新工科背景下應用化學專業工程創新能力培養體系的建設

吳祥，朱成峰，付延明，李芳，李冰，李有桂

合肥工業大學化學與化工學院，合肥 230009

2017年2月以來，教育部積極推進“新工科”建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設[1]。

“新工科”建設的提出是我國教育界為響應國家提出的實施創新驅動發展戰略以及“中國制造2025”“互聯網+”“一帶一路”等一系列政策舉措對工程人才的新需求而在工程教育領域開展的新改革[2]。面向“新工科”建設的工程人才的關鍵能力，應包含專業精神、專業能力、可持續發展能力等三個方面，應具有普適性與聯通性特征。

應用化學是化學和化學工程與工藝之間的橋梁，是把化學理論轉變為大規模化工過程之間的過渡研究過程，是新型產品開發的基礎。應用化學專業所具備的特征與“新工科”理念高度一致。在“新工科”背景下，根據應用化學專業自身特點，如何更好地發揮應用化學專業在人才培養中的作用是一個重要課題。按照“新工科”理念對應用化學專業進行改造，突出應用能力、強化專業特色、加強工程實踐能力培養、完善協同育人體系建設等，使應用化學專業人才培養能夠更好地適應新技術、新產業、新業態的發展和行業產業發展的需要[3,4]。本文主要介紹合肥工業大學應用化學專業在新工科背景下，通過調整專業培養目標、課程體系、教學內容、教學模式及師資隊伍建設等方面，加強應用化學專業工程創新能力的培養，滿足當今社會對應用化學人才需求方面所做的探索。

1 依托學科優勢，優化培養方案

合肥工業大學應用化學學科發展較早，碩士研究生招生始于1984年，是合肥工業大學最早的碩士學位授予點之一；應用化學學科在1996年被評為機械部重點學科，2000年被評為安徽省重點學科。經過18年的發展，于2002年開始招收應用化學專業本科生。專業起點高、師資力量強，專業課程設置及內容與科研方向結合緊密。應用化學專業在化學、材料科學(二者皆為全球ESI排名前1%)和化學工程與技術(學科評估為B+)等一級學科支撐下，彰顯扎實的理科基礎和較強的工科實力。

2015年，學校提出了以能力為導向的“培養目標–教學過程–質量提升”三位一體的教學體系，對所有專業的培養計劃進行了調整和完善。經過4年的實踐，在新工科的理念指導下，2019年又對2015版的專業培養計劃進行了修訂。應用化學專業培養目標是培養具有良好的科學知識、文化素養和高度的社會責任感，掌握化學、化工專業基礎理論和專業知識與技能，能夠從事化學、化工領域的科學研究、技術開發及生產應用等方面工作的德才兼備、能力卓越、自覺服務國家的專業技術人才以及具有開闊的國際視野、較強的創新意識和實踐能力的復合型人才。畢業要求共有十點，其中體現工程能力方面的有：(1) 具有運用數學、自然科學、工程基礎和專業知識，分析和探討化學、化工、材料領域的技術與工程實際問題，并得到合理有效結論的能力。(2) 具有綜合運用化學、化工、材料的基本原理及現代科研工具，對專業領域的理論和技術問題進行研究，包括文獻分析、實驗設計、數據獲取與分析，并初步解決目標問題的能力。(3) 具有開展精細化工相關領域的研發與設計、分析與檢測、技術改造與創新的初步能力。(4) 理解并掌握化學、化工、材料領域的安全環保知識、行業標準與政策，具有良好的質量、安全、效益、環境、職業健康和可持續發展意識。

2 師資隊伍的建設

為保證學科發展，培養符合企業和行業需要的具有高素質工程創新能力的專業人才，教師的工程背景是重要的支撐和保障、是滿足專業教學的需要。本專業現有教師25名，全部具有博士學位，其中教授10人，副教授9人，講師6人，具有海外學習經歷的教師有19人，是一支年齡結構、職稱結構、學緣結構合理的高素質師資隊伍。

為加強師資隊伍工程實踐能力的培養，本專業堅持“引進來”和“走出去”的原則，加強“雙師”型師資隊伍的建設。“引進來”包括兩個方面，一是引進具有工程經驗的教師。目前教師隊伍中有5人具有在企業中工作2年以上的工作經歷，具有豐富的工程化實踐能力；二是聘請企業有經驗的工程師作為學生的企業導師。“引進來”有效提高了學生工程實踐能力的培養效果，也促進了校企合作、產教融合。“走出去”則能解決當前大部分教師“從高校到高校”導致的工程實踐經驗缺失問題。學院鼓勵、引導和規范教師特別是青年教師或到企業兼職、或以博士后身份在企業從事技術產品研發工作，或以橫向課題合作方式參與企業的技術改造和科技攻關，從而強化專業教師的工程經驗和實踐能力，目前已有12名教師到企業鍛煉半年以上。同時，在已有師資隊伍的基礎上，進一步加強教師的工程實踐能力的系統培訓，讓教師結合自身專業知識，了解行業管理、工程實踐技能、獲取相關行業實踐信息與資源，培養教師進一步提高自己的工程背景和工程實踐能力。

此外，以企業委托項目為抓手，以工程化課題為導向，以科研訓練、大學生創新創業計劃以及本科畢業論文為主要渠道，吸納本科生參與研究，使學生充分了解學科前沿和行業發展，培養學生運用所學知識解決實際問題的科學素養和工程創新能力。在指導學生以及解決具體工程問題的過程中，教師隊伍的工程實踐能力隨之得到增強，從而進一步反哺專業教學，實現教學相長，達到良性循環。

3 以工程能力培養為引領，構建科學的理論課程體系

按照學校統一要求，專業課程包括通識教育課程、公共基礎課程、專業必修課程、專業選修課程、實踐課程、創新創業課程。按照教學規律和知識學習的難易進行課程設置，本專業與工程能力培養關系密切的課程見表1。

表1 工程能力培養課程設置一覽表

從表1中可見：理論課程總學分為36，其中必修課學分為28；除畢業設計(論文)外的實踐課程的總學分為15。工程能力培養課程體系十年不間斷，學分比例較高，強化了工程能力的培養。

4 實踐教學體系的構建

應用化學專業的特點是“理工結合”，與應用理科及“新工科”的理念高度契合。本專業既注重了理論知識也加強了工程能力的培養。本專業積極探索實踐教學改革，形成了特色鮮明的“從理論到實踐、從實驗到工程、從綜合到創新”的“四年不斷線、循序漸進的三層次”一體化實踐教學體系。實踐教學中融入了新工科的理念，增加綜合性、設計性、研究性實驗，加強課程設計、畢業設計與生產、工程實際結合的力度，突出工程教育理念，強化學生工程創新能力培養。具體實施措施如下。

4.1 工程創新能力的培養

工程創新能力的培養分為三個層次。第一層次主要通過課程實驗和初步的綜合(或設計)實驗，驗證和深化理解課程講授的重要基本理論，掌握實驗操作技能以及嚴謹、規范的實驗習慣；通過創新教育，培育創新意識，同時建立專業與工程的概念。第二層次通過學科基礎課程綜合實驗、設計實驗、科研訓練等，培養學生的組織能力、綜合運用知識能力、初步的創新和工程能力。第三層次主要以畢業設計(論文)和創新實踐為主，加強高年級學生創新與工程能力的培養，使畢業生獲得從事本學科領域科學研究與工程設計的初步能力。

在第一層次的通識教育下，本專業主要強化綜合運用能力和工程創新能力兩個層次的培養。為實現第二層次培養目標，具體措施如下：(1) 實驗內容進行革新。在電化學方向，緊跟學科前沿，開設“CuInS2修飾ITO導電玻璃電極的制備及二氧化碳的光電催化還原”實驗；結合最新行業發展，開設了“鋰離子電池的制作與性能測試”實驗；圍繞產品需求，開設了涂層防護的“電化學腐蝕實驗”。在有機合成方向，圍繞有機合成新技術，開設“微波法合成乙酰水楊酸”實驗；圍繞精細化工工業，開設“食品防腐劑山梨酸鉀的制備”實驗；緊跟實際應用，開展“抗癲癇藥——苯妥英鈉的合成”多步綜合實驗。(2) 實行科研訓練導師制。每名學生從大一開始，配備一名科研訓練導師。在導師的指導下，學生大一階段對某一特定課題進行文獻綜述；大二階段則對此課題提出新的研究方案，形成完整的科研訓練報告，以此檢驗科研訓練的效果。(3) 開展專業設計實驗。以2–4人的小組為單位進行專業設計實驗，根據導師提供的實驗題目或自選的實驗題目，自行查閱文獻資料，自行設計實驗方案，自選和組裝實驗裝備，自擬實驗操作步驟，在規定的時間內完成實驗。學生做完實驗后，對實驗結果進行分析和總結并提交完整的專業設計實驗報告。

為實現第三層次培養目標，具體措施如下：(1) 以大學生創新創業訓練計劃為依托來提高工程能力。在導師指導下，本科生個人或團隊，自主完成創新性研究項目設計、研究條件準備和項目實施、研究報告撰寫、成果(學術)交流等工作。或在導師指導下，創業訓練項目團隊中每個學生在項目實施過程中扮演一個或多個具體的角色，通過編制商業計劃書、開展可行性研究、模擬企業運行、參加企業實踐、撰寫創業報告等工作。(2) 通過參加“挑戰杯”“互聯網+”“創青春”等創新創業大賽來檢驗創新實踐成果。鼓勵具備較強科研能力且有一定科研成果的同學，在教師指導下參加各種創新創業大賽，以賽促學、以賽促研、以賽促練，同時以賽促教，實現整體工程創新水平的提高。(3) 在校外實踐基地開展畢業實習。學生在畢業實習過程中，下車間、進工位，了解每道工序的操作流程、了解整條生產線的運作過程、了解背后的化學化工知識和設計邏輯，將理論與實際相結合，從而促進工程能力的提高。(4) 畢業論文是培養學生各項能力的一個重要環節，也是學生培養效果的集中展現。通過開題報告、中期檢查、最終答辯和畢業論文，實現對學生的系統訓練；指導教師通過審核開題報告、寫作記錄卡、中期檢查、論文初稿、學術不端行為檢測以及論文最終版，提交指導記錄等過程管理，來提高畢業論文質量。

4.2 校內工程實踐平臺

應用化學專業校內工程訓練分成兩個部分，一是在校工培中心進行的工程訓練，二是在化工實訓基地開展的化工實習實訓。

合肥工業大學工業培訓中心是國家級實驗教學示范中心，本專業學生的工程訓練由該中心承擔。通過示范、示教、設計、實訓和綜合創新制作，學生自己動手完成基礎工程技術和現代制造技術等一系列的工程訓練項目，模擬準工廠生產環境，獲得對現代工業生產方式和生產工藝過程的基本認識，接受生產工藝技術組織管理能力的基本訓練；并通過初級、中級、高級等多層次教學訓練手段，形成較完整的工程培訓平臺，培養學生的工程意識、創新思維，訓練與提高學生的工程素質和技術實踐能力。

合肥工業大學化學與化工學院在國內高校中率先建設了綜合程度高、小型化、準工廠規模的校內“化工實訓基地”。基地分一期實訓基地和二期實訓基地，一期實訓基地是對學生進行化工基本技能的訓練，培養學生動手能力，使其掌握有關化工設備的設計、安裝、操作及性能測試以及在工程實際中的應用等方面的基本技能和知識。一期實訓基地有不同材質的4套100 L反應釜生產設備及產品性能分析測試儀器，4套配備管道切割、管螺紋加工等設備的流體輸送管路拆裝系統，以及鍋爐、真空、壓縮、冷凍等公用工程設備。二期實訓基地是工程實踐創新基地，主要有無機反應-分離系統、有機反應-分離系統、氣體吸收-解吸凈化系統、多相催化反應評價系統、中壓功能材料合成與改性系統等5套實訓裝置。通過在工程裝置上的實際動手操作，較好地彌補了實習過程中學生“只能看、不能動”的不足，培養學生初步的化工系統工程、產品工程、控制工程和安全環保等方面的工程知識和理念，提升學生設計能力、動手能力、分析和解決問題等工程實踐能力和創新能力。

4.3 校外實踐基地與產學研項目的發展

聯合安徽廣信農化股份、東華工程科技、中鹽安徽紅四方、安徽安利新材料、安徽省化工設計院等單位成立設計課程組、實習課程組和青年教師培訓組等，構建了產業全程融入、校企協同育人的新模式。例如安徽廣信農化股份有限公司的實踐基地的運行模式，首先簽訂平臺合作協議，明確雙方的責任和義務、確定雙方的負責人；然后制定培養方案，采取雙導師制即每個學生都要明確學校和企業的導師，三方共同協商確認項目內容是否能達到工程實踐能力培養目標要求；最后通過考核來確認聯合培養效果。

產學研緊密結合促進專業建設發展。本專業利用在學科建設、基地建設和人才培養等方面所取得的優勢，加強與省內外大型、特大型醫藥、化工等企業間的聯系與合作。目前，專業合作的大型企業有40余家，如中鹽紅四方、安慶石化、銅陵有色、海螺集團、中航集團、豐樂農化、安徽蚌埠豐原集團、新宇藥業等。通過校企產學研合作，有效解決困擾企業發展的技術難題的同時，也有力促進了專業的建設，真正體現“互利共贏”。

通過產學研合作，明確了專業教師的科研方向，提升了教師的工程教育能力和服務社會的能力。近年來，專業教師與企業合作，成功申報包括國家科技支撐計劃、省部級重大科技攻關等在內的各類產學研項目60多項，累計項目經費達8000多萬元。

5 建設成效

通過一系列舉措，人才培養質量持續提升，成果豐碩。近三年來，本科生13人次發表SCI論文8篇；18人次申報國家發明專利；8人次參加全國大學生化工設計競賽并獲獎，11人次參加全國大學生化工實驗競賽并獲獎；畢業生就業率均為100%，其中2020年的升學率為48.7%，進入“985”“雙一流”高校的學生比例超過90%；有2名同學在畢業之前創辦了與專業相關的企業。同時，教師教研水平也得到了大幅度的提高，先后獲得省級教學成果獎特等獎、一等獎各1項；主持完成省部級質量工程項目、教研項目8項，省級教學名師4人、省級教壇新秀2名。教師研究成果轉化5項。

6 結語

高等教育堅持“立德樹人，以本為本”這一核心目標，圍繞此目標，以“新工科、應用理科”理念為指導，根據當今社會經濟發展的需求，結合當今教育教學新技術、新理念，應不斷調整和完善專業培養目標、課程體系、教育教學方式方法，加強師資隊伍建設，探索新形勢下應用化學專業人才工程能力培養新模式，把工程教育先進經驗融入到應用化學專業人才培養中，探索出應用化學專業人才培養新模式。