基于OBE理念的化工類專業人才工程設計能力培養體系構建

楊仲年，許蘭娟，張麗娟

濱州學院化工與安全學院，山東 濱州 256603

工程設計能力是化工類專業人才必須具備的核心素質和能力。在工程教育認證標準以及化工類專業教學質量國家標準[1]中，均明確要求重視學生工程設計能力的培養。同時，OBE (Outcome-based Education)的理念在越來越多國家[2–5]和地區[6]得到推廣。根據Spady[7]關于OBE的定義：教育系統的組織和運行應以確保學生在學習生涯結束時有獲得成功的能力為出發點。即，學生的學習成效(產出)是衡量教育質量的重要標準。因此，為確保學生具有良好的工程設計能力，應該以具備工程設計能力為產出目標，來開展人才培養體系建設工作，服務于新時代化工類專業人才培養。

2012年以來，我們根據工程教育專業認證中關于工程設計能力的有關要求，在分析原有培養體系不足的基礎上，從課程體系優化整合、教學條件建設、教學模式改革和人才培養質量監控等幾個方面，以化學工程與工藝(以下簡稱化工)專業為例，開展了工程設計能力培養體系建設的探索，也取得了一些收獲：OBE的理念較早貫徹到專業建設工作各方面，如課程體系優化和人才培養質量監控等；較早地在同行中建成了虛實結合、高度接近真實生產企業的校內實習實訓中心，除了專業實習實訓外，還依托它開展了多門課程的教學模式探索和改革；建設了一支工程實踐經驗豐富的雙師型專業教師隊伍；畢業生良好的工程設計能力得到了同行、業界的普遍認可。

1 原有工程設計能力培養體系存在的問題

通過對在校生、畢業生以及任課教師進行調查，結合與其他高校交流的結果，發現原有的工程設計能力培養體系建設存在幾個方面的問題：

(1) 設計類課程教學與工程實踐脫節。設計類的相關課程，講授內容偏重理論，陳舊、單一，設計訓練偏重計算、繪圖等輔助技能，與工程實踐脫節，不利于學生的設計能力培養。而學科競賽作為理論教學與實踐教學融會貫通的載體，覆蓋的學生范圍不夠，無法有效發揮作用。

(2) 實習實訓工作效果不理想。由于化工生產過程物料、工藝均具有較高的危險性，大部分化工企業不愿接收學生到生產現場進行專業實習，尤其是動手操作。學生實習一般以企業參觀和校內實訓為主，而大部分高校沒有完備的校內實訓條件，學生很難將實訓內容與工程實踐相結合，工程實踐和工程設計能力培養受到嚴重制約。

(3) 師資隊伍缺乏相應工程背景。按照化工與制藥類及相關專業工程教育認證標準規定，從事本專業教學(含實驗教學)工作的80%以上的教師應有3個月以上的工程實踐經歷。講授安全、環保和設計等課程的教師應該具有較豐富的工程實踐經驗。然而，作為新建本科院校，本校教師以45歲以下青年教師為主，50%以上的教師為全日制碩博士畢業后即進入學校任教，缺乏培養學生工程設計能力所需的實踐經驗和行業背景。

(4) 缺乏有效的評價體系。以往對學生工程設計能力培養大多從課程教學出發，強調課程體系和教學內容的設置，以及教學方法和教學手段的運用，而不重視評價體系的建立，因而不能對培養效果做出科學、有效的評價，也無法根據評價結果對教學過程進行改進。

2 工程設計能力培養體系架構

根據OBE理念，學生取得的學習成果(學習產出)是進行教學設計和實施教學的唯一目標[8]。實施OBE教育模式一般有三個步驟：定義學習產出(明確培養目標和畢業要求)、實現學習產出(教學活動設計與實施)、評估學習產出(畢業要求達成度評價)[9,10]。

針對原有工程設計能力培養體系存在的問題，我們遵循“定義學習產出–實現學習產出–評估學習產出”這一思路，結合工程教育專業認證要求，開展了化工專業人才培養體系的探索與實踐，形成了圖1所示的工程設計能力培養體系架構。

圖1 基于OBE理念的工程設計能力培養體系架構

2.1 定義學習產出

在工程教育認證通用標準的12條畢業要求中，明確要求畢業生能夠針對復雜工程問題設計解決方案，設計滿足特定需求的系統、單元(部件)或工藝流程，并能夠在設計環節中體現創新意識，同時還要考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境保護等因素。

我們在制定化工專業培養目標與畢業要求過程中，從國家社會及發展需要、行業產業發展及職場需求、學校定位及發展目標、學生發展及家長校友期望四個維度出發，通過問卷調查、訪談等多種形式征集了社會各界意見，在此基礎上對畢業生工程設計能力相關的預期學習產出做了描述，如表1所示。

2.2 實現學習產出

根據OBE理念，所有教學活動均應圍繞預期學習產出(Intended Learning Outcomes，ILOs)來開展。為此，我們主要從課程體系設置、教學條件配備、教學模式改革等三個方面進行了探索，以培養學生的工程設計能力。

2.2.1 課程體系建設

根據表1中的指標點，形成了圖2所示的以工程設計能力為目標產出的課程體系。

表1 對畢業生工程設計能力的要求

圖2 以工程設計能力為目標產出的課程體系

根據對表1中四個指標點支撐的強弱程度，我們將相關核心課程的內容進行了調整和優化，使得課程體系更合理，對指標的支撐更精準、充分。同時，與2015版培養方案相比，2019版中工程實踐與畢業設計(論文)學分在專業總學分中占比由原來的21.3%提高到了24.1%，以強化學生在工程設計方面的實踐動手能力訓練(指導學生完成具體設計作業時，積極鼓勵師生真題真做)；調整增加了化工原理和化學反應工程等核心課程的內容、學時和學分，確保學生在工程設計方面具有扎實的理論基礎，如圖3所示。

圖3 2015版(左)和2019版(右)培養方案中相應課程的學時學分變化(括號內為學時/學分)

2.2.2 教學條件配備

2.2.2.1 實習實訓中心建設

受行業企業特點影響，化工專業學生在實習過程中多以參觀為主，很難得到動手操作的機會，從而很難將所學知識或設計作品與生產實踐聯系起來，勢必影響學生工程觀念和工程設計能力的培養。為此，我們努力建成了校內化工實訓中心。

實訓中心從功能和布局方面，如圖4所示，與行業企業真實生產情況高度接近；分配實習任務時，參照企業的崗位設置和管理體制安排實習崗位和職責，并按照生產班組制、師傅帶徒弟模式進行；實習過程中，從開車到停車，要求學生動手調節設備和管件的開關和閥門，記錄完整的生產過程中獲得的工藝技術參數，學會根據數據分析工藝參數變化的原因和規律，使學生能夠獲得來自生產一線的實踐經驗和數據。這為培養學生的工程觀念和工程設計能力提供了良好的條件保障。

圖4 實訓中心平面布局圖

目前，實訓中心已擁有乙酸乙酯生產線、虛擬仿真機房和軟件等大型生產裝置和軟件，總價值超過900萬元。部分設備和軟件及明細見圖5、圖6和表2所示。中心自投入使用以來，承接了認識實習、生產實習、化工專業實驗、化工過程仿真等多門理論和實踐課程，受到了校內外廣大師生和員工的廣泛認可。尤其是2020年新冠肺炎疫情期間，擁有校內化工實訓中心這一獨特優勢，加上部分視頻和仿真，有效解決了疫情防控背景下難以開展校外實習的問題。

表2 化工實訓中心主要設備明細表

圖5 (a) 甘油催化加氫制丙二醇裝置；(b) 鹽類化工生產裝置；(c) 乙酸乙酯生產裝置；(d) 管路拆裝實訓裝置

圖6 全套煉油工藝3D仿真軟件

2.2.2.2 師資隊伍建設

學生的工程設計能力培養，要求教師隊伍有相應的實踐經歷和指導能力。

目前，講授化工專業核心課程的26名全職專任教師中，有8名是引進的企業高級工程師。這些企業高工中，具有博士學位6名，國家一級注冊建造師1名，國家注冊監理工程師1名，具有國家質檢總局頒發的射線和超聲波檢測二級資格證1名。這些教師實踐經驗豐富，對于指導學生從事工程設計方面的學習駕輕就熟。依托化工學院理事會，我們還聘任了20余名企業專家作為兼職教師，能夠做到及時掌握行業動態，更好地服務于高水平應用型人才的培養。

注重強化教師的入職培訓和繼續教育。除開設教學名師講座、舉辦公開課、觀摩課和職業規劃輔導等專題活動外，尤其對教工增加了在行業企業頂崗鍛煉的要求，以增加其企業一線工作經歷，從而有利于學生的工程觀念和工程設計能力培養。根據學校《中青年教師頂崗鍛煉管理暫行辦法》，近年來，教師到規模以上企業單位頂崗鍛煉30余人次，到天津大學、浙江大學等高校完成訪學研修(如化工熱力學、化工過程控制及實驗、工程設計等)和課程進修(如化學反應工程、化工設計等) 20余人次，很好地保障了教工的整體教學能力和素質。

2.2.3 教學模式探索

2.2.3.1 實踐教學

在化工專業實驗教學過程中，更多是提供任務目標要求、提供實驗原理和工具書，讓學生自行制定實驗方案、教師指導修改后進行實驗，并就得到的實驗結果、結論進行檢查反思實驗方案的科學性，以鼓勵學生的自主性和創新性。專業實習實訓，主要依托校內實訓中心的大型生產裝置和仿真軟件完成；參照企業的崗位設置和管理體制安排實習崗位和職責，推行生產班組制、師傅帶徒弟模式；要求學生在實訓中敢于動手操作，認真記錄工藝技術參數，并與理論推算結果對照，將來自生產一線的實踐經驗和數據與學生所學知識建立深刻的聯系。

如在乙酸乙酯生產線進行實訓時，制定了與企業相近的管理層級和崗位職責要求，按照分工，針對8個不同的崗位分為2–3個生產班組，在學生統一著裝、完成入廠教育后，進入這8個崗位，開始對乙酸乙酯生產進行開車、運行、巡檢，對樣品進行采集化驗、中控監控等。期間，通過調整生產條件、優化流程、模擬設置故障點等，培養學生對生產實踐過程的分析問題和解決問題的能力。現場裝置區安裝全方位攝像頭，方便中控室監察現場情況、及時下達指令，過程操作可以清晰考核，學生感覺身臨其境，實訓效果非常理想。

充分發揮實訓設備作用，積極支持學生參與各類學科競賽。如全國大學生化工設計大賽和山東省大學生化工過程實驗技能競賽等，學生的設計思路、推算甚至真實物料量可在實訓裝置上試運行一遍，有助于學生更全面地認識工業流程的復雜性，培養學生系統思考、團結協作的能力，讓學生作品更接近生產一線，完成一些真正具有現實意義的工程設計。

2.2.3.2 理論教學

為提升設計類理論課程的教學效果，我們推行現場式講授，將部分設計類理論課內容安排在實訓裝置前完成，效果明顯。

以化工設計課程為例，在教學過程中，充分利用鹽化工、乙酸乙酯等實訓裝置(如圖7所示)，讓學生站在實訓裝置前，了解工藝過程，學習裝置上各類設備的結構、布置、選型原則、管道的連接、閥門的操作以及各類儀表的原理等，這對學生學習掌握化工設計內容有很大幫助；在此基礎上，布置設計大作業，比如以乙酸乙酯直接酯化法工藝為基礎進行設計，選擇乙醇、乙酸為原料，固體酸為催化劑進行乙酸乙酯生產工藝設計，4–5個同學一組，完成設計報告。經過這樣的設計訓練后，學生由被動接受知識慢慢轉化為自主學習，對工廠整體的了解更加深刻，工程思維和工程意識得到強化，工程觀念也牢固建立起來。教學工作，也實現了從以教師為中心，向以學生為中心的轉變。

圖7 依托實訓裝置講授化工設計等理論課程

2.3 評估學習產出

OBE要求將學習產出的定義、實現與評估三個方面有機結合，從而構成教育質量持續改進的閉環[11,12]。因此，我們在理論課程學習、考核、課程設計、畢業設計以及學科競賽等多個環節均設置了相應的評價體系，如圖8所示。

圖8 學習產出評價體系設計

首先，在理論課程考核過程中，采取過程性評價與終結性評價相結合的方式。過程性考核成績根據測驗、作業、討論、項目及課堂表現等情況綜合評定，并將過程性考核成績在總成績中的占比從30%提高到40%–50%。而終結性評價雖仍以卷面考試為主，但在命題過程中不斷加大設計類應用題的比例，以實現對學生工程設計知識和工程設計能力的綜合考核。以化工原理課程為例，給出了課程的評價過程和方法，見表3。

表3 化工原理課程評價表

其次，在課程設計、畢業設計、實習等各類實踐課程中，采用教師評價、小組互評相結合的方式，對過程和結果進行統籌考核，以考查培養目標和畢業要求的達成情況。以“化工原理課程設計”為例，考評中將過程考核和結果考核相結合，如表4所示。課程開始時，將設計任務書和評分標準一并告知學生，讓學生明確具體的要求；教師定期進行檢查指導，給出平時成績；提交作業后，除了學生的計算書和設計說明書，還進行小組答辯和提問，考查學生參與程度及掌握程度，提出改進意見；最后，教師根據平時表現、作品、答辯、小組互評等情況評定學生的最終成績。

表4 化工原理課程設計課程評價表

第三，積極鼓勵學生參加各類創新創業大賽，實現專業在校生全覆蓋。近五年來，學生參加全國化工設計大賽、山東省大學生化工過程實驗技能競賽等，獲得省部級以上獎勵30余項，獲批國家級及省級大學生創新創業項目30余項；還有學校委托本專業組織的各類學科競賽等，能夠實現在校生的全覆蓋。這些項目均為團體項目，對于培養和評價學生團隊協作能力、安全、健康、法律、文化和環境保護意識等，具有不可替代的意義。以山東省大學生化工過程實驗技能競賽選拔賽為例，評價指標如表5所示。

表5 基于山東省大學生化工過程實驗技能競賽的選拔賽的學生成績評價表

3 人才培養質量監控體系

3.1 教師教學質量監控

首先，教師教學質量評價中，由評教改為重點評價學生的學習產出。每一門課程的教學目標，應該是由人才培養目標決定的；而每一門課程能夠支撐的指標點組合在一起，應該能夠實現畢業能力的全部標準。正是基于此，我們對課程教學質量的評價，重點在于評價課程教學目標的達成情況，即學生的學習產出，具體見表6。這一項在教師教學質量評價中，占比達到70%，另外還有領導、督導組和同行評價等三部分，都按照10%的比例計入總成績。對于課程目標達成度低于60%的情況，視為教學質量不合格。

表6 課程教學質量/效果評價中改進部分

其次，多措并舉，培育質量意識和精品意識，建立教師業務水平和能力提升機制。第一，構建專業教學質量監控體系，如圖9所示，明確教學各項工作流程和質量標準。同時，針對教學各環節出臺相關標準、管理辦法等文件40余項，由校院二級督導組嚴格監督執行。第二，鼓勵學習，與時俱進，積極向廣大教師介紹或引進先進經驗、理念和技術。近年來，派人參加全國范圍教學研討/培訓會30余人次，邀請專家來校完成教學工作報告20余人次，組織教學觀摩課5課時/學期，試運行題庫系統和在線考勤系統各1個，均取得了很好的效果。目前，教師承擔國家級課程建設項目1項、省部級8項；參加教學比賽，獲得省部級獎勵3項、校級獎勵20余項；承擔省部級教研項目3項，發表教研論文20余篇；擁有省級教學名師3人，等等。第三，積極支持校院二級督導組獨立開展工作，使用好督導檢查的結果。督導工作的定期檢查，一般在期初、期中和期末；隨機抽查，則可以根據工作需要，針對特定環節、特定課程和特定人群進行，兩種形式互為補充，以確保能夠及時掌握教學工作情況，能夠及時做出調整和應對。對于督導檢查結果，在評優選先和職稱評定等工作時會作為重點參考；對教學態度不認真、質量不合格，或發生教學事故的教師，根據教學工作和課堂教學準入暫行辦法，除進行通報、個別談話外，甚至會在一定時限內取消其課堂教學資格。所有這些，保障了多年來教學質量穩步提升，人才培養工作逐步平穩推進。

圖9 專業教學質量監控體系示意圖

3.2 人才培養質量監控

畢業要求達成度作為教學評價的主要標準，是衡量高等學校辦學水平的重要指標點，對于持續改進教學工作、提高本科教學質量具有顯著的促進作用[13]。評價方法分為直接評價與間接評價。

直接評價主要基于課程達成情況分析法，即以課程考核材料為主要評價依據，將每項畢業要求指標點劃分到支撐課程，并根據課程對畢業要求的支撐度賦權重，由課程的達成度評價結果計算出畢業要求達成度。直接評價又可以包含過程性評價和終結性評價兩部分。如圖8所示，理論課程的過程性評價包括測驗、作業、討論、項目等環節，占比達到40%–50%，而終結性評價包括知識和能力等內容，如表3案例所示；課程設計、畢業設計、實習等實踐類課程，評價內容里增加了分析解決工程問題、團隊協作以及法律、安全、環保等要求，則采取過程中教師隨機抽查、終結時教師評價與小組互評相結合的方式，考查培養目標和畢業要求的達成情況，如表4案例所示；各類學科競賽多為團體項目，過程性評價主要針對團隊協作和設計能力等，終結性評價主要依據作品完成情況和獲獎情況等，同時加大了創新能力、法律、安全、環保和社會倫理等方面的要求，如表5案例所示。在堅持過程性評價與終結性評價相結合的基礎上，加強督導檢查，能夠及時了解某一課程在某一時段學生的學習效果，及時了解該課程目標和畢業要求的達成情況，及時掌握本專業的人才培養質量，及時根據行業發展動態和需求做出相應的調整和安排。

間接評價是指針對畢業生、用人單位和第三方機構的問卷調查法，側重調研受訪者對畢業要求各項能力重要性的認同程度以及畢業生在這些能力上的達成情況。在做完這一評價后，可以比較清晰地確定影響培養目標達成的不足之處，然后做到持續改進。

以我校化學工程與工藝專業2017屆畢業生為例，盡管2017屆畢業生的12個畢業要求達成度均大于畢業要求達成標準閾值，但學生在畢業要求3 (設計/開發解決方案)得分較低(0.71)，且畢業要求5(使用現代工具)的間接評價值低于直接評價值，這說明畢業生在這方面的能力有待提高。針對這些問題，根據企業專家反饋的意見，本專業教學指導委員會制定了整改措施，對課程體系設置進行相應的修訂。如將專業必修課程中的化工原理、化學反應工程、化工設備機械基礎等課程的學時數進行了增加，增設化工制圖課程，將實踐課程化工過程設計修改為工程設計并增加了學時。同時鼓勵任課教師采用如案例式、專題式等多樣化的教學模式，積極指導學生參加化工類學科競賽，提高學生運用所學知識進行設計開發的能力，學習使用現代化學工程工具和信息技術工具，解決復雜化工問題，并在在化工設計開發中體現創新意識。通過以上改進措施，本專業2019屆畢業生的畢業要求3達成度增至0.78，畢業生和用人單位對畢業要求5的滿意度也有很大提高，專業教師的教學水平及效果有了顯著改善，這些措施也對本專業未來的發展有很好的指導意義。

4 培養成效分析

五年來，化工專業學生在校期間發表學術論文20余篇，授權專利近20項，獲得省部級以上學科競賽獎勵30余項、市廳級學科競賽獎勵近200項，獲批國家級及省級大學生創新創業項目30余項；近三年畢業生學位授予率90%以上，初次就業率95%以上，本科生考研升學率均高于40%，如圖10所示。根據第三方評價數據，化工專業學生畢業后發展情況良好，進入化工生產企業和設計單位工作的學生中多半已經成長為高工及管理人員；部分繼續深造的同學碩士畢業后進入企業研發中心或設計單位，用人單位對畢業生素質和能力滿意率高于90%。根據麥可思公司2019年針對用人單位對本專業畢業生個人素質能力滿意情況調查發現，畢業生良好的工程設計能力獲得行業的廣泛認可，結果如表7所示。

表7 用人單位對本專業畢業生個人素質能力評價調查表

圖10 學生培養成效相關數據

5 結語

多年來，在學校大力支持下，化工專業積極開展教學研究和改革，先后獲準山東省卓越工程師教育培養計劃試點專業、山東省高水平應用型立項重點建設專業(群)、山東省一流專業等標志性項目，專業建設取得了一定的成效，也獲得了同行的認可。針對工程設計能力培養這一關鍵問題，我們認真分析原因，積極吸收OBE理念，構建了一個包含課程體系建設、教學條件配備、教學模式改革、人才培養質量監控等內容的人才培養體系；運行幾年結果表明，該體系在服務化學工程與工藝專業學生工程設計能力培養方面效果明顯。這也為同類院校的相關專業建設提供了積極的借鑒和參考。

致謝：感謝化工等專業的同事們在專業建設和改革方面做出的積極探索和努力！