郭玉華，呂春燕，王坤燕，徐敏虹

(湖州師范學院 工學院,浙江 湖州 313000)

0 引 言

2017年教育部啟動的新工科計劃是新時代社會經濟發(fā)展的現(xiàn)實需求，為高校工程教育改革創(chuàng)新指明了新方向.新工科的內涵是以立德樹人為引領，培養(yǎng)具有家國情懷、工程實踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力的卓越工程技術復合型人才.與傳統(tǒng)工科相比，新工科更注重學科的實用性、交叉性和綜合性.如何通過課程教學改革滿足新工科人才培養(yǎng)的需求，已成為高校教學研究與改革的重點[1-2].“化工設計”課程研究的是化工過程開發(fā)中科技成果轉化為生產力的技術，是一門涵蓋知識應用和實踐操作的專業(yè)課程，設計過程涉及化學、化工、機械、電氣、土建等專業(yè)，以及政治、經濟、資源、產品、市場等多方面知識，是一門綜合性很強的技術科學.材料化學是一門新興交叉學科，是材料科學、化學和化工領域的重要分支.工科類專業(yè)在專業(yè)培養(yǎng)中側重材料和化學方面的基本理論、基本知識和基本實驗技能的學習，對工程設計實踐類課程知識體系的學習較少.而新材料技術的產業(yè)化和升級換代需要進行工程設計才能實現(xiàn).為適應材料科學與工程領域對工程技術人才培養(yǎng)的需要，湖州師范學院對材料化學專業(yè)大三學生開設了“化工設計”課程.學生通過學習該課程，可以擴大知識面，提高綜合運用知識進行工程設計的實踐能力，這與新工科建設對人才培養(yǎng)的目標是一致的，也符合《制造業(yè)設計能力提升專項行動計劃(2019—2022年)》對設計人才的培育需求.

“化工設計”課程教學不僅要向學生傳授基本技術知識，還要讓學生學會運用學過的專業(yè)知識解決化學工業(yè)生產過程中的實際問題.而傳統(tǒng)的教學模式過分注重對課本知識的講解，因此對實踐性較強的“化工設計”課程來說，會導致學生動手能力得不到提高，學習興趣降低，對知識一知半解，缺少嚴謹求實精神和創(chuàng)新實踐精神.采用這種教學模式培養(yǎng)的學生已不能滿足企業(yè)對實踐型人才的需求.湖州師范學院材料化學專業(yè)人才培養(yǎng)以服務地方，著力培養(yǎng)高級應用技術型人才為目標.面對新環(huán)境、新趨勢、新工科的要求，現(xiàn)有教學模式已難以完成相應的人才培養(yǎng)任務.因此,新工科背景下“化工設計”課程教學模式改革勢在必行.

1 傳統(tǒng)教學模式存在的主要問題

1.1 教學內容知識體系不夠完善

“化工設計”課程是一門涉及多個學科知識領域的綜合性課程.該課程除涉及基礎的“四大化學”知識、化工原理、化工工藝等專業(yè)知識外，還涉及安全可靠性、環(huán)境保護、經濟合理和操作人性化等方面的內容.湖州師范學院材料化學專業(yè)在人才培養(yǎng)中的工程課程較少，支撐化工設計的知識體系還不夠完善，這給“化工設計”課程的學習帶來了很大難度.教師在有限的課時內要講授的內容非常繁雜，學生難以系統(tǒng)地掌握和應用.此外，傳統(tǒng)的“化工設計”課程教學注重化工過程計算和工藝設計，對高效快速的輔助化工過程設計軟件介紹不多.目前大型的化工過程設計均由專業(yè)的計算機軟件輔助完成，學生雖然掌握了專業(yè)知識，但卻缺乏高效率表達設計結果的手段.

1.2 學生工程意識薄弱，缺少知識的綜合運用能力

學生工程意識普遍薄弱，缺乏實踐知識.這主要是因我國的大學生大部分是由高中直升大學的，而中學教學沒有涉及工程學方面的內容，講授的內容如數(shù)學、化學、物理等都屬于科學體系，當學生進入大學后也鮮有機會接觸相關工程知識和參加工廠實習，學校也沒有開設相關的工程學課程，因此學生工程學方面的知識仍是空白[3].工程學知識體系和基本思維方式與自然科學是有區(qū)別的，它突出實踐性，注重培養(yǎng)學生的分析、設計、綜合等方面的能力.“化工設計”是一門綜合性課程，要求學生能夠將“四大化學”基礎知識和化工原理、化工熱力學、化學反應工程、化工機械設備、化工儀表及自動化等專業(yè)課程知識融會貫通，并綜合運用.對材料化學專業(yè)的學生來說，“化工設計”課程的教學內容和教學方式是全新的，部分學生缺乏學習的主動性，雖已學過相關的基礎課程，但其綜合運用知識的能力還較薄弱.

1.3 教學組織形式過于傳統(tǒng)，重理論，輕實踐

“化工設計”課程具有很強的工程性、技術性和實踐性.傳統(tǒng)的課程教學主要以傳授專業(yè)知識為主，是一種以書本知識為中心的學習方式.其課堂教學組織形式是知識的單向傳授，學生被動地接受知識，部分學生甚至是為應付考試而學習的，缺乏主動意識和創(chuàng)新能力[4].實踐性對學生來說是一個盲區(qū)，社會普遍反映工科專業(yè)畢業(yè)生動手實踐能力不強，這已成為近些年工科專業(yè)實踐教學中的一個突出問題[5].其主要原因是：目前校內外專業(yè)實訓基地較少，學生無法進行實際操作和專業(yè)技能訓練；受市場經濟影響，校外工廠、企業(yè)不愿意接收和安排實習學生，怕干擾生產秩序，即使學生有機會到校外實習也是走馬觀花，嚴重影響了實踐性課程的教學質量.

1.4 考核方法單一

長期以來，高校的課程考核通常忽略學科和課程的性質與特點，普遍采用單一的閉卷考試，其考試內容是課程教材中一些重要的知識點.而學生為應對考試，被動地記憶與理解知識，缺乏主動性和創(chuàng)造性.因此，這種考核方式實難反映學生通過課程學習所獲得的工程實踐能力和創(chuàng)新思維能力，與工科專業(yè)以培養(yǎng)學生動手實踐能力和創(chuàng)新能力的教學目標不相適應.為全面推進素質教育，工科專業(yè)課程考核方法的改革應著眼于全面科學地評價學生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力，充分發(fā)揮考核評價體系在激發(fā)學生學習主動性和創(chuàng)造性中的導向作用.

2 教學改革措施

“化工設計”課程教學承擔著培養(yǎng)學生工程設計能力的重要使命.如何以“應用”為主旨在有限的課時內使材料化學專業(yè)學生掌握更多的工程知識，學會運用理論知識來解決工程實際問題，培養(yǎng)學生工程設計、創(chuàng)新實踐能力，滿足企業(yè)對創(chuàng)新應用型工程技術人才的需求，本文從以下幾個方面對“化工設計”課程教學模式改革進行探討.

2.1 創(chuàng)新教學內容體系，強化現(xiàn)代設計軟件教學

針對材料化學專業(yè)人才培養(yǎng)中工程方面課程較少，知識體系不完善，現(xiàn)代設計技術Aspen Plus、Pdmax、SketchUp等軟件基本未引入課程教學的現(xiàn)狀，課程教學團隊將教學內容與現(xiàn)代設計技術有機結合(見圖1)，以“化工設計”競賽為依托，根據(jù)競賽選題使教學內容項目化，重構課程教學模塊，將其優(yōu)化為設計程序和規(guī)范、工藝流程設計、化工工藝計算、設備設計與選型、車間與管道布置、安全與環(huán)境保護、經濟概算等7個單元模塊，并在工藝流程設計模塊中適當補充化工工藝知識和原理，在設備設計與選型中適當補充典型的設備知識，適時引入設計標準、設計規(guī)范等內容.現(xiàn)代化工設計均需利用計算機軟件輔助完成，如工藝流程模擬、換熱網絡優(yōu)化、流程圖繪制、設備的設計選型等都需要專門的軟件協(xié)助完成.但現(xiàn)代設計技術的熟練應用是學生設計實施過程中的一個主要瓶頸.因此，在相應的模塊學習過程中應引入對應的設計軟件學習.如在工藝流程設計部分要求學生進一步熟悉AutoCAD軟件的應用(前修課程已學過該軟件)；化工工藝計算模塊補充流程模擬軟件Aspen Plus的學習；設備設計與選型補充Aspen EDR換熱器選型、SW6 強度校核等軟件的應用.通過軟件的學習和應用激發(fā)學生的學習熱情，拓寬學生的學習視野.

圖1 課程—競賽與能力培養(yǎng)關系圖Fig.1 Relationship between course-competition and ability development

2.2 采取以“學科競賽+項目設計”為導向的課程教學模式

針對學生工程意識薄弱，缺少知識綜合運用能力，缺乏學習的積極性和主動性等問題，采取以“學科競賽+項目設計”為導向的課程教學模式(見圖1)，即在進行“化工設計”課程教學的同時，引入大學生化工設計競賽.該競賽是國內規(guī)模最大、水平最高的化工類國家級賽事.學科競賽是考查學生學科基本理論知識和解決實際問題能力的活動，在培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力、工程技能、團隊精神和競爭意識等方面發(fā)揮著積極的作用[6].將大學生化工設計競賽的題目作為本課程考核項目設計的題目，按照競賽要求以團隊形式進行項目設計.課程學習初期采取“任務式”教學，將項目設計任務布置給學生，讓學生帶著問題學習該課程；課程結束后進一步完善項目設計作品并參加競賽.在項目設計實施過程中，從項目選題、方案設計、技術實現(xiàn)、工程圖紙繪制、流程模擬，再到說明書及可行性研究報告的撰寫、視頻制作、答辯PPT編制等，每個環(huán)節(jié)都要以學生為主體，從而使學生的自主學習能力、實踐動手能力和團結協(xié)作能力得到提高，探索精神得到發(fā)掘，創(chuàng)新能力和工程意識得到加強.“學科競賽+項目設計”的教學模式提高了學生學習“化工設計”課程的興趣和積極性.由圖2可以看出，自2019年湖州師范學院材料化學專業(yè)實施“化工設計”課程教學改革以來，學生競賽參與率有很大提升，是2016年的近10倍，80%以上的學生能積極參與.以“賽”促“學”，以“賽”促“教”，項目實踐帶動理論教學，在一定程度上彌補了課堂教學的不足，擴大了學生的知識視野，使學生學以致用.

圖2 2016—2020年湖州師范學院材料化學專業(yè)學生參與競賽的情況Fig.2 Participation of students majoring in materials chemistry in Huzhou University from 2016 to 2020

2.3 采取靈活多樣的教學組織形式，強化實踐教學

將教師單向知識傳授的課堂教學轉變?yōu)樽寣W生成為學習的主人，采取課內講授與課外自學相結合的教學組織形式，充分利用課程網絡教學平臺將“化工設計”課程涉及的課內外資源上傳到網絡教學平臺.由于課內學時有限，未講授的工程設計知識及Aspen Plus、Pdmax等現(xiàn)代設計軟件的學習可采取“課堂入門+課后自學輻射”的教學方法.同時適時采取師生課內討論交流、“組內+組間”討論交流等靈活多樣的課程教學組織形式，使教師與學生真正互動，進而激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，提高學生自主學習和分析、解決問題的能力.

樹立“實踐教學與理論教學同等重要”“實踐是工科專業(yè)人才成功之本”的教育理念.“化工設計”課程直接面向應用領域，實踐性很強.而實踐活動的展開有利于加深學生對課堂知識的理解，提高學生對后續(xù)課程學習的主動性，以及應用專業(yè)知識解決實際問題的能力.因此，在“化工設計”課程48學時結束后可增設兩周“化工設計”課程的實踐課，以競賽要求為目標深化課程設計成果；積極開發(fā)校企合作平臺，建立校外實踐基地，聘請企業(yè)工程技術專家開展講座，并讓學生深入企業(yè)參觀學習，盡可能地讓學生在真實的環(huán)境中積累實踐知識，增強工程意識.

2.4 改革課程考核方式

針對“化工設計”課程對學生動手實踐能力要求高的特點，其課程考核方式應打破傳統(tǒng)的期末閉卷考試方式的束縛，考試內容要突破課堂和教材內容的局限，注重學生對所學知識及自學知識的綜合運用，充分體現(xiàn)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力.該課程考核方法要以“團隊+項目設計+答辯”的形式為主，并將過程跟蹤評價法與終結性評價法相結合.過程跟蹤評價法主要是針對學生學習過程中的具體情況，如課程學習中的表現(xiàn)、實踐學習過程中的動手能力、項目設計方案的提出、階段性作品設計情況匯報、創(chuàng)新成果、團隊協(xié)作情況等方面進行的跟蹤考查.整個考核環(huán)節(jié)要注重學習能力及創(chuàng)新能力，特別是對學生積極思考問題和解決問題能力的考查.終結性評價包括項目設計成果(包括設計說明書、圖紙質量、現(xiàn)代設計工具的使用等)和成果答辯情況，主要考查學生工程設計、寫作、現(xiàn)代技術工具運用等方面的能力.

通過課程考核方式改革，要求學生不僅要掌握課程知識點，還要學會利用知識解決工程問題，由等著期末突擊考試轉變?yōu)闀r刻關注課程學習的每個細節(jié)，以有效提高學生對課程學習的重視程度和課堂效率.這樣的課程改革明顯增多了學生團隊成員間及學生與老師圍繞課程項目設計遇到問題的討論.企業(yè)專家也發(fā)現(xiàn)學生去企業(yè)專業(yè)見習時，學生對專家講解的生產流程一聽就懂，對流程圖中的工程知識也很熟悉.“團隊+項目設計+答辯”的考核方式取得了良好效果.

3 結 語

湖州師范學院材料化學專業(yè)“化工設計”課程的教學改革，通過優(yōu)化教學內容，重構課程教學模塊，有機結合現(xiàn)代設計技術，以“學科競賽+項目設計”為導向，有效地將化工設計競賽內容貫穿于課程教學和實踐環(huán)節(jié)中；通過面向項目設計的實踐活動激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，將理論知識應用于解決工程問題中，達到了學以致用的教學目的；充分利用課程網絡教學平臺，采取“課堂入門+課后自學輻射”、討論交流等靈活多樣的課程教學組織形式，豐富了學生的工程知識，開闊了學生的視野；通過校企合作深入企業(yè)實踐，讓學生感受到了真實的生產環(huán)境，增強了學生的感性認識和工程意識.總之，將課堂學習與課外競賽、企業(yè)實踐相結合，有效構建了全過程、多環(huán)節(jié)、一體化的“新工科”人才培養(yǎng)模式.