新工科背景下化工原理課程設計教學改革

胡榕華 陳玉鳳 賓月景

(梧州學院 化學工程與資源再利用學院，廣西 梧州 543000)

當前我國正處在加快轉變經濟發展方式、推動產業轉型升級的關鍵時期，為進一步提升高等工程教育在新科技革命、新產業革命、新經濟背景下的服務支撐能力，教育部自2017年以來積極推動高校新工科教育。新工科的內涵可以概括為[1]：“以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才。”

化工類專業雖然是一個傳統的工科專業，但該專業也是與高新科技最密切相關的工科專業之一。新經濟形勢下化學工業轉型，實現化學工業集約發展、清潔發展、低碳發展、安全發展和可持續發展，迫切需要大批高素質的應用型、復合型新工科化工人才[2]。化工原理課程設計是化學工程與工藝、林產化工、制藥工程、資源循環科學與工程等化工類專業一門重要的專業核心實踐課程，是化工原理理論學習后的實踐課程，是綜合運用化工原理和有關先修課程知識完成化工單元操作設計的實訓課程[3]。通過課程設計，學生可以熟悉化工單元操作的基本原理，掌握典型化工單元操作的工藝設計計算。對學生進行設計技能的基本訓練，培養學生綜合運用所學的理論知識解決工程實際問題的能力，為后續的化工設備課程設計、化工設計課程設計、畢業設計等后續相關實踐環節打下基礎[4]。作為化工類專業一門重要的實踐課程，化工原理課程設計的課程建設對新經濟形勢下高素質應用型、復合型新工科化工人才培養的重要性不言而喻。對化工原理課程設計進行教學改革，提高課程教學質量，增強學生的工程應用能力，是我校主動適應新經濟發展和新工科建設背景下化工類專業應用型人才培養的必由之路。

1 化工原理課程設計傳統教學過程存在的問題

我校的化工原理課程設計從2011年開設，目前已面向林產化工、制藥工程、資源循環科學與工程等本科生開展了該門課程的實踐教學工作。

化工原理課程設計在傳統教學中主要存在以下問題：第一，化工原理理論課學時數較少，學生的理論基礎知識相對較薄弱。學生雖然進行了系統的理論學習，但對單元操作的基本原理、工藝設計計算、設備結構知識掌握不夠；第二，學生的工程觀念比較欠缺，科學觀不足，雖然在企業進行了課程實習，但對工程內容了解仍然較少，對工程項目設計知識的掌握還比較膚淺，創新意識不夠；第三，設計時間緊，任務重，學生查閱設計手冊的能力還不強，個別學生的學習積極性不高，作品完成質量不高；第四，青年教師缺乏化工設計經驗和工廠實踐經驗，對學生最終設計結果的可靠性和適用性難以做出正確判斷；第五，設計選題面窄，一般以換熱器或塔設備的工藝設計為題，驗證性設計題目多，與學生所實習的周邊化工企業現狀關聯較少，難以培養學生的綜合運用能力；第六，課程設計學時有限，教師指導學生人數過多，教師主要在課堂上講解一些單元操作的課本知識和課程設計要求，后續沒有更多的時間集中指導，難以對所有的學生進行有針對性的設計指導；第七，課程設計的考核簡單，多以設計說明書和圖紙作為評斷依據，沒有完全真實反映學生的設計能力，不能很好地培養學生的批判性思維和溝通交流能力。

2 教學改革的措施

針對目前化工原理課程設計傳統教學中所存在的問題，結合新工科背景下社會對化工類應用型人才的要求，以“實際應用，提升能力”為原則，我們對課程設計的教學目標、選題內容、教學方式、考核方式、教學平臺、教學團隊等方面進行教學改革。

2.1 教學目標的改革

我校是二本高校，學生的層次參差不齊，在化工原理課程設計教學中應根據學生自身素質、學習能力和未來的就業方向，確定分層次的教學目標。對于專業基礎較差、自我學習能力不強的學生，其教學目標是培養學生的獨立思考能力和基本的工程設計能力，掌握換熱器、離心泵、吸收塔的選型設計計算，學會編制設計說明書，并繪制規范的工藝流程圖；而對于那些專業基礎好、工程素質高以及日后可能從事化工生產、管理和開發設計工作的學生，其教學目標是熟練進行某一化工生產過程的流體輸送、過濾、傳熱、吸收等單元操作的綜合工藝計算和設備選型，鼓勵其采用現代設計軟件如CUP-TOWER、Aspen Plus進行設計，增強其學習的主動性，進一步樹立工程意識和安全、節能、環保、創新的理念，培養學生綜合運用所學的理論知識解決工程實際問題的能力。

2.2 選題內容的改革

化工原理課程設計是化工及相近專業學生在大學學習階段的第一門設計課程，學生沒有設計經驗。因此在開始進行課程設計時，應結合學生在化工原理課程所學習的單元操作理論基礎知識，選定與生產實際貼近的設計題目，并把控好設計的難度。根據多年的化工原理教學經驗，結合當前新冠疫情的防疫形勢，我們將化工原理課程設計的設計題目確定為“某化工產品的換熱器、離心泵、過濾機、吸收塔、風機選型計算”。該選題來自化工廠三氯異氰尿酸項目的生產實際(該產品是高效廣譜消毒劑，可用于新型冠狀病毒的消殺)，選題涉及該項目的氯化工序和過濾工序，設計內容包括多種單元操作在生產線的實際應用，難度適中，符合大部分學生實際掌握的理論知識水平和能力，在老師的指導下學生經過努力能順利完成設計任務。與國內部分高校的化工原理課程設計只進行某一單元操作的單項設計相比，本課程設計選題是運用化工原理各單元知識對一個產品的多個單元操作進行綜合設計，內容更全面，知識更與當前防疫抗疫實際緊密聯系，達到將各單元操作知識進行綜合運用訓練和解決實際問題的目的，學生進行課程設計的熱情和積極性更高。

2.3 教學方式的改革

2.3.1 合理安排課程設計的時間

我校化工原理課程開設在第3、4學期。第3學期，教學內容包括流體流動、流體輸送機械、沉降與過濾、傳熱；第4學期，教學內容包括吸收、蒸餾和干燥。根據學生學習的實際情況，化工原理課程設計開設在第4學期，課時數17學時。為了提高課程設計的質量，本課程安排在第6～9周，每周4～5節課。化工原理課程設計的教學進度安排如下：第6周，換熱器的設計，5學時；第7周，換熱器設計輔導，4學時；第8周，離心泵揚程計算及選型、管道阻力計算、轉鼓真空過濾機計算及選型，4學時；第9周，吸收塔的設計計算及風機的選型，4學時。

2.3.2 采用線上線下混合式教學指導方式

根據高校教學的特點和原則，并考慮到學生基礎知識的差異和課程教學內容的安排，總體上，化工原理課程設計的教學采用線上線下混合式的教學方式。通過線下引導和線上學習相結合的方式，落實以學生為中心，以教師為主導的教育理念。課前，要求學生線上自學，觀看雨課堂平臺上發布的課程設計任務書的講解視頻，并做完課前預習題；引導學生到中國大學慕課以及一些知名化工專業論壇查找更豐富的課程設計學習資源。這樣，教師可以在課堂中有更多的時間指導學生，從而有利于加快課程設計的進度，同時更好地培養學生學習的主動性。課間，采用在教室集中授課的方式，教師講解課程設計內容的難點、各單元知識的架構及其相互聯系，集中指導學生設計。檢查學生設計進度，解答學生課程設計中遇到的問題。在課堂教學中，注重啟發性引導，采用講授、提問、討論、演示和翻轉課堂等多種教學方法，給學生一定的自由空間，自主完成相關專業知識查閱。激勵學生對所學內容進行知識梳理、加工和思考，認識重要概念之間的相互聯系。鼓勵學生發表自己的觀點，針對所學內容進行批判性思考，并運用于實踐活動。課后，要求學生自行查閱設計手冊，繼續完成設計工作；設計中期要求學生在雨課堂平臺上傳設計初稿檢查設計情況，對發現的問題逐一解決。通過采取線上線下的混合式教學，有效地提高了課程設計的質量。

2.3.3 開展課程的思政教育

課程都有育人功能。開展課程的思政教育，把做人做事的基本道理，把社會主義核心價值觀的要求，把實現民族復興的理想和責任融入到課程教學中，從而貫徹落實高校新工科建設立德樹人的根本任務[5]。在上課時，教師把消毒產品質量對國家防疫的重要性、產品在生產過程中的安全性、三廢污染的危害性進行強調，讓學生明白設計是一項嚴肅的工作。有個別學生認為，上課可以不到機房教室，可以隨便遲到和早退，從而使設計進度緩慢，以致出現錯誤不能及時糾正。因此，我們結合課程的設計要求以及企業的崗位職責，對學生進行愛崗敬業的職業道德教育，加強培養學生良好的學習習慣、認真負責的工作態度和嚴謹細致的工作作風。同時，我們定期檢查設計進度和設計質量。在進行課程設計最終成績考核時，這部分的平時成績占到30%的比例，更好地調動了學生的積極性和主動性。

2.3.4 加強工程設計軟件在課程設計中的應用

隨著計算機技術的發展，工程軟件在現代化工設計中使用廣泛。鼓勵學生在課程設計中使用Excel、AutoCAD、CUP-TOWER等軟件，這樣學生在少課時情況下能達到較好的設計效果，提高課程設計的效率和質量[6-7]。例如，可以采用具有強大數據分析和處理能力的Excel軟件，減少學生在換熱器、吸收塔等設計時因取值不合適而進行重復計算的工作量；運用AutoCAD繪制規范、美觀的工藝流程圖，既能強化學生的計算機應用能力，又能提高學生的繪圖能力和工程意識；對于個別學習能力強的學生，增加塔附件阻力的計算，并應用CUP-TOWER軟件對塔設備進行水力學校核，更好地激發學生的學習興趣。鼓勵特別優秀的學生，自學化工設計常用的大型通用流程模擬軟件Aspen Plus，將其應用到換熱器、塔設備的設計中，激發學生學習現代設計軟件的熱情，為參加全國大學生化工設計競賽及畢業設計打下基礎。

2.4 考核方式的改革

化工原理課程設計采用過程考核辦法。總評成績由平時成績、設計作品及答辯3項內容構成，貫穿整個教學過程，總評滿分100，高于等于60為及格，低于60為不及格。不設期末考試，不設補考，總評成績不及格，直接列為重修科目。我們對每一部分考核內容規定了細化的評分標準：

2.4.1 平時成績(30分)

主要檢查學生平時的積極性和自主性，包括學生線上學習任務的完成10分，學生學習態度端正、遵守紀律10分，問題的提出和解決的方法10分。

2.4.2 設計說明書和工藝流程圖(50分)

主要檢查學生的設計作品。包括說明書格式、工藝設計計算和制圖三部分內容。

說明書格式(10分)：符合課程設計說明書的基本要求，語句通順、格式規范、圖表美觀、計算數據正確、單位完整正確。

工藝設計計算(30分)：根據規定任務和選定方案進行物料衡算、熱量衡算、主要設備工藝計算及選型等，其中換熱器計算10分，三鈉鹽離心泵、乙二醇離心泵、轉鼓真空過濾機計算10分，吸收塔計算10分。

制圖(10分)：工藝流程圖繪制正確，設備圖形、管道線條、箭頭大小及方向、文字大小等符合規定要求，圖紙完整、布局美觀。

2.4.3 答辯(20分)

檢查學生設計的獨立性和工作態度，要求學生通過PPT進行設計作品匯報與答辯。教師對設計作品進行提問和點評。答辯主要考察學生對所學設計知識的實際掌握程度，認識設計作品的錯誤及不足所在，從而獲得正確的設計方法，設計水平得到更好提升。這部分內容包括學生匯報10分和回答問題10分。

2.5 教學平臺的改革

為豐富教學內容和手段，促進教學資源共享和師生互動，增加學生的學習興趣，方便學生在線測試和討論，以及使教師及時掌握學生的學習情況，達到提高教學水平和教學質量的目的，本課程在雨課堂平臺上建設了線上教學資源。目前，雨課堂的線上教學資源包括10個課程教學視頻，每個視頻5～10分鐘，涵蓋了課程設計任務書的解讀、管道阻力計算、換熱器設計、離心泵揚程計算及選型、轉鼓真空過濾機計算及選型、吸收塔塔徑及填料高度計算等課程設計內容。另外，我們還將針對化工原理課程設計所涉及的單元操作的知識點設置100道練習題，用于學生自測，以便學生溫故知新。為了滿足學生自主學習需求，我們將在學堂在線平臺或校內平臺上建設化工原理課程設計的線上課程，為線上線下混合式一流本科課程建設做好積累和改進。

2.6 教學團隊的改革

化工原理課程設計水平與指導教師直接相關，教師的實踐教學能力是提高課程設計環節教學質量的關鍵。大部分年輕教師基本都是從高校畢業就到學校從事本科教育，沒有企業工作背景，工程實踐經驗不足，對工藝流程、設備結構、車間布置和管道布置等不熟悉。因此，年輕教師可以到企業進行掛職鍛煉，參加實習實踐基地建設及校企項目合作，解決實際工程問題和企業關心的實際問題。另外，我們可以從企業中選派具有工程設計經驗的工程師或優秀校友作為兼職教師，共同開展課程設計，不斷提升教師隊伍的指導水平。

3 結語

針對化工原理課程設計的教學現狀，以“實際應用，提升能力”為原則，我們進行新工科背景下化工原理課程設計實踐課程的教學改革。課程設計選題來源于工程實際，教學中實施分層次的教學目標，開展專業課程思政教育，采用線上線下混合式教學，建立“平時成績+設計作品+答辯”的過程性考核方式。通過以上的教學改革，更好地提升了學生的設計水平，提高了學生的工程實踐能力和創新能力，進一步滿足社會對應用型人才的需求。