CDIO理念下化學工程基礎(chǔ)課程教學理論探索與實踐

高楓　石文兵　郭曉剛　賈乾發(fā)

摘? 要：該文結(jié)合現(xiàn)代化工對專業(yè)人才需求多元化，提出采用CDIO教學理念對化工人才培養(yǎng)定位和人才培養(yǎng)模式構(gòu)架和做法，從優(yōu)化教學內(nèi)容、教學體系多元化、教學方法工程化3個方面探討化學工程基礎(chǔ)課程工程化理論授課，以期望對其他工科課程授課提供參考和借鑒作用。

關(guān)鍵詞：化學工程基礎(chǔ)；CDIO；工程教育；多元化；工程化

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）04-0101-04

Abstract： This paper combines the modern chemical industry's diversified demand for professional talents， proposes the adoption of CDIO teaching concept for chemical talents training orientation and talent training mode framework and practice， and discusses the engineering theory lecture of the course of Elementary Chemical Engineering from three aspects， such as optimization of teaching content， diversification of teaching system and engineering of teaching method， in order to expect to provide reference and reference role for other engineering courses lecture.

Keywords： Elementary Chemical Engineering; CDIO; engineering education; diversification; engineering

教育是推動經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的重要力量，高等學校是教育的寶貴資源和財富，加快高等教育發(fā)展，增加高校建設(shè)資金投入，擴大高校招生規(guī)模，滿足國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展對人才的強烈需求。2020年高校畢業(yè)人數(shù)約為874萬人，其中理工農(nóng)醫(yī)類學生約有243.4萬人，約占總畢業(yè)生人數(shù)的27.85%，但我國在工程教育實踐中，還有很多問題尚未解決，較為突出的是學生理論豐富，實踐欠缺，少數(shù)學生“紙上談兵”，工程實際操作能力、團隊交流合作能力乃至開拓創(chuàng)新能力等未能達到工科人才質(zhì)量培養(yǎng)要求。學生沒有受到或較少受到工程化和團隊工作的實際訓練，造成學與用的脫節(jié)。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代化工技術(shù)具有向大型化、綜合化方向發(fā)展，原料、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品多樣化、復雜化、多學科綜合技術(shù)載體、生產(chǎn)技術(shù)密集型、高度自動化，早期手工操作狀態(tài)由自控系統(tǒng)取代，因此對專業(yè)人才的需求由勞動集約型向人才集約型轉(zhuǎn)型，要求專業(yè)性人才動手能力強、創(chuàng)新意識濃，有了更高的要求。

化學工程基礎(chǔ)是化工專業(yè)人才培養(yǎng)過程中重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要講述典型設(shè)備構(gòu)造、工藝尺寸設(shè)計、設(shè)備選型等，這門課程綜合以前所學理論基礎(chǔ)知識解決實際工程問題，具有工程性、應用性，是化工學科一個重要組成部分。這門課程是由自然學科向工程學科起著過渡橋梁作用[1]。因此如何應用CDIO理念進行化學工程基礎(chǔ)課程教學，本文進行了有益的探索與實踐。

一? CDIO理論基礎(chǔ)

依據(jù)現(xiàn)代工程師職業(yè)角色，參與或領(lǐng)導產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計、過程、實現(xiàn)與設(shè)計，以此確定工程教育的目標將工科學生培養(yǎng)成一個在團隊環(huán)境下能夠構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運行復雜過程和系統(tǒng)能力的現(xiàn)代工程師。畢業(yè)生走向社會所承載工程師所做的工作[2]，所應具有工業(yè)界向工程教育提出的工科畢業(yè)生所需要的能力，因此在學生培養(yǎng)的過程中強調(diào)以下幾方面內(nèi)容。

第一，學生主體，能力本位。在學習的過程中，引導學生積極參與、主動選擇，而不是被動灌輸式接受知識。教師的教學目的是讓學生在傳授知識的同時轉(zhuǎn)向能力的培養(yǎng)。化工DCS模擬仿真系統(tǒng)、工廠化教學，可以讓學生感受真實環(huán)境，培養(yǎng)學生處理實際問題的能力、系統(tǒng)思維能力、團隊合作和與人溝通能力。

第二，在教學目標和方法上強調(diào)一體化教學，注重培養(yǎng)學生在學習科學知識的同時，促進學生各項能力提升，教學方法上以培養(yǎng)知識、能力、素質(zhì)一體目標為基礎(chǔ)，構(gòu)建一體化課程體系。

教育方法上，積極利用每年化工專業(yè)兩大國家級比賽（全國大學生化工原理實驗大賽和全國大學生化工設(shè)計競賽），尤其全國大學生化工設(shè)計競賽，比賽題目貼合實際，題目略難，以這樣題目或者選取一部分項目為載體，來布置課程作業(yè)，通過真實的題目，學生綜合聯(lián)用各項知識點，促進能力提升，樹立良好職業(yè)態(tài)度。

二? 實施過程

（一）? 優(yōu)化教學內(nèi)容

依據(jù)CDIO教學理念，化學工程基礎(chǔ)課程在教學內(nèi)容上突出系統(tǒng)化、工程化[3]，八個基本單元操作內(nèi)容之間圍繞動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞（三傳及三傳類比）一條主線，找到必然邏輯關(guān)系。保證知識體系宏觀的穩(wěn)定與系統(tǒng)，但在各個單元操作中，可以彈性化和靈活化教學方式展開。教學過程中，授課內(nèi)容以工程實際系統(tǒng)做載體，實踐教學以工程案例實際形成方法進行教學，在有限的教學學時內(nèi)，達到工程化教學目的。如在講授傳熱知識點，可分為三個階段遞階進行，第一層次課堂理論教學；第二層次傳熱單元驗證性實驗；第三層次換熱器的設(shè)計訓練。這三個層次都與深化理論和加強實踐能力培養(yǎng)相關(guān)，知識傳遞與能力培養(yǎng)遞進深化，三個層次相互貫穿。當理論授課內(nèi)容完成，換熱器設(shè)計課題也完成，這樣教學安排，學生學習到的知識點可以立即應用到實際的換熱器設(shè)計過程中，學以致用，提高學生學習的興趣，對知識的掌握更加牢固、運用上更加熟練。

（二）? 教學體系多元化、工程化

1? 合理運用多元教學模式

多元教學模式有很多種類，如翻轉(zhuǎn)課堂、任務(wù)引導、小組討論等。多元化教學目的是調(diào)動學生的學習性。互動是教育教學中的重要形式，可以師生互動、生生互動，通過互動能夠發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。但現(xiàn)在的教學模式大多仍以單向傳輸為主，在這種單向傳輸過程中，師生之間缺少互動，教師教授知識為主，而不是以人為本，教師只是傳輸了知識，而學生掌握程度參差不一，導致學習者興趣下降，學習效率不高。信息技術(shù)的快速發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體的教學已經(jīng)不受時空、地域的限制，尤其5G虛擬校園建設(shè)及應用，大大拓展了學生學習的時間和空間，利用教學平臺可以隨時、隨地學習，促進了教學交互執(zhí)行手段的時效性和多樣性。拓展利用網(wǎng)絡(luò)教學平臺的優(yōu)勢與范圍，進一步提升基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下課程多元互動性，師生在教學中討論，在討論中互動，在互動中尋求培養(yǎng)目標的契合點。

在實際教學過程中，我們開發(fā)了化學工程基礎(chǔ)課程云教材（如圖1所示），教材有如下幾個特點。

1）嵌入數(shù)字化資源。學生只要用手機鏈接到相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，能夠看到課程的資料或視頻，方便了學生學習，并且擴展了教材的內(nèi)容含量，打破了傳統(tǒng)紙質(zhì)教材的固定模式，摒棄了呆板的展示形式，引入信息元素，利用先進科技手段融入教材編寫過程，將相關(guān)知識點采用多媒體元素呈現(xiàn)，注重知識點內(nèi)涵的展示，有利于激發(fā)學生的學習興趣，提高學生學習的自主性。

2）數(shù)字化資源制作。以課程章節(jié)知識點為核心，建立微課、動畫、測試題、教學大綱和概念解答等資源庫，形成立體化教學資源，便于教師教學及學生練習，如圖2所示。

教材可以利用教學平臺為載體，學習平臺可以自己搭建，也可以利用比較好的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平臺，如中國大學MOOC、學堂在線、超星慕課等。各平臺既有通用功能，又有自己的特色，如課程大綱、教師授課視頻、學生在線學習時間統(tǒng)計、作業(yè)、考試及參考資料等。便捷網(wǎng)絡(luò)、功能較佳的學習平臺給學生提供了靈活、開放、互動的自主學習環(huán)境，有利于促進學生自主學習，提高學習效率。

3）加強互動性。化學工程基礎(chǔ)數(shù)字化教材遵循學生閱讀規(guī)律，按照圖書風格編排，嵌入豐富教育資源。①學生圍繞知識點可以課上、課下與教師之間、同學之間、甚至志愿者、校外專家或者教輔人員進行溝通交流。（圖3、圖4）。②學習平臺可以記錄學生登錄平臺的基本數(shù)據(jù)，如簽到、學習時間、作業(yè)完成情況和考試成績分布等數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)，進行挖掘與分析，可以判定學習者的學習行為及習慣，教師依此指引學生個性化學習行為，為改進教學、促進學生學習提供有效參考。③移動交互式數(shù)字教材的混合媒體一體化編排設(shè)計的閱讀和瀏覽，支持文字、圖片、畫廊、語音、視頻在一個場景里的沉浸式學習。④支持流式版式的上下滑動、翻頁，支持字號大小的設(shè)定，支持按照關(guān)鍵字查找書籍內(nèi)容，支持按照章節(jié)目錄索引、按照頁碼定位。⑤批注和筆記功能。智能化平臺可以支持學生在教材中任意一段文字進行筆記標注，例如，文字高亮、圖片解釋、錯題更正等。在筆記記錄位置同時系統(tǒng)自動記載批注或筆記的時間，以便學生復習。在手機版、PAD版中支持創(chuàng)建語音筆記，支持創(chuàng)建圖片、照片筆記，支持創(chuàng)建語音、圖片、文字的混合筆記；支持筆記標注管理，管理自己筆記，查看授課教師標注的學習重點、同班同學的筆記和全國學習者分享的筆記；學生筆記位置，系統(tǒng)自動編錄索引管理，類似紙質(zhì)教材目錄，學習者點擊筆記索引，就可以自動定位到教材對應的知識點位置。

數(shù)字化教材的引入，學生學習不受時間、場地的限制，可以隨時和教師、同學間互動，較好地激發(fā)了學生學習的興趣。在實際教學過程中達到了良好的教學效果。

2? 課程工程性突出

1）授課內(nèi)容工程性強化。化學工程基礎(chǔ)課程內(nèi)容工程性突出，在授課過程中以提升學生工程能力為導向，突出創(chuàng)新和實踐能力培養(yǎng)，構(gòu)建產(chǎn)學一體工程化課程體系，突出實踐教學比重，重視素質(zhì)技能，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入人才培養(yǎng)過程[4]，在實際授課過程中，依照內(nèi)容崗位化，訓練項目化，構(gòu)建實踐教學體系，以任務(wù)為載體，產(chǎn)學合一情景式學習教學模式[5]，為學生搭建實踐平臺，真正實現(xiàn)理實融合[6]。例如與沈陽化工大學合作開發(fā)了單元操作DCS仿真系統(tǒng)（圖5），同時購買了浙江中控技術(shù)股份有限公司八個單元操作實訓裝置，學生完成理論學習、DCS仿真模擬實驗、驗證性實驗，以實訓裝置為平臺，教師設(shè)置故障點，學生以小組的形式，依據(jù)所學理論知識，排除故障，培養(yǎng)學生解決問題的能力。

2）教學方法工程化。以工程任務(wù)為導向，以案例-原理-實踐模式進行專業(yè)課程理論教學。設(shè)計性、創(chuàng)新性和綜合訓練項目為載體，通過“虛擬仿真、綜合訓練、實際應用、創(chuàng)新提高”四個漸進過程培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、學以致用和舉一反三的能力[7]。在授課過程中，主要采用以下幾種方式。①設(shè)立工程性任務(wù)，在完成驗證性實驗后引導學生開展探究性實驗，例如在離心泵性能曲線驗證性實驗測試結(jié)束后，可結(jié)合某一工段所需的流量，讓學生設(shè)計工程需要的離心泵，這樣工程任務(wù)涉及流體能量衡算、管路阻力計算、泵的型號選擇、流量、揚程和功率的計算等知識點綜合應用，具有更強的現(xiàn)實意義。②工程任務(wù)設(shè)置，把握學生學習的側(cè)重點，分清主次矛盾，避免學生在授課知識點以外花費較多精力。以精餾塔設(shè)計為例，學生關(guān)注的重點是塔的主體設(shè)計如塔高、塔徑、塔板數(shù)的計算等，而不是塔附屬設(shè)備如塔板結(jié)構(gòu)等。③適當安排工程任務(wù)，學生完成工程任務(wù)比驗證性實驗花費時間長、投入精力更多，因此在布置工程任務(wù)時，不可能每個知識點都會布置，按照實際工程應用中，應用最多、涉及知識點較廣，如：換熱器、吸收塔、精餾塔和干燥器等一些典型的設(shè)備進行工程化理論知識布置工程任務(wù)較好。

三? 結(jié)束語

化工工藝大型化、復雜化、自控化對專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了更高的要求，化工專業(yè)應努力踐行CDIO教學理念，根據(jù)行業(yè)技術(shù)需求、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)整學生培養(yǎng)目標，建立新的培養(yǎng)機制和模式，應對工業(yè)界對人才的需求。化學工程基礎(chǔ)作為化學工程與工藝專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)課程，對學生步入社會從事本專業(yè)工作起著重要的作用。應用CDIO教學理念，依據(jù)三傳及三傳類比（動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞）教學內(nèi)容為教學主線，展開理論教學，以涉及知識面廣、應用廣泛的內(nèi)容展開工程性任務(wù)教學，努力將學生培養(yǎng)成在團隊工作環(huán)境下構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運行復雜過程和系統(tǒng)能力現(xiàn)代工程師，滿足工業(yè)實際需要。

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基金項目：重慶市2022年高等教育教學改革研究“新工科背景下基于產(chǎn)教融合的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建與實踐——以長江師范學院化學工程與工藝專業(yè)為例”（223368）；長江師范學院2022校級重大教改項目“面向新工科產(chǎn)教融合化工人才創(chuàng)新培養(yǎng)體系構(gòu)建與實踐”（JG2022102）

第一作者簡介：高楓（1976-），男，漢族，遼寧營口人，博士，副教授。研究方向為化工冶金。