趙秋萍，趙勝斌，張秀君

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

OBE，即Outcomes-based Education（成果導(dǎo)向教育）是美國(guó)學(xué)者Spady在1981年提出的，并在《基于產(chǎn)出的教育模式：爭(zhēng)議與答案》一書(shū)中把OBE定義為“清晰地聚焦和組織教育系統(tǒng)，確保學(xué)生在未來(lái)生活中獲得實(shí)質(zhì)性成功的經(jīng)驗(yàn)”。在OBE教育體系中，教育者必須對(duì)學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)該達(dá)到的能力和水平有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，然后尋求設(shè)計(jì)一個(gè)合適的教育結(jié)構(gòu)來(lái)保證學(xué)生實(shí)現(xiàn)這些預(yù)期目標(biāo)。目前，成果導(dǎo)向教育已成為美國(guó)、加拿大、英國(guó)等國(guó)家教育改革的主流理念，也已被我國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證所采用。專業(yè)認(rèn)證背景下，以O(shè)BE為教育理念的教學(xué)體系應(yīng)以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生能力和發(fā)展實(shí)效導(dǎo)向，注重學(xué)生工程實(shí)踐能力的提升，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的卓越能力。

對(duì)于工科專業(yè)的學(xué)生而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)尤其是綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程觀念非常重要。“化工原理實(shí)驗(yàn)”是化工類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐課，在化工類人才培養(yǎng)中占有重要地位[1-4]。在“化工原理實(shí)驗(yàn)”課程中，要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)施，可培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立開(kāi)展科學(xué)研究工作的素質(zhì)和能力；在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論等方面可培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

1 “化工原理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)目前存在的問(wèn)題

面對(duì)高校本科生不斷擴(kuò)招和培養(yǎng)要求的逐步提高，目前各大高校化工及化工原理實(shí)驗(yàn)普遍存在師資力量不足，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量、品種有限，占用課時(shí)多，耗材的消耗量較大，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)思想重視程度不夠，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果不佳等問(wèn)題，學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)質(zhì)量難以落實(shí)，難以受到和產(chǎn)業(yè)相匹配的實(shí)踐訓(xùn)練。

2 “化工原理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式改革

為了提高學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新及工程實(shí)踐能力，解決目前“化工原理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中存在的上述問(wèn)題，通過(guò)以下幾方面進(jìn)行教學(xué)模式的改革探索。

2.1 建設(shè)線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解

虛擬仿真具有高效率、低成本、安全環(huán)保、內(nèi)容豐富等優(yōu)勢(shì)，得到越來(lái)越多的應(yīng)用和推廣?；瘜W(xué)生產(chǎn)過(guò)程的虛擬仿真以真實(shí)的裝置和流程為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型，不僅能帶來(lái)真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，還能優(yōu)化化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的化工實(shí)踐操作能力[5]；同時(shí)，虛擬仿真教學(xué)很容易與其他先進(jìn)的教學(xué)方法相結(jié)合，有效培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，提高“化工原理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)質(zhì)量。

2.1.1 虛擬仿真平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備相結(jié)合，提高教學(xué)質(zhì)量

化學(xué)工程與工藝、制藥工程、高分子材料、安全工程、環(huán)境工程等化工相關(guān)專業(yè)的學(xué)生可通過(guò)理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真和實(shí)地操作三個(gè)過(guò)程的培訓(xùn)，完成“化工原理實(shí)驗(yàn)”的學(xué)習(xí)。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，要求學(xué)生通過(guò)理論學(xué)習(xí)掌握實(shí)驗(yàn)原理后，先在電腦上進(jìn)行虛擬仿真操作，然后再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的操作，這種虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法成本低、效率高，使學(xué)生可以不受場(chǎng)地與設(shè)備的限制掌握實(shí)驗(yàn)操作技能，輕松實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備單人操作；和游戲類似的界面和操作方法還能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力將發(fā)揮重要作用，可有效提高實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量。

2.1.2 虛擬仿真平臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，使實(shí)驗(yàn)課程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)

目前，新冠病毒疫情還在世界范圍內(nèi)蔓延，我國(guó)的疫情還有反撲的可能，實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程教學(xué)依然非常重要。虛擬仿真平臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，可使實(shí)驗(yàn)課程擺脫地域限制，輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)。指導(dǎo)教師可通過(guò)騰訊課堂、釘釘?shù)染W(wǎng)絡(luò)媒介進(jìn)行實(shí)驗(yàn)理論講解和指導(dǎo)；還可以通過(guò)虛擬仿真后臺(tái)數(shù)據(jù)的分析，針對(duì)大部分學(xué)生容易出錯(cuò)的步驟進(jìn)行重點(diǎn)輔導(dǎo)和講解，從而有效提高工作效率，避免枯燥乏味的重復(fù)工作；還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真后臺(tái)來(lái)進(jìn)行考勤等實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和成績(jī)考核。

2.2 建設(shè)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高學(xué)生設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力

目前在高等學(xué)校培養(yǎng)方案體系中，理論課時(shí)多，動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)少，而且已開(kāi)設(shè)的“化工原理實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目存在驗(yàn)證型、基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)多，綜合型、尤其是設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)少的問(wèn)題；實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，也多是沿襲著傳統(tǒng)的知識(shí)傳授模式，以教師的“教”為中心，對(duì)實(shí)驗(yàn)側(cè)重于基本原理、工藝流程和實(shí)驗(yàn)操作的講解，學(xué)生沒(méi)有主動(dòng)探索與研究的空間，限制了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的形成與發(fā)展。因此，引入具有探索性、開(kāi)放性和設(shè)計(jì)性并和工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相貼合的實(shí)驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)工科學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力大有裨益[6-8]。例如，精餾是化工生產(chǎn)中分離均相液體混合物最常用的方法，是“化工原理”課程體系中非常重要的一項(xiàng)單元操作，建設(shè)可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主搭建實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)型精餾塔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有效提高學(xué)生對(duì)精餾工藝流程、自動(dòng)檢測(cè)控制儀表和計(jì)算機(jī)技術(shù)等相結(jié)合的現(xiàn)代精餾生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)。

2.3 采用Aspen Plus軟件模擬優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作條件，提高學(xué)生軟件使用能力

采用流程模擬軟件輔助進(jìn)行“化工原理實(shí)驗(yàn)”方案的設(shè)計(jì)和操作條件的優(yōu)化，可提高實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率，將真實(shí)的化工過(guò)程實(shí)例展示在學(xué)生面前，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[9-10]。目前，常用的化工流程模擬軟件主要有美國(guó)SimSci-Esscor公司的PRO/II,Aspen Tech公司的Aspen Plus和Hysys，Chemstations公司的ChemCAD，WinSim公司的DesignII，英國(guó)PSE公司的gPROS和加拿大Virtual Materials Group的VMGSim等[9]。其中，使用 最為 廣 泛 的Aspen Plus是1976～1981年期間，由麻省理工學(xué)院主持，55個(gè)大學(xué)和公司參與開(kāi)發(fā)，1982年，Aspen Tech公司將其商品化[11]。Aspen Plus是生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬工具，具有強(qiáng)大的單元操作模型優(yōu)化設(shè)計(jì)能力以及齊全的物性數(shù)據(jù)庫(kù)和熱力學(xué)方法，已被廣泛地應(yīng)用于化工過(guò)程的研究開(kāi)發(fā)、裝置設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程控制、工藝優(yōu)化及技術(shù)改造等方面[12-13]。該軟件經(jīng)過(guò)20多年的不斷改進(jìn)、擴(kuò)充和提高，已先后推出了十多個(gè)版本，成為舉世公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件，應(yīng)用案例數(shù)以百萬(wàn)計(jì)。全球各大化工、石化、煉油等過(guò)程工業(yè)制造企業(yè)及著名的工程公司都是Aspen Plus的用戶。

鼓勵(lì)學(xué)生使用Aspen Plus軟件輔助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，不僅可以促使學(xué)生掌握Aspen Plus模擬軟件的使用方法，還能夠基于“化工原理”理論知識(shí)，根據(jù)給定的體系和設(shè)備平臺(tái)，選擇合適的工藝路線，設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案，并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作條件，使學(xué)生得到貼近工廠實(shí)際生產(chǎn)的訓(xùn)練。

2.4 自主搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生興趣，提高實(shí)踐操作能力

經(jīng)過(guò)小組討論確定實(shí)驗(yàn)方案和Aspen Plus模擬軟件優(yōu)化操作條件后，學(xué)生就可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建、調(diào)試和方案的實(shí)施過(guò)程。實(shí)驗(yàn)裝置的搭建包括管路和電氣線路的連接。通過(guò)自己動(dòng)手連接線路，學(xué)生更加熟悉實(shí)驗(yàn)流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)。學(xué)生初次搭建好的裝置大多不能達(dá)到預(yù)計(jì)的效果甚至無(wú)法運(yùn)行，于是再進(jìn)行小組討論改進(jìn)方法，或者請(qǐng)教師指導(dǎo)。經(jīng)過(guò)多次改建，最終實(shí)驗(yàn)裝置搭建成功，測(cè)出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這一過(guò)程可有效培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣和實(shí)驗(yàn)成功后的成就感，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

2.5 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程的答辯，提高學(xué)生分析總結(jié)能力

實(shí)驗(yàn)方案現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施結(jié)束后，學(xué)生以小組為單位制作幻燈片，詳細(xì)講解自己的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)施結(jié)果，并接受教師和其他組學(xué)生的提問(wèn)，教師和其他組的學(xué)生根據(jù)其課題的完成情況、講解情況和回答問(wèn)題的準(zhǔn)確率分別進(jìn)行評(píng)分，最后再將教師和學(xué)生的評(píng)分匯總作為該實(shí)驗(yàn)答辯的成績(jī)，可在總成績(jī)中占一定比例。

2.6 增加筆試成績(jī)，優(yōu)化成績(jī)?cè)u(píng)定體系

傳統(tǒng)上主要依據(jù)出勤和實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)，較為單一，沒(méi)有注重學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及化工軟件的學(xué)習(xí)過(guò)程。在這種創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，全部實(shí)驗(yàn)完成后，還要進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)理論和操作的筆試考試，試題要包含每個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理和操作要點(diǎn)，在虛擬仿真軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定由不同考查點(diǎn)組成，如實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)(虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī))、實(shí)驗(yàn)操作（含安全意識(shí)）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(含數(shù)據(jù)處理)、筆試成績(jī)和答辯成績(jī)等，全方位考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及實(shí)踐操作能力。這種評(píng)價(jià)體系可有效激勵(lì)學(xué)生全面提高設(shè)計(jì)創(chuàng)新、分析和解決問(wèn)題的能力。

通過(guò)上述考核體系的實(shí)施，可以最大限度地考查學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，避免以往僅依據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫作質(zhì)量給定成績(jī)的片面性。指導(dǎo)教師還能及時(shí)收集和分析學(xué)生的反饋信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程中的不足，通過(guò)整改措施保證各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施效果，從而有效、全面地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。具體評(píng)估方法及其比例見(jiàn)表1。

表1 創(chuàng)新型“化工原理實(shí)驗(yàn)”課程考核體系

3 總結(jié)

圍繞工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念“以學(xué)生為中心、以目標(biāo)為導(dǎo)向、堅(jiān)持持續(xù)改進(jìn)”，以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為目標(biāo)，結(jié)合虛擬仿真軟件，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主搭建實(shí)驗(yàn)裝置，并采用Aspen Plus優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，然后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施；在傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)、操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告檢查點(diǎn)之外，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)中加入虛擬仿真結(jié)果、筆試和答辯成績(jī)，突出學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，將有效提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和分析解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。