新工科背景下化工類課程教學設計經驗與啟示
——以麻省理工學院工程學院為例

郝南京

（西安交通大學 化學工程與技術學院，陜西 西安 710049）

引言

科學技術和產業經濟的快速發展既為化工類專業提供了前所未有的機遇，也為專業建設和人才培養帶來了新的挑戰。為主動應對新一輪科技革命和產業變革，自2016年新工科概念提出以來，教育部組織召開了一系列新工科建設研討會，并聯合工業和信息化部以及中國工程院發布了《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》，從此拉開了我國新階段高等工程教育改革的序幕［1-2］。相比于傳統工科，新工科更強調工程、科學與人文的交叉融合，致力于培養實用型、復合型和創新型人才，要求學生具備創新思維能力、團隊協作能力、工程實踐能力和寬廣的國際視野。目前，化工類人才培養普遍存在課程設計同質化、教學形式單調、教學目標單一、考核內容教材化、理論與實踐脫節、專業吸引力不足以及國際競爭力不強等問題［3-4］。因此，如何在新工科背景下進行課程教學改革和質量提升是我國高等教育亟待解決的問題。

美國麻省理工學院（以下簡稱MIT）是世界頂尖的技術和工程院校，其在工程教育領域的研究質量和創新水平頗具特色，在世界范圍內具有較高的知名度。MIT工程學院在化工類專業的培養目標、課程體系、學科建設、教學方式和考核標準等方面進行了長期創造性的探索和實踐，積累了大量豐富而且寶貴的經驗。研究其課程設計方案對于我國高等院校新工科課程體系建設和教學模式改革具有重要意義。作為化工方向的重要教學知識體系，“化學與生物反應工程”是國內外各高校化工類專業的核心課程之一。本文通過系統分析MIT“化學與生物反應工程”課程的教學設計模式特點和經驗，深入討論了其對我國新工科背景下化工類課程建設的啟示。

一、MIT“化學與生物反應工程”課程教學設計模式

（一）課程內容

MIT“化學與生物反應工程”課程內容強調了以下知識點：將反應速率、化學計量和平衡的概念應用于化學和生物反應系統的分析；從反應機制和平衡或穩態假設推導速率表達式；通過綜合化學動力學合成、傳輸現象以及質量和能量平衡來設計化學和生化反應器。此課程的主題內容有：化學/生化途徑；酶學、途徑和細胞生長動力學；用于微生物和哺乳動物細胞的化學反應和培養的間歇式、塞流式和充分攪拌式反應器；非均相和酶催化；反應器中的熱量和質量傳遞。

（二）授課形式

課程的授課形式囊括了理論課（Lecture）、討論課（Recitation）和實踐課（Web Lab Experiment）等。理論課由授課教師講述課程內容相關的理論知識，共25課時，每課時1個小時。討論課讓學生在支持性環境中嘗試去主動解決難題，共12課時，每課時1個小時。討論課不僅回顧課外作業解決方案、回答有關講義材料的問題以及討論解決問題的方法和考試方案，而且要求學生在討論課之前閱讀并思考課外作業的問題，同時學生須準備好被要求在黑板上解答問題。實踐課是劍橋大學與MIT合作資助的基于網絡的實驗教學項目。

（三）作業布置

課程的作業布置包含兩種形式：每周課外習題集和每周課外閱讀。每周課外習題集給學生一周左右的時間完成，評分后返回給學生。學生可以共同討論習題集作業，得到問題的解決方案和策略，但更鼓勵學生獨立思考解決問題的方法。每周課外閱讀作業須學生完成《化學反應工程基礎》和《生物動力學》輔助參考書中一定章節的內容。

（四）考核方式

課程考核評分包括課外作業、測驗、期中考試1、期中考試2、期末考試等5個部分，分別占總成績的20%、10%、15%、20%和35%。課外作業成績根據每周課外習題集完成情況進行評定；測驗成績由每周課外閱讀以及討論課的表現進行評分；期中考試和期末考試分別歷時1個小時和3個小時，成績根據卷面考試分數給定。

二、MIT工程學院教學設計方法特點分析與經驗總結

（一）課程內容實踐化

課程作為人才培養的重要載體，直接反映了一個學校的人才培養模式，甚至嚴重影響整個高等工程教育的人才培養質量。“化學與生物反應工程”課程是國內外化工類專業的關鍵核心課程，通過對比MIT工程學院，可以發現國內在課程內容構成方面的明顯差異。與國內的課程內容“教材化”相比，MIT在講授化學與生物反應工程相關的基本概念和方法原理的基礎上，更注重考查學生對所學課程理論知識的理解和融會貫通。盡管國內外都注重此課程經典理論的深入學習，但MIT在課程內容方面強調學生的主動參與和實踐能力，使學生在對基礎性知識正確理解的前提下，通過實踐環節熟練運用專業知識。另外，MIT 早在1916年就建立了科赫化工實踐基地［5］。同時，MIT 校園周圍有數十個工程研究和實踐中心，不僅為化工類專業的教、學、研提供了充分的保障，也為課程內容開發和教學實踐活動做出了充分的支持。

（二）授課形式綜合化

授課形式是對課程內容進行呈現的教學方式，人才的培養在一定程度上依賴于授課的形式和方法。國內化工類課程側重于規范化的理論課學習，而MIT更加突出“學習—思考—實踐—總結”為一體的綜合化授課形式。前者是單一灌輸式教學模式，學生是被動式參與課堂學習；而后者是一種全面發展的教學模式，充分發揮了學生主動探索和綜合訓練的功能。MIT“化學與生物反應工程”課程的教師講授時間僅占總課時的三分之二左右，相當多的時間是讓學生主動參與課程內容研討，并嘗試去發現問題、分析問題和解決問題。大量的討論課程在提高學生自主性的同時，也提升了其最基本的獨立思考判斷和團隊協作能力。另外，MIT在授課方式中也創造性地引入了網絡實驗室實驗課，通過與劍橋大學的遠程合作，不僅實現了優勢教學實踐資源的互補，而且極大地促進了學生的國際交流能力和視野拓展。因此，理論課、討論課和實踐課等不同授課形式的綜合化是加強學生對課程理論知識理解與掌握的有效途徑，是培養學生工程專業技能和職業認知的關鍵。

（三）作業布置體系化

作業布置作為課堂教學的延伸，可以有助于培養學生綜合技能和解決實際問題的能力。對于課程作業布置，國內主要以課程內容的復習或者網絡信息的查閱為主，在一定程度上缺乏體系化的教學并限制了學生的求知欲。相比較而言，MIT“化學與生物反應工程”課程通過每周發散性課外習題和每周輔助參考書課外閱讀，使學生全面、系統地熟練掌握課程內容。從教學方法來看，體系化的作業布置可以引導學生主動參與到教學活動中，真正使學生從學會到會學，進而可以較快地融入科學發展和工程實踐的前沿。MIT課程的課外習題類型發散且與實踐聯系緊密，如“美國某地一化工廠發生嚴重爆炸事故，推測可能是硝酸銨快速分解產生一氧化二氮所致，在給定條件下分析安全操作的反應溫度、繪制反應器內溫度隨時間的變化曲線、提出反應器安全啟動與關閉的流程等”，促使學生基于基礎理論知識去解決實際問題。另外，課外閱讀的指定教材內容十分豐富，涉及面非常廣泛，如指定的輔助閱讀書籍之一《化學反應工程基礎》就有1 000多頁，能充分滿足學生對課程的認識和求知欲。

（四）考核方式多元化

考核評價是教學活動中十分重要的環節，不僅可以完善課程計劃和課程目標，也可以判斷學生學習和教學質量，它在本質上影響著人才培養的方向和目標。國內化工類專業課程的考核通常采用傳統的閉卷期末考試作為唯一方式。這種方式往往考查的是知識儲備能力，而非知識的綜合運用能力，因此具有非常大的局限性。MIT課程的考核方式包括每周的課外作業成績、每周的課外閱讀以及討論課表現成績、兩次期中考試成績和一次期末考試成績，期末考試的成績僅占總成績的35%。可以看出，MIT在課程考核評價過程中方式更靈活，更注重學生的平時表現，這在一定程度上也調動了學生全程參與教學活動的積極性。另外，在考核題型方面，國內的課程考核往往圍繞教材內容以選擇題、填空題、判斷題、問答題等客觀題型為主；而MIT的課程考核更多采用綜合應用題、理論分析題和開放討論題等主觀題型，并不局限于固定的基本知識點，充分鍛煉了學生的創新思維能力和解決問題能力。

三、對新工科背景下化工類課程建設的啟示

（一）推進課程內容改革，優化課程設置體系

深化課程內容改革是新工科背景下化工類人才培養的關鍵，只有不斷推進課程內容改革，才能使課程教育更好地為培養新工科人才服務。為此，我國高等工程教育可以從以下四個方面強化課程體系建設：（1）課程內容要聚焦前沿性、實踐性和國家需求，新工科人才的培養目標應以世界科技的前沿和經濟社會的需求為導向，與國家的發展戰略相適應。（2）課程設置要打破學科的界限，鼓勵學科交叉，特別是工程類課程與經濟、管理、金融、電子、通信等熱點類課程的交叉，加強工程類專業教育與通識教育的融合，構建多學科交叉的新工科人才培養課程體系。（3）課程內容要突出全球視野和國際競爭力，引導學生主動參與跨文化課程的學習交流，促進學生形成正確的世界觀并提高國際交往能力。（4）強化課程思政建設，樹立課程建設新理念，構建課程教學全過程、全方位的育人格局。

（二）豐富課程授課形式，轉變教學思想觀念

課堂教學是培養人才的主渠道和主陣地，以一種標準化和規模化的形式滿足了現代社會的人才需求，但是這種傳統教學模式往往忽視了學生的個性化和知識的實踐性。MIT工程學院多年來積累的豐富經驗為新工科背景下課程教學改革提供了一定的思路：（1）創新教學方式方法，加強課堂授課模式改革，深入推進個性化、實踐性教學，突出教學目標要堅持知識、素質、能力的協調發展。（2）課程教學充分借助課上、課下、線上、線下相結合的立體化教學模式，全面調動學生的學習積極性，在提升教學體驗的同時力爭實現理論與實踐技能的統一。（3）利用國家“一帶一路”倡議等搭建的對外交流平臺，積極推進高等工程教育國際化，引進和整合國際優質工程教育資源，加強工程教育國際交流與合作，拓寬學生的國際視野，提高我國高等工程教育的國際影響力和競爭力。

（三）創新課外作業設計，引導學生主動參與

課外作業設計是課堂教學活動的延續和補充，是高等工程教育過程中必不可少的重要組成部分，是理解、運用和鞏固所學課堂理論知識的重要手段，對于提高工程教學質量有著至關重要的作用。為實現新工科人才的深化培養，我國高等工程教育仍需要不斷地改革創新：（1）創新課外作業設計體系，積極引入討論式、啟發式、項目式、案例式、參與式作業形式，突出課外作業的層次性和系統性，提高課程的整體教學質量。（2）以問題為中心設置課外作業，引導學生自由探索、獨立思考，注重激發學生的自主學習能力、創新意識和求知欲。（3）豐富社會實踐、課外閱讀、科技講座等第二課堂活動與作業安排，以提升新工科背景下的育人水平，并實現學生多元、全面和個性發展的目的。

（四）完善考核評價體系，注重學生培養過程

建立完善課程考核評價體系是提升人才培養質量與效率的重要保障，靈活多元化的評價機制也有助于客觀、全面地反映學生的綜合發展水平。借鑒MIT工程學院的經驗，我國在新工科背景下的考核評價體系可以從以下四個方面進行完善：（1）改變終結性評價體系，樹立過程性評價體系，通過突出過程導向，實現對學生培養的多次和多環節階段性評價，進而充分調動學生學習的積極性。（2）將傳統單一評價主體向多元化評價主體轉變，使評價成為教師、學生、家長、管理者等共同參與的交互教學活動，通過自評和互評促進課程改革和學生全面發展。（3）豐富考核評價模式，在絕對性評價模式的基礎上引入相對性評價模式，如實踐作業、課堂表現、交流合作以及信息化在線活動參與等，通過多個角度使得評價更有利于學生綜合能力的提高。（4）科學設計考核內容，引導工程教育和經濟社會發展相適應，將人才培養的考核評價方式與國際科技前沿相聯系，以更好地培養實用型人才，使其服務于國家新時代的發展。

結語

新工科建設是我國高等工程教育應對新一輪科技革命和產業變革挑戰、加快工程教育改革、培養新興領域工程科技人才、建設工程教育強國、提升國家硬實力和國際競爭力的重大戰略行動。在新工科建設背景下，化工類專業作為傳統工科專業面臨著諸多機遇和挑戰，需要不斷推進課程體系建設和教學模式改革，以滿足國家和社會發展的需求。另外，我國高等工程教育也應以新工科建設為契機，探索以愛國情懷、職業素養和工程實踐能力為核心的思想政治理論課堂教學方法改革，深化“一帶一路”國際教育交流與合作，建設具有中國特色的化工類專業人才培養新途徑。