化工原理教學、實踐及競賽三位一體課程體系初探

許 晶 欒敏杰 孫佰賀 喬春玉 劉麗麗 朱傳勇

(黑龍江工程學院 材料與化工學院，黑龍江 哈爾濱 150008)

化工原理課程是化工及相近專業的專業基礎課，通過課程學習，培養學生掌握化工主要單元操作的基本原理，具有比較、選用和計算化工過程及設備的基本能力；培養學生嚴謹的科學態度及分析問題、解決問題的能力，為進一步學習專業課程及從事工程實踐奠定必要的理論基礎[1]。在培養應用型人才解決復雜化學工程實踐能力的過程中存在著從理論知識到工程運用之間的壁壘，而化工原理課程設計就是攻克它的利器。化工原理課程設計是綜合化工原理、化工設備、化工制圖、化工儀表及自動化、計算機應用、文獻檢索等專業基礎課進行的設計實踐環節，是綜合運用化工原理理論分析和設計化工生產中各種物理過程的實踐性課程[2]，是化工及化學類專業綜合應用型人才的重要知識儲備。

全國大學生化工設計競賽由中國化工教育協會、中國化工學會、教育部高等學校化工類專業教學指導委員會主辦的面向全國高等院校學生的專業競賽，也是國內化工類級別最高、規模最大、參賽隊伍最多、影響最大的比賽[3]。這個比賽以當下科技和生產為背景，多方面培養大學生的創新思維和工程技能，培養團隊協作精神，增強大學生的工程設計與實踐能力。

應用型本科人才培養的能力內涵十分豐富，包括分析解決問題的能力、信息獲取能力、團隊合作能力、創新創業能力等，各種能力的發展也并非單一培養途徑能夠實現的，而教學、實踐和競賽培養的能力既有交集又互為補充。本文以黑龍江工程學院材料化學專業為例，結合非化工專業的特點，以競賽為依托，對化工原理理論課程及化工原理課程設計實踐課程進行一體化、綜合化教學改革，對構建教學、實踐和競賽三位一體的協調課程體系進行了初級探索。

1 化工原理課程體系教學中普遍存在的問題

化工原理及化工原理課程設計具有實踐性強、涉及知識面廣、設計規范繁多、化工過程復雜等特點，對于非化工專業的學生，不僅缺少化工設備、化工制圖等相關專業課程的學習與訓練，真正動手做計算、做設計時更是一頭霧水。目前很多應用型本科院校尤其是非化工專業在化工原理課程體系教學中或多或少存在一些共性問題。

1.1 題目陳舊、設計過程固化

化工原理課程設計是一門已經開設多年的經典實踐類課程，很多院校存在著設計題目多年沿用，設計內容與工程實際脫節，設計過程固化，學生在設計過程中只要按照往屆的模式套用新數據計算即能基本完成，學生缺乏學習興趣與動力，設計質量難以達到應用型人才培養的需求。

1.2 理論與實踐脫節

化工原理課程設計是一門綜合實踐性課程，要求學生能夠將物理化學、數學等工科基礎知識與化工原理等專業基礎知識融會貫通并綜合運用。僅僅通過少學時化工原理課程的理論教學很難讓非化工專業學生理解與掌握化工設計基本知識，學生又缺乏在工廠身臨其境的直觀、感性認識，無法有效培養其對化工基礎知識的綜合運用能力及工程實踐能力。而很多非化工專業的學生往往就業崗位又或多或少與化學工程聯系緊密，需要學生具備解決復雜化學工程的能力，以我校非化工專業的材料化學專業為例，每年均有接近20%比例的學生的就業崗位是與化學工程密切相關，因而提升化工原理及課程設計的教學質量對于應用型人才培養具有重要意義。

1.3 軟件教學缺失

化工設計過程中會用到很多專業軟件如Auto-CAD工程制圖軟件、Aspen Plus流程模擬軟件等，但很多院校計算機輔助課程開設不夠或學時有限，學生軟件應用能力無法支撐化工設計的實際需要。

1.4 考核方式固化

化工原理及化工設計課程具有很強的實踐性，根據學科特點，很多院校已經在做考核方式多元化的嘗試與改進，比如平時成績的細化，總評成績的多元化構成等。但單單從考試及分數上的評價與激勵，很難真正調動學生學習的主觀能動性，很難高效激發學生學習的欲望與能效性。

2 教學、實踐和競賽三位一體的協調課程體系

傳統的“灌輸式”教學能高效的傳遞固有知識，縮短新信息的記憶時間，在陳述性知識的傳遞方面可以起到積極作用[4]。但缺點在于學生處于被動接受狀態，缺乏自主性，不利于自學能力和創新能力的培養，易使學生產生依賴性，不利于學生終身學習能力的培養，而學科競賽的出現為“灌輸式”教學提供了有效的補充和改進。以全國大學生化工設計競賽為切入點，把應知知識的學習和應會技能的訓練都結合到實施設計項目的具體過程中，學生在教師引導下的自主學習成為主要學習手段，促進學生的自學能力、獨立工作能力和團隊協作能力的共同發展，貫徹應用型人才培養的教學理念。

2.1 以競賽題目指引課程設計題目

全國大學生化工設計競賽聚焦化工行業、企業需求和未來發展，在重視專業知識及多學科知識的基礎上，更強調化工人才培養的責任意識和非技術性指標的要求[5]。每年化工設計競賽的題目都圍繞著我國化工行業發展進程中的重大需求設定，要求參賽者綜合運用所學的化學工程專業知識和先進技術，探討適合我國國情的解決方案。以2020年的競賽題目為例，為某大型化工企業設計一座分廠，以碳五烷烴為原料制備非燃料用途的化工產品。相對該領域的現有生產技術，要求技術提升達到《中國制造2025》中提出的綠色發展2025年指標。近年來中國煉化一體化和煤(甲醇)制烯烴技術快速發展，乙烯產能持續擴大，生產過程中產生的碳五餾分隨之迅猛增長，已經成為乙烯工業不可忽視的伴生資源。利用碳五餾分中不同組分生產精細化、多元化、高端化的化工產品，開拓產品應用領域，實現碳五資源的高值綜合利用是提高乙烯工業核心競爭力的重要途徑。與此同時，中國大力推廣發展清潔能源汽車，車用燃料油需求增量將大幅減少，使得碳五烷烴資源的能源化利用途徑趨向收縮。在上述背景下，如何有效利用數量可觀的碳五烷烴資源生產既有使用價值又有市場需求量的下游產品，是化工科技界面臨的一項具有挑戰性的任務[6]。該設計題目既與實際化工生產接軌又保持了行業的先進性，更適應國情與民生，又培養了學生的社會責任感和歷史擔當。這樣的競賽題目作為化工原理課程設計的題目不僅完全契合應用型人才培養方案的要求，更把思政教育也潤物細無聲地有機融入到了專業教育中，又賦予時代性與挑戰性，充分激發了學生學習的熱情，提升學習動力。以我校非化工專業的材料化學專業為例，受少學時的限制，但考慮到專業培養目標的達成及學生就業崗位的技術需求，近五年的化工原理課程設計題目都是選定當年的化工設計競賽題目中的某個代表性工段，組織學生進行課程設計，整個設計流程中，學生無法在“承襲”的往屆模板上格式化套用，只能與時俱進的從查詢資料走起，又按部就班的選定路線、運算校核，學生設計興趣濃厚，動力十足，教學效果顯著提高。

2.2 教學、實踐和競賽的有機相融

將學科競賽有機地融入到化工原理理論課程的講授過程中，能夠為學生提供一個運用理論知識解決實際復雜工程問題的實踐平臺，且在不同的教學階段采用適當的教學方法，可以真正做到以賽促教，以賽促學。我們在講授換熱器及精餾塔時，采用觀摩教學法，將競賽中的優秀案例進行回放觀摩講解，對比其優勢與不足，學生既有經典案例的學習研討，又增強了學習的信心與動力，為日后積極參加學科大賽打下良好的基礎。教師亦可結合歷年指導學生參賽經驗及評審經驗，隨堂引入競賽中的相關設計項目，尤其是引入一些反向案例，使學生更加清楚地了解如果設計失誤或者參數選擇或設定的不正確所造成的后果，通過這種反向教學的方式使學生更深刻地理解化工設計的精髓。

化工原理課程設計是專業基礎知識的實踐應用環節，構建實踐、競賽協調課程體系具體實施過程為：①專題研討階段。在布置設計任務前，我們篩選歷年化工設計競賽獲獎的優秀作品，組織學生進行專題性的研討，并針對課程設計要求完成的部分做深入的剖析與討論，使學生明確成品文件的撰寫方式與系列圖冊的繪制方法。通過案例式與討論式相結合的教學模式，培養學生工程意識、創新意識及工程設計能力。②綜合實訓階段。在訓練過程中，教師參照化工設計大賽的經驗將學生按5人為一個團隊分成若干設計互助小組，組內成員分工明確：分別負責講解設計標準、規范；軟件使用方法；制圖過程；流程計算方法；典型設備選型。每一教學階段完成的設計內容在組內及各組間進行交流討論，課程結束時，抽出幾組專門就流程設計，設備選型，標準、規范查閱，軟件使用四方面以PPT形式做分項介紹，并由學生自由研討，教師做總結性、針對性的答疑、點評。通過將教學、實踐和競賽的有機相融，構建一體化的教學體系，運用多種教學方法實施理論、實踐教學，培養了學生分析解決問題的能力、信息獲取能力、團隊合作能力及創新能力。從2014年開始探索以賽促教的一體化化工原理課程體系構建以來，我校非化工專業的學生參加全國大學生化工設計競賽，競賽成績亦實現了從參與性參賽到榮獲省賽一等獎，地區賽一等獎的跨越，教學改革成果顯著。

2.3 考核方式立體化、具象化

全國化工設計大賽始辦于2007年，歷經13年的發展，已經建立起一套完善、具體、合理的評分細則。學生提交的設計說明書、圖紙的評分標準可以參照化工大賽的評分細則，這樣既有效避免了因教師工程實踐經驗不足或者觀點不一導致的成績評定主觀性因素的不良影響，又可以幫助學生明晰工程圖紙、設計說明書等的具體繪制、書寫規范，更有利于學生在設計過程中及時自檢、自評。課程設計過程中在專題研討和綜合實訓階段針對學生的出勤、互動、研討、團隊協作情況都會給予一個階段性的平時成績。課程設計總評成績分布為: 圖紙及設計說明書(占總評成績40%)，Auto-CAD等軟件應用(占總評成績30%)，答辯及PPT制作(占總評成績10%)，平時成績(占總評成績20%)。考核方式的立體化、具象化有助于客觀、公正、具象化的評價學生的學習效果，并能及時給予教學上的修正與指引，也能全程化的有效監督、促進學生的學習與綜合能力的提升。另外，對于課程設計中綜合素質與能力優秀的團隊或個人，在后續參加全國大學生化工設計競賽的校內選拔上，我們會給予適當加分或優先權，這也在一定程度上激勵了學生學習的動力與能效性，達到以賽促學的目的。

3 結語

以學科競賽為依托，構建教學、實踐和競賽三位一體的協調課程體系，把應知知識的學習和應會技能的訓練都結合到理論講授及課程設計實施項目的具體過程中，開展化工原理課程體系改革，全面提升了化工原理課程的教學效果。將競賽的工程理念和內容有機融入到專業課程的教學體系中，對于培養應用型非化工專業學生運用多學科交叉知識去分析和解決復雜化學工程問題的能力、工程實踐能力、創新能力具有重要現實意義。