學生的綜合創新能力，既總結和鞏固前期實驗教學成果，又鍛煉了學生綜合實驗能力和運用實驗解決工程實際問題的能力。

以上進行專業實驗內容的改革，符合學生的學習規律，能使學生主動把專業知識變成創新問題，帶著問題去學習，有效培養了學生的團隊合作和工程創新能力。

2.2 改變傳統實驗教學模式

傳統實驗教學主要是老師在實驗前到實驗室講解實驗目的、實驗原理及步驟，隨后學生即開始實驗操作，缺少有效的實驗課前預習。實驗前教師講的內容過多，時間過長，學生容易有倦怠感，且不利于學生自主學習能力的提高。實驗前教師講的內容過少，實驗原理不易講透，實驗儀器設備不易講清，實驗操作步驟不易講細，使得學生在實驗前理解不透，實驗過程是是而非，只能照方抓藥，完全處于一種被動接受的狀態。改變以上問題，我們嘗試進行實驗教學模式的改革。我們把整個實驗教學過程分為課前、課中、課后三階段。課前部分教師工作為：進行實驗教學分析與設計，利用大學MOOC、學習通等教學平臺，給學生推薦或制作合適的實驗預習慕課，制定好自主學習思考題目；學生任務為先通過學習通接到學習任務，觀看視頻或者PPT，達到線上課前測評要求的分數線(包括實驗安全、實驗理論、實驗操作等內容)。課中教師工作為進行實驗教學活動的組織、指導學生和解決學生問題、對學生實驗操作水平現場評分；學生任務為團隊進行分工、合作實驗操作、協作研究實驗問題等。課后，教師工作為評判實驗報告，對學生實驗成績做出綜合評價和反饋，要求不能簡單的只打對錯和成績，必須將問題明確指出；學生任務為對實驗結果進行整理和分析，總結實驗問題，按照實驗要求提交實驗報告或者小組匯報，對教師實驗報告中提出的問題和錯誤進行整理，即“事事有回音”。

在實驗預習環節，學生通過使用化工專業實驗三維虛擬現實仿真系統，在實驗前可以模擬實驗過程，包括實驗目的、實驗原理和流程、仿真實驗操作，系統可評價和分析學生的操作質量，安全測試需達到100分，模擬測驗需達到80分以上方可進入實驗室進行實驗，達到了良好的預習效果。對一些具有代表性的實驗設備我們研制了虛擬拆裝系統，具有真實的3D效果，學生可以利用電腦、手機APP客戶端進行實驗設備的結構、功能、原理的學習，并可虛擬拆裝和在線測驗，極大提高了指導信息量，改善了教學效果。

通過實驗教學模式的改革和實踐，我們發現學生實驗前“忙”了起來，實驗中“動”了起來，實驗后匯報“活”了起來，學生的學習效率提高了，學習效果變好了，發現問題、分析問題、解決問題的能力增強了，自主學習能力提高了。

2.3 實驗考核方式的調整

原有實驗課程的考核評價只是在期末，教師根據實驗預習、實驗報告、考勤情況，綜合給學生一個分數。這種評價方式忽視了對學生實驗過程的考察，只是完全站在教師的角度，給學生一個最終的結果，學生并不知道自己實驗過程到底做得如何，以及實驗中存在的問題等[6]。因此，此種評價方式缺乏過程性評價，不利于學生綜合能力的提升。

我們將實驗考核改為平時成績和實驗報告考核相結合的方式，重視過程性評價，平時成績占總成績的60%，實驗報告考核占40%。平時成績又包括實驗預習、實驗衛生、實驗操作，以實驗操作為主，占平時成績的60%。預習以實驗仿真成績直接給出(題目包括實驗原理、實驗操作、實驗安全等多個方面，每位學生隨機給題)，以此來使學生養成良好的預習習慣，進入實驗室后實驗不盲目；實驗衛生主要考察學生實驗前、后，實驗過程中的儀器、設備擺放、衛生情況及廢液回收等，此項評價是實驗改革后新增加的項目，以此來培養學生在實驗過程中養成清潔實驗、綠色實驗和保護環境的意識；實驗操作主要考察學生操作的規范性、小組的團隊配合情況、記錄數據的規范性及正確性等，以此來培養學生的團隊協作能力、設備操作能力。各環節均制定了詳細的考核評分細則，發放給學生，使學生對實驗的過程有標準、有參照，使學生逐漸自覺養成對實驗課程重視的習慣，真正體驗并理解到實驗教學培養實踐能力的重要性，由“要我學”變成“我要學”。

實驗報告的考核分為兩類：一類是有數據處理的實驗，要求每位學生處理不同的一組數據，最后小組進行匯總，完成實驗報告，避免傳統實驗報告同組同學互相抄襲的情況，教師根據學生提交實驗報告的質量給出實驗報告成績，實驗報告的質量包括實驗原理的正確性、實驗數據處理質量和分析討論等；另一類是采取以小論文代替實驗報告的方式，對實驗過程寫出自己的認識和分析，并進行小組匯報，通過自評互評師評等不記名打分模式給出成績，有效避免借用他人實驗數據，炮制實驗報告等現象，真正培養學生查閱文獻、撰寫科技論文和實事求是的科學態度。考核方式的改革使指導教師對學生實驗的考核貫穿于實驗的整個過程，全方位考察學生運用知識解決問題能力，有效促進了學習方式的多樣化，促使學生自發改變學習態度。

3 構建全方位的實習實訓基地

實習是高等工科院校實踐教學中的重要環節，但目前的實習大多存在基地較單一、時間較短的問題，工廠常常基于生產安全、學生人身安全和保密等因素的考慮，不允許學生對生產裝置進行實際操作，難以保證實習的質量和效果。為此，我們嘗試建立校外化工企業與校內仿真工廠聯合實習實訓基地，實現校內校外雙翼并舉的實習方式。

首先學生通過企業的實習，深入理解化工企業的文化，創業、發展與壯大歷史，接受創業教育；系統了解化工企業的生產流程、各化工單元設備與裝置的特點、化工園區的科學規劃等，接受專業教育、就業教育、生態教育。

同時結合新鄉市化工、新能源、醫藥等產業的地方經濟特色，以區域經濟社會和就業需求為導向，加強產學研結合，加強與企業的聯系和合作。與河南心連心化肥有限公司、河南晉開化工有限公司、杭州言實科技有限公司等地方企業建立聯合虛擬仿真實驗室，將企業實際操作技術轉變成仿真實驗教學內容，有機地將兩者相銜接、融會貫通，為學生就業、創業構筑了實踐平臺。通過校內仿真工廠實習，學生在基地進行計算機模擬，熟悉工廠環境和工藝流程，調節流量、壓力、溫度等操作參數，判別生產問題并提出相應解決方案，加深對生產過程的理解和認識，從安全培訓，到上崗考核，再到實際操作等學生都可以自己動手嘗試，身臨其境，實現與就業的無縫對接。此外，學生還可模擬生產情景，根據扮演的角色不同，進行協同合作，共同完成生產操作，學習事故處理方法，極大地提高了他們的學習積極性，從而提升了學生的創新能力。

工程實踐教育是工程教育改革中的重要環節，面對化工新技術、新產業、新業態和新模式為特征的新經濟，構建與之相匹配的實踐平臺和實踐體系是新工科賦予的重要任務，是化工高等教育“質量”革命的必由之路，也是未來化工專業教育改革努力的方向。