適應工程認證的化工設計課堂教學改革與實踐

汪紅娣，宋艷江，周文君

(杭州師范大學 材料與化學化工學院，浙江 杭州 311121)

0 引言

工程教育專業認證是我國高校推行工程教育改革、提升工程教育質量的重要手段和途徑，其目的是使人才培養與社會需求相適應，進一步提高我國工程教育的國際競爭力。與傳統工程教育相比，工程教育專業認證中更強調要求“以學生為中心，成果導向，持續改進”的教育理念，注重培養學生解決復雜工程問題能力及創新思維能力[1-2]。化工設計課程是化工相關專業的必修課，是一門涉及多學科知識領域的交叉性、綜合性課程。該課程目的是培養學生在學習過程中形成工程意識，提高學生的工程設計實踐能力，為解決實際復雜工程問題奠定基礎[3]，這與工程教育專業認證標準對人才培養的核心要求(培養學生解決復雜工程問題的能力) 高度一致。近年來，在專業認證背景下，雖然教學改革的號召轟轟烈烈，但課堂改革的實踐卻冷冷清清。課堂教學是使學生能夠達到畢業要求、達成培養目標的基礎[4]。然而，在實際教學過程中，化工設計的課堂教學質量和效果卻始終不盡如意。為此，教學團隊以專業認證理念為核心，以專業認證標準為依據，全面深化化工設計課堂教學改革，以提高工科學生工程設計能力和解決實際工程問題能力為出發點，以期滿足企業和社會對實踐型人才培養的需求。

1 基于專業認證標準分析傳統化工設計課堂教學現狀

1.1 偏重于知識型課堂

傳統化工設計課堂由理論知識主宰，講的是知識，學的是知識，考的是知識，缺少對實際工程項目的解讀和工程設計軟件訓練，難以使學生在學習過程中形成工程思維和解決復雜工程問題能力。以教材為主的課程知識往往滯后于最新化工前沿成果或脫離于工程實際問題，拘泥于教材內容的課堂教學無法使學生了解工程設計的發展現狀。其次，我國高校工科中青年教師來源單一，絕大部分都是以科研為主的高校畢業生，許多教師普遍缺乏工程設計能力和實踐工作經驗，無法從工程設計層面給學生提供足夠的指導和案例分析，這直接影響到學生的工程設計能力和水平[3,5]。目前企業急需具有工程設計思維，能夠熟練使用各類現代設計軟件的復合型人才。顯而易見，知識型課堂無法滿足工程教育專業認證要求具備解決復雜工程能力的標準，更無法滿足企業對復合型工科人才的實際需求。

1.2 多為灌輸式課堂

化工設計是一門實踐應用型課程，綜合性強，知識范圍跨度大，設計標準復雜、技術難度大。傳統以教師講授為中心的課堂教學模式多為“單向灌輸式”教學，教師往往照本宣科式介紹教材內容，學生要做的是聆聽、理解和記憶，教學過程成了學生“復制”知識的過程。由于教學手段單一，課堂趣味性低，缺乏師生之間的互動性和對話性，容易導致前排滿座率低、課堂抬頭率低、學生參與率低的“三低課堂”[6]，使得課堂氣氛沉悶，學生學習積極性不高，這與工程教育專業認證中以“學生為中心”的教育理念仍有很大差距。

1.3 封閉式教與學

傳統化工設計教學往往是以教材、教師和教室為中心的封閉式課堂教學，使得教學過程出現內容、時空以及評價體系的多方位閉環，嚴重影響師生教與學的效果。內容的閉環主要體現在知識局限于從教材到課件，從課程教學大綱到考試考查范圍。當前化工設計教材偏重于概念性介紹，部分內容相對陳舊，局限于教材內容的教學無法使學生拓展了解工程設計的實際案例，導致學生工程思維意識的薄弱。加之傳統“平時作業+ 期末考試”的單一考核方式，一方面，導致學生為追求課程成績而學習，使其對課程知識的理解和掌握更局限于教材與考試大綱的狹窄范圍之內[7]；另一方面，該考核方式無法反映學生的真實水平，無法評估學生的自主學習能力和解決問題的能力，更無法實現有效的教學反饋和持續改進。時空的閉環則體現在學生學習主要在有限空間的課堂和校園以及一節又一節有限的課時間。化工設計內容繁多，課時有限，僅憑借課堂內的教與學，難以達成專業預設的培養目標。顯然，這種圍繞“教材-教師-教室”的封閉式課堂教學無法滿足工程教育認證要求整個教學過程的設計必須圍繞培養目標和畢業要求指標點展開，通過多方位考核和周期性評估施以持續改進的標準。

2 化工設計課堂教學改革的創新舉措

針對上述現狀，結合工程教育專業認證的要求，課程教學團隊對化工設計課堂教學提出一系列創新改革策略(圖1)，實現從知識課堂向能力課堂轉變，從灌輸課堂向互動課堂轉變以及從封閉課堂向開放課堂轉變。

圖1 化工設計課堂教學改革策略

2.1 重構教學模塊，強化現代設計軟件學習，推行以賽促學的教學模式，實現知識課堂向能力課堂的轉變

化工設計課程是一門綜合性強、應用性廣、知識點分散、交叉性強、系統性差的專業課程。教學團隊通過系統性優化教材內容，重構課程教學模塊，將其優化為化工設計程序和規范、工藝流程模擬與設計、化工工藝計算、設備設計與選型、車間與管道布置、安全與環境保護、設計概算與技術經濟以及設計文檔編制等8 大單元模塊，使得知識結構更加清晰。強調結合多種現代設計技術軟件，加強學生熟練使用化工專業軟件的能力，如工藝流程設計模塊融入流程模擬軟件Aspen plus 的入門學習，單元設備設計與選型增加智能選泵軟件、Aspen Exchanger Design and Rating 換熱器選型、SW6 強度校核等軟件的應用，換熱網絡集成與優化引入Aspen Energy Analyzer 的學習，車間與管道布置介紹Auto CAD、Pdmax、Sketchup 等繪圖軟件的使用。在課堂教學中，有意識、有策略地將專業理論知識和基本設計規范有機融入于各模塊的軟件教學中，引導學生運用基本理論知識去解決分析工程問題，提高學生的知識遷移能力和綜合應用能力。以工藝流程模擬設計模塊教學為例，結合Aspen plus 流程模擬軟件對各單元操作(流體流動、分離、換熱、反應等)進行仿真設計，適時回顧化工原理、物理化學、反應工程等相關理論知識，引導學生如何利用基本理論知識對典型化工過程進行參數優化和故障分析。

針對學生缺少知識綜合運用能力，工程意識薄弱等現狀，實行“入門指導＋項目設計+競賽提升”循序遞進的教學模式。由課堂教學為入門指導，讓學生整體了解實際工程項目設計的全部環節，初步掌握現代設計技術軟件的使用。從項目設計為任務起點，借化工設計競賽為提升紐帶，納競賽題目為本課程考核項目主題，以團隊形式展開項目設計。從項目方案設計、流程模擬、技術實現、工藝圖紙繪制，到文檔研究報告撰寫、項目PPT 編制與團隊協作答辯，整個過程以學生為主體、教師為輔導的模式進行，注重能力為導向，而非知識導向。完整的工程項目設計體驗，極大的培養了學生的工程意識和整體觀，鍛煉了學生的工程設計能力和團隊協作能力，實現了讓學生真正學習知識、理解知識、活用知識以及轉化知識。學生更是通過化工競賽的激烈角逐，尤其是經歷現場答辯及專家評委的尖銳提問后，從心理、知識、技能上得到系統全面的提升與熏陶。

2.2 引入問題式、案例式和半翻轉課堂等教學方法，實現灌輸課堂向互動課堂的轉變

引入問題教學法，其關鍵在于通過提問式、啟發式教學，引導學生自主思考及探究解決問題的方法，將教師單向知識傳授的課堂教學轉變為以學生中心的互動課堂。選取典型問題(以設備設計與選型中，如何合理設計與選擇流體輸送泵為例)作為課堂教學導入，教師發散式提出一系列更多相關問題，如泵的工作原理是什么？泵的類型有哪些？泵的性能參數有哪些？選泵應遵循哪些原則？泵在操作使用過程中可能出現哪些故障？課堂內師生采取互問互答、“組內＋組間”討論等形式多變的課堂教學組織，將課堂從“一言堂”變成“學習共同體”。教與學過程以頻繁的師生問答互動方式進行，不僅活躍課堂氣氛，增加學生的參與度，還提高了學生獨立思考和分析解決問題的能力。

運用案例分析進行實踐教學，讓學生對所學內容有直觀的理解，培養形成工程思維和工程意識。以工藝流程設計精餾塔模擬為例，通過課前資料分享和課內視頻資料觀看，將企業的實際生產線引入課堂，讓學生初步了解實際生產車間精餾裝置的基本組成結構以及實際開停車的運行、過程參數調控和故障分析等操作過程。隨后依托Aspen plus 模擬軟件，針對某一產品(如乙苯/ 苯乙烯混合物) 分離精制實例，教師進行模擬演示和學生獨立實操訓練，引導學生如何利用化工模擬軟件為實際化工工藝過程解決快速計算、更新工藝流程或優化全裝置操作參數等工程關鍵問題。

此外，基于智慧教室、學習通、釘釘群的創新性混合教學模式，增加智慧教學工具的使用幅度，對部分章節內容設置新型半翻轉課堂混合式教學模式。以工藝流程模擬中的全流程節能優化策略的設計為例，利用學習通、公眾號、釘釘群等途徑推送翻轉課堂資源，通過課堂角色轉換，引導學生獨立思考和自主學習，給予學生更多的自主探索和合作互動的空間。隨后，教師在課堂中及時分析評估學生對知識點的理解不足或誤區，有側重點的進行補充和深入講解，并解答學生在自主學習過程中的問題。這種半翻轉課堂+即時反饋教學方式極大促進了學生對工藝流程節能優化的重難點知識理解與內化，提高了學生學習的主動性和積極性。

2.3 采用智慧型線上線下混合教學手段和全過程評價考核方式，實現封閉課堂向開放課堂的轉變

教學團隊以開展智慧教學，拓展課堂教學的深度和維度。通過創建“化工設計”網絡課程，采取“課堂入門學習＋課外自學拓展”的線上線下混合教學手段，使教與學在時間上從課內向課外延伸，空間上從教室向圖書館、網絡課堂輻射，內容上從教材向大量參考資料擴充，打破封閉式課堂的壁壘，實現向開放式課堂的轉變。不斷完善“化工設計”網絡課程建設，擴充豐富優質的教學資源，分享流程模擬實例解析視頻，更新各類設計規范文件，利用手機APP，隨時隨地補充相關課外學習資料；通過網絡課程平臺的學習云數據和討論、留言區，使學生自由地進行線上提問交流，讓教師及時反饋和督學；創建豐富的模擬實例題庫，應用在線作業提交-互評-反饋模式，強化課內外現代設計軟件實操訓練，從而打造比傳統教學更為立體的教學資源庫，為學生提供更豐富的參考資料和學習平臺。

針對“化工設計”課程綜合性強的特點，其課程考核方式打破了傳統單一的期末閉卷考試方式的束縛，采用“課堂仿真模擬＋課后強化訓練+工程項目設計＋團隊合作答辯”的綜合性考核方式，將過程跟蹤評價法與終結性評價法相結合。整個考核環節涉及學生的自主學習、團隊合作、創新能力和解決問題能力，以及工程設計、報告撰寫、現代技術工具運用等多方面的能力。依據全過程綜合考核結果評價培養目標和畢業要求的達成度與符合度，從而實現對教學活動的持續改進(圖2)。

圖2 化工設計教學改革、能力培養與持續改進關系圖

3 結語

探索新的教學方式，激發學生學習興趣和創新能力，培養學生解決復雜工程問題的能力，合理評價學生學習水平并持續改進，一直是努力的方向。基于工程教育專業認證的先進理念，對化工設計課程進行全方位課堂教學改革與實踐，提出了打造開放式課堂、互動課堂和能力課堂的創新舉措。該項目的實施，極大提高了學生的自主學習能力，培養了學生的工程設計與創新實踐能力，取得了良好的教學質量和效果。