基于新工科背景下化工原理课程改革探讨

刘勇，尹晓红，王晓艳，韩煦

（1.天津理工大学化学化工学院天津 300384；2.天津大学化工学院天津 300350）

高等学校的工科教育是保障国家经济发展、提高国家科技进步的重要内容。 教育部自2018年2 月提出“新工科”的建设要求，探索新工科教育的建设理论与实践[1]。 新工科的“新”是指新结构、新质量、新理念、新体系、新模式。 其中，对于学生工程化思维的培养是重要环节，其核心是提高学生解决复杂工程问题的能力。 新工科背景下学生的工程化思维培养，与工程教育专业认证中对于学生解决复杂工程问题的能力培养相契合。学生毕业时所具备的在解决复杂工程问题过程中体现出的素质与能力，是对所学知识和理论最好的检验[2]。 作为工科领域的重要组成部分，化工学科自然也就成了新工科概念应用的重要领域。化工原理课程是化工类及其相关专业的一门非常重要的技术基础课，担负着化工过程由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用，课程教学水平的高低，对化工类专业学生的业务素质和工程能力的培养起着至关重要的作用[3]。

本文以新工科建设为背景，探讨如何通过教学方式、教学内容、教师提升和考核方式改革，使学生在化工原理层面把化学工程基本观点与相关基础知识紧密联系起来，具备工程思维及解决复杂工程问题的能力，能够从工程分析的角度讨论化学工程的重要工程概念，使学生形成完整的化学工程观点，便于学生掌握化学工程分析的内容和工程分析的方法，增强分析和解决工程实际问题的综合能力，以提高化工原理课程的教学效果，为适应新兴产业和新经济的需要培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的复合型新化工人才。

1 存在主要问题

化工原理是理论与实践相结合，但实际教学中却“重理论、轻实践”。 化工原理是一个课程体系，包含化工原理、实验、课程设计等内容，在实际教学过程中，由于教学学时、教师安排等客观原因，相互割裂，没有交流，甚至有还没开始讲理论就进行实验，或这一学期讲理论，相关实验要下一个学期开设等现象[4]。 课程设计也未体现出工程问题的解决能力，普遍简单，单一化。 “三传一反”是化工学科基础，其中，“三传”主要在化工原理课程中体现，其重要性不言而喻。 学生学习费力、学习热情不高、普遍反映难学、考试单一期末卷子，突击复习背公式应付考试，缺乏能力培养。目前教学模式导致解决复杂工程问题的能力缺失，未达到课程目标和毕业要求，进而没有达到培养目标要求。 此外，工科教师理科化，没有实际生产经验，甚至没进过工程项目、更没有参与过工程项目的建设开工。 因此，教师自己都没有工程思维，很难培养学生的工程思维。

2 主要改革措施

2．1 教学方式

随着科技进步以及互联网技术的发展普及，传统的以“一张黑板满堂灌”的授课方式已经得到明显改善，新的教学方式如多媒体、仿真模型、线上线下混合等方式也得到了广泛应用[5]。 但是并未从根本上改变传统的教学方式，在教学过程中仍以教师讲授为主，学生参与度不高。 在当前社会对化工学科整体偏弱化认识的背景下，学生对所学内容如一些枯燥的理论和公式不感兴趣，不了解化工的发展历史及前沿， 所学不能所用，逐渐丧失学习动力和兴趣。 针对学生喜欢听“故事”和“事故”，对实际案例感兴趣，特别是一些造成严重后果或者取得了重大科学技术进步的实际案例感兴趣，可以从实际案例分析切入进行讲授。 可在传统课堂的基础上增加案例分析式教学方式，例如在讲述边界层分离知识点时可分析历史上著名的“大桥风振致毁”事故；在讲述精馏知识点时可跟同学们分享根据真实事件改编、最近大热的电视剧，剧中一条主线是围绕着“化工厂”引进乙烯装置展开的，分析其中关键设备精馏塔设计部分的内容。 同时，讲授化工行业发展的历史，以及在化工领域的重要人物历史，如氯碱先驱侯德榜、化工原理先驱丁绪淮、王绍亭、顾毓珍等人事迹。 培养学生热爱自己专业、了解自己专业的情怀，将家国情怀的教育以“润物细无声”的方式渗入到学生的日常学习过程中。

在互联网技术的背景下，网络教学方式突破了学习空间和时间上的限制，为学习者提供了极大的便利。 可充分利用互联网+，化工原理课程中的理论内容以线上学习为主，学生以自主探究和自主参与的方式去学习， 改被动学习为主动学习，可以更有效地提高学习效率。 在网络教学过程中，学生根据教师布置的任务对基础理论进行学习，可通过多种渠道了解并理解基础理论的提出、发展等主要内容。 学生有疑问的可通过答疑系统向教师提问，教师应对学生提出的问题及时进行解答和进行学习辅导，使教师能及时了解学生学习动向，并把一些普遍性的问题及时反馈到课堂教学过程中，从而及时针对课堂教学内容进行完善与更新。 这种互动式的教与学，可由教师提出理论问题，学生思考并寻找问题答案；学生提出疑问，教师回答反馈并提出新的问题。 这种方式对于课前课后的学习都有很大的促进作用，课堂教学与网络教学的联动可增强学生学习的主动性，也使得教师能有的放矢，做到事半功倍。

2.2 教学内容

化工原理教学内容应包括化工原理理论、化工原理实验、化工原理课程设计等内容。 传统教学模式仍以化工原理理论讲授为主，对化工原理实验及化工原理课程设计等内容重视不够，各教学内容之间相互割裂，交流互动较少，对学生的实践能力培养偏弱，很难达到工程教育背景下课程目标的要求。

随着化工及相关学科的发展，化工原理与其他相关课程内容的融合和交叉也很重要，应根据需要调整和增加相应的内容[6]。 可加强化工过程分析与模拟辅助软件在教学中的应用，化工原理课程中涉及到的数学内容相对繁杂，数学基础不够扎实的学生会选择对公式死记硬背，觉得课程难度大并且枯燥乏味，失去学习的兴趣[7]。 鼓励学生采用Aspen、ProII 等过程分析软件可对化工过程进行模拟， 有助于学生对反应过程知识的掌握，并激发学生的学习兴趣。 同时，加强实践教学和仿真教学在课程教学中的应用， 可在生产实习等仿真实践教学过程中进一步强化化工原理课程内容， 通过多样化的实践教学活动及生产现场的学习过程，培养学生的工程思维能力；另外，通过仿真学习，可以使学生操控反应过程变量，例如在精馏塔仿真操作模拟过程中，学生可根据精馏的基本理论分析精馏操作过程中的各变量影响及相互作用， 感受实际生产过程，使学生更容易理解该过程，培养学生解决复杂工程问题的能力。

2.3 教师提升

新工科建设的关键是师资。 对于工科教师而言，一定的理科基础当然是必要的，但工科教师更需要的是解决工科实际问题的能力。 随着近年来高校的发展，进入高校的人才特别是年轻教师普遍存在基础研究科研能力强，但工业生产解决问题能力背景偏弱，部分教师自己没有深刻理解工业生产中的技术与要点，教学过程中“纸上谈兵”，其指导出来的学生也肯定与工业生产脱节。我们在进一步加强基础研究的同时，要从工科院系的实际出发，更加注重发挥团队优势，开发相关重要技术工程应用和产业化过程。 通过改革，教师和科研人员也能主动促进工程化应用和转化，教师积极参与的科研也可反哺教学，将科研过程中的实际工程问题在教学过程中与学生分析、讨论，教学与科研相长，既可提高学生的学习兴趣，又可提高对学生工程思维能力的培养。 应注重培养教师特别是新入职青年教师的工程实践能力，学校或专业可通过与生产企业联合的方式， 一方面聘请企业生产研发工程师为学生讲课，使学生了解实际生产过程中的存在问题与解决方法；另一方面可安排相关教师进修，真实进入企业生产研发环节，重点培养教师的工程实践能力。 例如某集团公司近年推出的“N1N”产教融合项目， 将教学实训与科研知识转化为生产力，通过对青年教师“产教学研工程化融合”培训，有助于提高青年教师对工程实践及复杂工程问题的认识，丰富教师对一线生产环境的认知，在提高教师工程实践能力方面取得了好的成果和经验。

2.4 考核方式

传统教学采用封闭的考核方式，主要是期末考试试卷，在规定时间内完成。 由于时间相对有限， 没有深入题目重点考察基本内容和基本原理，应用考察很少，存在学生以背公式应付考试现象[8]。 过程性评价是指对学习过程的价值进行建构的过程。 过程性评价要在学习过程中完成，强调学习者的主体参与。 过程性评价并不是通过一次评价完成，而是在学习过程中发生的、学习者参与的、渐近的目标建构过程。 考核方式可变为开放的、多元的、全面的过程性考核方式，期末考试占约50%左右，开放考核30%左右，以大学生化工设计大赛模式为参考，即每5～6 名学生为一个小组，题目半开放，要求考察团队的能力，对组织能力、 领导能力、 团队协作能力进行考核，10%左右课后作业包括单元测验及期中考试等，10%左右课堂讨论。

3 结论

在新工科建设的背景下， 基于科研育人理念， 在具体实施过程中不仅要科学安排课程结构，还要考虑课程目标、课程实施、课程评价等环节之间的联系。 化工原理课程发挥着从基本理论到实践、 理论到工艺设计等专业知识的桥梁作用。 针对目前化工原理课程教学中存在的问题，将新工科的理念引入到化工原理教学中，利用系统科学的原理去深入分析和研究。 通过对化工原理课程的重新定位， 不断探索改进教学方法，更新教学内容，引导学生加强对理论知识的掌握和熟练运用，训练学生的开创新型思维并逐步改进教学方案，从而有效提高化工原理理论课程的教学效果，达到培养学生的工程实践能力和创新能力、培养适应新经济和新工业发展需要的复合型化工创新人才的目的。