新工科背景下化工設計競賽促進人才培養的研究

＊張秋利 陳朝陽 周軍 馬晶 湯潔莉

（西安建筑科技大學化學與化工學院 陜西 710055）

隨著新經濟的快速發展，對專業的人才特別是全能型工科人才的需求愈加強烈，而我國現在正缺少此類人才。全國高校工程教育研討會于2017年在復旦大學舉行并達成“復旦共識”，標志著中國“新工科”探索階段的開始[1]。“新工科”注重人才的全面發展，注重多學科的交叉融合，更注重信息技術與工業發展的結合，智能化、信息化與大數據的發展突破了傳統工科的思維定勢及局限性[2]。“新工科”為高校專業轉型發展提供了契機，為工程教育改革提供了啟發。因此，在“新工科”背景下，更新教育理念和模式，優化專業人才培養方案，對人才培養的提升有重要意義。

化學工業是我國經濟的支柱產業，也是基礎產業，其具有十分重要的地位[3]。隨著現代科學技術的迅速發展，化工行業產業發生了深刻的變化，急需新型工科人才支撐，這與“新工科”的要求不謀而合，對工程教育改革人才培養提出了新的要求，要求培養工程能力強、綜合素質高的工程科技人才[4]。然而，我國化工類專業學生的設計與實踐能力不足，主要表現為：重視課堂教學、輕視實踐教學的教育理念沒有得到根本轉變[5]，畢業生進入生產單位后表現出工程實踐經驗不足、實際操作能力弱等，這與“新工科”的理念與內涵相距甚遠。為加強工程教育，培養卓越的工科人才，教育部發起“卓越工程師教育培養計劃”。為了培養大學生的創新創業理念，提高工程設計能力，實現“卓越工程師教育培養計劃”目標，中國化工學會、中國化工教育協會、教育部高等學校化學工程與工藝專業教學指導分委員會聯合舉辦了多屆全國大學生化工設計競賽[6-7]。作為全國化工設計領域規模最大與水平最高的國內賽事，其任務包括化工新產品和化工新技術的研發，新流程和新裝置的設計以及新的化工廠生產過程操作運行方案等方面，對提高化工專業學生的專業素養、培養卓越工程師、拓寬專業知識、增強工程實踐和創新能力等諸多方面具有積極的促進作用，這恰與“新工科”的建設目標相契合[8-9]。

西安建筑科技大學化學與化工學院的化學工程與工藝專業為了適應社會經濟發展需要和企業技術創新要求，結合地方資源優勢，發揮自身特長，把握行業人才需求方向，形成自己的辦學方向和特色。但是在新工科建設背景下，急需結合全國化工設計競賽，修訂培養方案，優化整合主要課程及教學內容，為培養符合時代發展與產業行業要求的綜合性工科人才奠定基礎。

1.化學工程與工藝專業基礎

化學工程與工藝系前身是我校冶金工程學院有色金屬冶金教研室，1997年國家調整專業結構，學校申辦了“化學工程與工藝”專業，并于1998年9月開始招生。2005年獲批化學工程與技術一級學科碩士點。

經過多年發展和實踐，化學工程與工藝專業形成了“能源工程技術”和“先進化工工程技術”兩個專業方向；目前已經具有完善的專業培養方案，培養目標明確、課程設置合理、專業特色鮮明。擁有化學工程與技術一級學科碩士點1個，應用化學、化學工程、生物化工、工業催化、化學工藝等二級學科碩士點5個，化學工程專業學位碩士點1個。

2.化學工程與工藝專業改革背景

依據“新工科”教育的戰略思想，西安建筑科技大學化學工程與工藝專業積極轉變辦學思路，改革辦學方式，重新定位人才培養目標，增強學生創新創業能力，培養高素質復合型工程技術人才。2015年西安建筑科技大學第一次參加全國化工設計大賽，累計獲得全國化工設計大賽二等獎6項，三等獎3項。為了提高學生的競賽能力，選拔優秀人的學生參加，我校于2020年開始舉辦西安建筑科技大學校賽，使學生提前熟悉競賽的全過程，包括任務下達、查閱資料、確定工藝方案、工藝設計計算、提交作品、準備答辯等，提高了學生的自主性學習、創造學習性的能力，增強了團隊意識，報名人數逐年增加，競賽水平明顯提高，同時也促進了化工專業人才的培養。但是從參賽的經歷中也發現了一些問題，如學生對相關的化工設計軟件如Aspen等掌握不好，導致設計速度慢；學生不能綜合運用所學知識，專業課程系統性的設計不完善；對很多設計標準不清楚，導致設計不規范；同時，化工專業的指導教師普遍無工程設計工作經驗，結合工程實際指導學生困難。因此，為提高學生綜合設計能力，提高作品的整體水平，需要在教學中針對以上問題，加強實踐應用相關內容的學習，教學中補充重要的化工設計標準，增加設計軟件的教學，提高軟件的應用能力，同時從企業或設計院聘請具有工程實踐經驗的專家和相關技術人員授課，提高學生的綜合設計能力。

綜上所述，高等院校必須積極推進教學改革。針對我校具體情況，我們把化學工程與工藝專業的培養目標和培養方案進行梳理，結合近年的化工設計競賽經驗，并通過調研和專家指導，優化課程設置，更新教學內容、改革教學模式、實施工程案例改革教學模式，使“新的培養方案”更符合“新工科”的要求。

3.化學工程與工藝專業改革措施

(1)培養方案的修訂

培養方案是一個培養專業人才的基本依據，全國化工設計競賽將課程學習內容與設計實踐融會貫通，可有效激發學生主動學習。因此，合理利用化工設計競賽的資源，改革化工專業人才培養模式，更新培養方案，注重學科交叉和學科前沿，對培養“新工科”型人才有著十分重要的意義。

①以設計為導向，調整知識內容，精簡課程數量

根據化工設計競賽的要求，結合化工行業的特點，對化工類專業培養方案的知識體系進行優化組合，突出化工設計的理念，精簡課程降低學時。畢業需達到的最低學分數控制在160學分以內，設置了通識教育教學模塊、專業教育教學模塊、課外素質教育模塊，并新增設了創新創業教育模塊。注重數、理、化、英語等基礎課的銜接；打破課程間的壁壘，統籌各模塊與實踐環節，整合或重新設計綜合性課程，提高課程的綜合化水平。

②結合學科交叉，注重課程的深度和廣度

化工學科屬于典型的多學科交叉互融，涉及化學、物理、工程技術、生物、醫藥等，與能源、生物、環境、冶金、材料等多個產業領域緊密相關。因此，在化工專業的課程設置中要注重深度和廣度，開設多學科融合交叉的課程，組建相應的教學團隊，推進不同學科的合作學習，增加相關領域知識的廣度和深度，使學生能夠從多角度、多領域、多學科方向上思考問題。

③結合學科前沿，引入最新的知識

在經濟與技術高速發展的背景下，知識爆炸、學科之間交叉融合加深，拓寬了化工領域和研究范圍，生物、新能源、新材料、信息等工程領域的發展，擴充了化工專業的研究范圍和知識領域，帶來了新的前沿學科[10]。化學工業本身也產生了新的技術和研究方向，如組合催化技術、微化工技術等，這些新技術使化工及相關學科的知識體系更完善、更系統和全面，化工類專業的教育教學中要體現這些新知識，必須修訂培養方案，更新教學內容，引入最新的學科前沿和新成果。

④精簡理論學時，突出應用能力培養

應用型人才培養的關鍵環節是實踐教學，同時實踐教學也是卓越工程科技人才培養創新能力的基礎，也符合新工科專業多學科知識運用要求。課程設置做好理論課和實踐課間的平衡，刪減部分理論學時，增加相關的實踐學時和實驗學時。工程實踐能力和創新能力主要依靠實踐教學環節實現，在原有的實踐環節基礎上，增設化工仿真訓練模塊、以企業為主導的實習類工程訓練教學模塊，與理論教學中的化工基礎實驗與專業實驗、化工專業課程設計等結合，強化實踐教學環節的考核，結合化工專業特點和人才培養目標，使學生更好地掌握化學工程的專業知識和技能。

(2)主要課程教學內容的修訂

在培養方案中，與化工設計相關的主要課程有：化工原理、化工過程設計與開發、化工工藝學、化工設備設計、化學反應工程、化工計算機輔助設計等，各課程間知識模塊相對獨立，學生在學習中也不能有效的相互聯系，導致學生在進行知識綜合應用，如參加競賽或綜合類實驗時，不能較好的獨立解決實際問題，因此，將相關課程內容進行統籌設計，形成有機整體，有助于學生掌握設計方法，更好的完成化工設計競賽的內容。

在化工設計競賽中，化工計算機相關設計軟件的運用非常重要，幾乎貫穿了整個競賽的作品完成過程，因此在設計類課程教學中增設相關軟件的教學內容，并結合專業課知識，講授軟件的應用，提高化工設計效率。如在化工熱力學課程中，增加了熱力學模型的軟件實現；在化學反應工程課程中，增加動力學反應模塊的模擬；在化工設備設計中，增加了塔設備、換熱器的計算機設計；此外，還單獨增加了化工相關設計軟件的教學內容，如：Aspen Plus、Plant 3D、AutoCAD等。學生通過專業課程與軟件內容的綜合學習，在學習了專業知識的同時，也掌握了化工軟件的應用，可大大提高設計效率，為提升競賽作品的質量奠定了基礎，也可以更快的適應設計工作。

(3)教學方法和模式的改革創新

在互聯網時代要充分利用網絡資源，改革教學方法與模式。將優秀的競賽作品制作成教學案例，結合專業課程的知識點，分布到各課程教學中，進行重點講解；將部分內容做成微課、慕課等，使學生可以隨時在網上學習；將課程設計的工藝流程進行計算機模擬，加深設計過程的理解；通過參加競賽，使學生熟練掌握專業軟件，并與實際工程實踐相合，提高工程設計能力。

如在我校的化學反應工程與化工設備設計課程的教學中，實施了案例教學法與相應的評價機制。化學反應工程課程涉及到化學動力學、間歇反應器、理想流動反應器、返混、應速率等知識點，化工設備設計課程中涉及具體反應器的結構及工作特點，若按教材講解相關的定義和公式等，沒有新意和特色，枯燥乏味，學生也不喜歡聽。結合化工設計競賽，規劃好反應器的設計案例，引導學生利用化學反應工程與化工設備的相關知識，使用Aspen Plus軟件設計一個合理的反應器。學生對競賽的案例有很強的好奇心，激發了對課程的學習興趣，課堂學習氣氛濃厚。化工設計競賽的案例一般都是來源于生產實踐，學生結合課堂所學知識，通過查閱相關文獻資料，分析案例，并在課堂上匯報，和老師和同學一起在課堂討論，老師進行知識總結，結合案例介紹相應的知識點。針對案例教學法的實踐，傳統的考核方式無法客觀評價學習效果，因此，提出了過程的多層次考核的學生學習評價方案，考核內容主要包括學生上課考勤與紀律、課堂知識點的提問與回答、文獻的查閱與分享、案例的分析與討論、案例的匯報、學生間互評等，充分體現了案例教學的特點，克服了傳統考核模式重結果、輕過程，重理論、輕應用的不足。通過結合全國化工設計競賽的案例教學法與創新評價機制的實施，強化了學生理論的培養、注重理論的應用、突出實踐教學的重要性，同時兼顧學生的主動性、思考性和探究性，提高了學生的學習興趣和自學能力，有效保證了教學效果，有利于培養理論指導實踐思維的高素質應用型人才。

化工專業教師普遍缺乏工程設計經歷，沒有設計經驗，導致教學中不能很好地將理論與實際結合，為解決這些問題，采取了以上措施：邀請化工相關設計研究院的專家講學，結合實際工程案例，傳授設計經驗；邀請化工生產企業的相關專家做報告，結合實際生產案例，講解化工行業的需求、化工生產工藝和方法；組織教師參加化學工程專業相關的設計培訓，提高設計教學能力；安排青年教師到化工企業實訓，了解化工生產的全過程，提高化工工程素養。

4.結語

“新工科”的教育理念注重人才的全面發展和多學科的交叉融合，突破對傳統工科的思維定勢，打破對傳統工科的局限性認識，其為高校專業轉型發展提供了契機，為工程教育改革提供了啟發。全國化工設計競賽是化工設計領域規模最大、水平最高的國內賽事，其對提高化工專業學生的專業素養、培養卓越工程師、拓寬專業知識、增強工程實踐和創新能力等諸多方面具有積極的促進作用。通過兩者的有效融合，并結合我校化工專業實際，梳理培養目標和培養方案，并優化相關課程的教學內容，改革教學模式、實施工程案例改革教學模式，制訂了符合“新工科”型人才培養的化工設計類課程體系的培養計劃，可培養出符合時代發展與產業行業要求的工科人才。