基于工程認證的化工原理教學改革與實踐

曾嶸，任玉，楊世芳，劉建文，王凱，黨雪平

湖北大學化學化工學院，武漢 430062

“工程認證”也稱為工程教育認證，它起源并發展于美國，是指專業認證機構針對普通高等學校所開設的工程類專業教育所實施的專門性認證。由于工程認證是培養新一代的國際化應用人才的標準與保障，因而備受國內外的高等教育界的重視。開展工程認證是我國提高工程教育質量的重大舉措，是實現工程教育和工程師資格國際互相認可的重要保障措施[1]。通過開展工程認證，可以推動我國工程教育改革，提高工程教育質量，增強工程教育人才培養對產業發展的適應性，為我國結構轉型培養優秀的工程技術人才[2]。

隨著中國經濟的不斷發展，全球經濟化是大勢所趨，在新經濟的時代背景下，各行各業對人才的需求量迅速增長。但是，我國每年培養的工程型人才的數量遠不能滿足社會日益增長的需求。因此，工程認證不僅是工程教育改革的必然趨勢和內在要求，也是各高校促進專業建設、提高人才培養質量的契機。在工程認證體系中貫穿著一個中心理念，即：以目標為導向、以學生為中心、注重持續改進，這也是各大高校在工科專業教育中所必須遵守的指導思想和原則。就化學工程領域來說，化工原理是化工學科體系中的核心課程，是一門從自然學科到工程學科的過渡學科，它對培養新經濟形式下的工程型人才，具有重要的意義。現今人與社會的關聯越來越緊密，由于在工程技術領域所遇到的工程問題越來越復雜，解決這些問題需要更高層次的人才，因而對人才的要求也隨之提高，以往的課程教育體系已無法滿足當前工程認證的標準和要求。

目前，高校的化工原理課程教學主要存在以下三個方面的問題：(1) 理論教學方面：教材內容體系不夠完善，授課時長不足；教師教學方法過于單一，師生溝通不夠；學生的依賴性強、自控力差；課堂紀律懶散、態度不端正；課程反饋不真實，考核體系有待提高。(2) 實驗教學方面：師資力量不足，軟件跟不上；實驗教學體系不夠完善；教學涉及到的實驗種類偏少，缺乏層次；實驗排課不合理；實驗報告抄襲嚴重，成績評定缺乏公平性。(3) 其他因素：學生工程意識、安全意識缺乏，創新能力不足。上述這些問題的存在導致了學生對理論知識的理解較模糊，綜合運用能力較差。另外，學生在實驗過程中缺乏獨立的思考、探索和實踐，非常依賴教師。學生的動手能力和創新能力得不到鍛煉和提高，無法滿足當前工程認證的要求。

化工原理課程教學是化工人才培養的重要環節，對課程進行改革是滿足工程認證要求的必要途徑，只有通過教學改革才能更好地培養符合國際要求的應用型人才。本文針對在化工原理教學中存在的問題，分別從理論教學、實驗教學和工程意識培養三個方面提出了教學改革的措施。

1 化工原理理論教學的改革

1.1 設立網絡教學平臺

針對教材內容體系不夠完善，授課時長不足，以及學生的依賴性強、自控力差的問題，可設立網絡教學平臺來輔助師生。教師在平臺上傳每個章節的課件、視頻和相關的動畫演示。視與聽相結合的視聽教學給學生帶來不一樣的體驗，能夠提高學習的效率[3]。

課前，教師可使用網絡教學平臺要求學生進行預習，并提供不同特點的短視頻供學生選擇，視頻內容以碎片化的知識點為主。學生在每部分可選擇一個視頻，簡單了解每部分需要掌握的知識重難點，看完后完成相應的思考題，如：質點的含義是什么？粘性的物理本質是什么？通過這種方式讓學生對要上的課程有一定的理解，明確心中的疑問并激發學習興趣。課上，教師選擇重點章節進行細講，通過引進先進設備，如交互平板，教師可以直接在PPT的界面上對重點內容進行標記，課后將有筆記的PPT上傳到平臺，方便學生理解公式和查看課堂重點。部分不作為重點的教學內容，教師可要求學生在網絡平臺了解學習，以此彌補授課時長不足的問題。同時，教師還可通過網絡平臺及時了解學生的學習狀況，達到監督的效果，課堂上再進行點評。課后，學生可以利用平臺進行復習、記筆記等。除此之外，在平臺里可以設置討論組，交流學習經驗，方便師生進行溝通，及時解決學生學習上的疑惑。教師還可以在平臺里布置作業，設置一些選擇與判斷對錯題，讓學生直接在上面進行提交。通過平臺記錄學生答題的正確率，方便教師了解學生的學習效果，及時答疑解難，應用題和計算題則還是寫在紙上然后統一收。

1.2 豐富教學手段

傳統教學中教師的教學方法過于單一，師生溝通不夠；部分學生的學習態度不端正、課堂紀律懶散。筆者通過引入案例教學、動畫教學和思維導圖等多種教學手段以改變上述狀況。豐富的教學手段可以激發學生的學習興趣，端正其學習態度，使學生能更好地接受新知識。

引入案例教學：選擇合適的案例，或從工程案例中提煉出實際問題，在課堂上以學生為中心，引導學生學習探索，加強互動，有問有答。將工程中遇到的實際問題引入到課堂上，通過這個方法可以讓學生了解學習化工單元操作的目的與意義，并引導其思考及內化知識。教師要選擇與課本內容密切相關的例子，如：第一章的流體流動中涉及管路的計算，在開始授課的時候，就可以提出如何設計一個運輸管道，要考慮到哪些參數？在第三章的干燥章節開篇時，可以先引出干燥的含義，再向學生提出問題，比如干燥有哪些常用的方法？在第四章傳熱章節開篇時，先提出熱的傳播有哪三種途徑？再引入保溫杯的例子，保溫杯的保溫原理是什么？利用和防止傳熱的例子還有哪些？通過選擇合適的生活和工程實際案例能夠活躍課堂氣氛，使學生可以很好地接受知識，將其帶入學習的氛圍中，對新知識充滿好奇。

引入動畫教學：在課堂中加入化工設備的動畫演示，可以讓學生直觀地觀察設備運行時的整個過程。在了解設備的結構和工作原理之后，學生通過觀看動畫帶給他們視覺上的沖擊，可增加課程的趣味性，提高學生的學習興趣，不再死板地記憶相關的概念和知識點。圖1為U型換熱器的動畫演示圖，再現了U型換熱器的運行過程。

圖1 U型換熱器的動畫演示圖

引入思維導圖：思維導圖將文字和圖片結合起來，由一個中心關鍵點引發出次關鍵點，次關鍵點再引發其他的關鍵點，由此形成一個大的知識網，將難以理解的抽象概念轉為直觀的圖文[4]。這樣學生可以直觀地看到每個知識點之間的聯系，可以通過右腦活動去激活左腦去讀取相關知識[5]。每個人對知識的理解不同，書本的內容都是統一的，卻無法消除學生間的差異性。通過讓學生自己學做思維導圖，讓他們根據自己的理解去領悟知識，將零散的知識點有機地結合起來，同時培養了他們自身的概括能力與發散性思維，并且方便后期復習的時候更全面地把握知識結構和思考問題。思維導圖可以手繪或者使用軟件繪制，本文中的思維導圖是采用 WPS來繪制的。圖 2為流體流動的思維導圖，由第一章的流體流動引發出7個子標題，再分別列出各個部分的重點。

圖2 流體流動的思維導圖

1.3 完善考核體系

傳統的理論課程考核，無法科學地評判學生的理論學習效果以及知識的內化程度。以學生為中心，建立符合工程認證標準的考核體系，改變傳統的課程考核方式，就是要使學生重點關注學習的過程而不只是考試的結果。期末成績的比重過大會造成學生臨時抱佛腳的現象，通過考前突擊、背公式記筆記來應付考試。為了避免這一現象的發生，讓學生能夠踏實、認真地對待化工原理課程的學習，需要對課程的考核體系進行相應的調整。我們將該課程的理論總成績評定分為三個部分：平臺成績、平時成績和期末成績。

表1為化工原理成績考核的分值計算圖，圖中所示的考核方式較為全面，包括了線上考核和線下考核兩大部分，然后按每項得分的百分比計算出總成績。這樣就迫使學生不再只專注于考試本身，而是更注重課程的學習過程，同時加強對理論知識的學習及內化，這無疑也是對學習不自覺學生的一個約束與指引。

表1 化工原理成績考核的分值計算表

2 化工原理實驗教學的改革

2.1 改善教學條件

師資力量不足、軟件跟不上是個比較嚴重的問題，與學生的學習關系密切，因此對教學條件的改善尤為關鍵。

要加大資金的投入，擴大實驗室的規模，同時做好實驗室的安全管理，保證儀器設備的質量，并定期進行安全檢查。將部分實驗室設立為開放實驗室，全天候開放，供學生隨時進行設計性的實驗，同時對他們進行相關的實驗室安全操作培訓。

加強師資建設，增加實驗指導教師的人數，將每組實驗學生人數控制在3–4人，讓學生與教師能夠更好地溝通，以便及時糾正錯誤。可組織帶實驗的教師到企業的生產車間進行實地考察、學習，提高其自身的實踐能力。同時“引進”一些有豐富實踐經驗的技術人員給學生講解工程實例，讓學生樹立工程意識和觀念。

實驗教學中運用多媒體技術和多功能軟件可以模擬實驗的操作過程，教學效果往往會事半功倍。引入仿真實驗，它可以直觀地展示所要操作設備的內部結構和操作流程，讓學生對實驗的原理與流程有一個比較完整的概念[6]。學生可以通過觀看仿真實驗的演示視頻來了解實驗的具體步驟，還可以自己學習用仿真實驗軟件來模擬現實的實驗操作，以此來加深對實驗的理解。此外，教師還可以通過動畫來演示操作不當帶來的結果，以此來警示學生并加深他們的印象。

2.2 改進教學體系

根據工程認證的要求，在化工原理實驗課程中綜合性設計實驗的安排不得少于一定比例。針對教學實驗涉及到的實驗種類偏少、缺乏層次的問題。需要在原來必做實驗的基礎上增加實驗種類，同時采用多層次教學，先從驗證性實驗到綜合性實驗，最后是設計性實驗，循序漸進，讓學生對化工原理的實驗從模糊到完整的轉變。以基礎實驗為切入點，增設如板式精餾塔的操作與回流比調節的實驗，在過濾實驗中應用正交試驗法和均勻設計法等綜合性實驗。實驗結束后給學生講解數據的處理方法，或者給他們提供一個數據處理的模板讓其自學。在設計性實驗中，教師應引導學生自己查閱資料、獨立地設計實驗的方案、科學預測并合理分析實驗的結果。

在實驗教學中，工程認證要求學生能夠正確地采集、整理數據，并將所學數學、自然科學和工程科學的基本原理有機聯系起來，對實驗結果進行關聯、分析、解釋并獲得合理有效的結論[2]。教師須將工程觀點融入到實驗教學中，在實驗開始前給學生布置一些思考題，現場驗證學生的預習成果。實驗過程中，引導學生注重實驗的每一步操作，要求記錄必要的操作步驟及實驗現象，學生完成實驗后詳細處理其數據，交由教師批改。教師及時查看實驗報告，尋找其中的錯誤，再讓學生回顧實驗操作和數據處理過程，引導其思考并改正錯誤。通過上述訓練能幫助學生提高分析問題、解決問題及數據處理的能力。實驗結束后，教師還可增加提問的環節，設置一些學生容易忽視但卻是實驗成功的關鍵問題。例如，在二氧化碳吸收實驗中，在開啟二氧化碳總閥門前，為什么要先關閉減壓閥？這樣既提高了學生的聽課效率，也可引起學生的思考。

2.3 完善考核體系

教師課后批改實驗報告時，常常發現部分學生抄襲嚴重，因此根據實驗報告來評定成績相對缺乏公平性。完善考核體系需要使其不僅能反映學生對這門課的掌握程度與學習能力，同時還能鞭策一些自我管理能力不佳的學生。我們將實驗成績評定分為：平時成績、設計性實驗成績、實驗報告成績和筆試成績。

其中平時成績分為課前預習、考勤、實驗操作的評分。為避免同組內學生實驗數據雷同的問題，教師在檢查他們的實驗數據時，要求每組內的學生采用不同的數據來進行處理和作圖，還要給出其數據處理過程的計算示例，以防止“同組同報告”的現象。圖3中列出了化工原理實驗成績中各項所占的比例。

圖3 化工原理實驗成績中各項的占比

一套完善的考核體系對于課程的學習能起到很好的督促作用，通過考核評分來培養學生的學習習慣，使他們更注重學習的過程而不是結果，由總成績也可以得到學生學習情況的反饋[7]。我們再根據學生成績的反饋結果適當地調整考核體系，不斷地完善考核方法，調整其中各項所占的比例。這是化工原理實驗教學改革中的一個重要環節，將有助于教學效果的提升，并對應用型人才培養起到積極的推進作用。

3 培養學生的工程意識

傳統的化工原理課程教學結束后，學生普遍缺乏工程意識、安全意識且創新能力不足，因而不能夠達到工程認證的要求。為改變此現象，可引入并學習OBE (outcome based education，成果導向教育)的教育理念，如設置化工設計大賽，開設講座等。

OBE是基于學生學習成果的教育模式，要學習OBE的教育理念，學校應該明確工程認證下培養人才的標準。要培養學生的工程意識，就要明確學生要學什么，為此應該如何去做。教師基于工程認證的要求提出對應的問題，在教學過程中有意識地引入相關的工程實例，讓學生帶著問題去學習，為尋求問題的答案而進行深入的探索，最后成功地解決教師所提出的工程問題。通過這一模式，讓學生潛移默化地具有工程意識，逐步學會將書本上的知識運用到工程實際中去。

每學年設置一次化工設計大賽，有興趣的學生可以組隊參加，每組4位學生配備一位教師帶隊比賽。學校與一些企業進行合作，選題可以來源于校企合作項目或是教師科研課題、挑戰杯等。教師與學生選好題之后，學生為主，教師為輔，根據設定的工藝條件和物性參數，運用Aspen plus流程模擬軟件建模、分析化工設備的操作狀況，并對整個工藝流程進行優化，以驗證設計方案的可行性。

還可以開設講座，邀請一些化工專家或技術人員來學校舉辦講座或對實驗項目進行指導。學院還可以設立公眾號，發布一些關于化工技術前沿方面的信息，或常見的工程問題的解決方案等。此外，在學生認知實習與生產實習期間，可以通過給他們做化工安全生產的相關知識培訓、適當地增加實習的時長，讓學生有機會深入現場了解化工生產的整個工藝流程，以及化工單元操作的實際運用，這樣才能真正地做到理論與實踐相結合。

以上這些措施都可以加強學生工程意識的培養，提高他們的團隊合作、管理能力，這也是工程認證所要求學生必備的能力。此外，學生有了工程意識后，會更積極主動地去學習化工專業的相關課程，并在書本之外儲備更多的專業知識與技能，更加符合工程認證的要求，成為專業型工程技術人才。

4 結語

化工原理是化工學科中一門重要的專業基礎課，它是連接化工類其他專業課程的紐帶，同時也是相關工科專業所必修的一門基礎課。化工原理課程內容豐富、涉及的知識面廣，學生要熟練掌握具有一定的難度，同時其解決工程實際問題的能力還有待提高。基于工程認證的要求，筆者提出了化工原理理論教學、實驗教學及學生工程意識培養三個方面的改革措施：豐富教學手段和改善教學條件來進一步提高該課程的教學效果；通過引入思維導圖，讓學生對零散的知識點有一個全面性的認識；以學生為主體進行教學，根據細分專業的不同，對化工原理課程內容進行適當精簡，選擇性地重點講解；課堂教學與網絡課程平臺相結合，再搭配科學合理的考核系統等。這些改革措施的實施將使高校的化工原理教學效果得到顯著提升，提高學生各方面的能力，為社會培養出更多高質量、高要求的工程應用型人才。為滿足工程認證的要求所進行化工原理的教學改革是一個長期的過程，需要師生之間密切配合，實現教與學的相互促進、共同進步，才能培養出能夠解決工程實際問題的應用型人才。