适应工程认证的化工设计课堂教学改革与实践

汪红娣，宋艳江，周文君

(杭州师范大学 材料与化学化工学院，浙江 杭州 311121)

0 引言

工程教育专业认证是我国高校推行工程教育改革、提升工程教育质量的重要手段和途径，其目的是使人才培养与社会需求相适应，进一步提高我国工程教育的国际竞争力。与传统工程教育相比，工程教育专业认证中更强调要求“以学生为中心，成果导向，持续改进”的教育理念，注重培养学生解决复杂工程问题能力及创新思维能力[1-2]。化工设计课程是化工相关专业的必修课，是一门涉及多学科知识领域的交叉性、综合性课程。该课程目的是培养学生在学习过程中形成工程意识，提高学生的工程设计实践能力，为解决实际复杂工程问题奠定基础[3]，这与工程教育专业认证标准对人才培养的核心要求(培养学生解决复杂工程问题的能力) 高度一致。近年来，在专业认证背景下，虽然教学改革的号召轰轰烈烈，但课堂改革的实践却冷冷清清。课堂教学是使学生能够达到毕业要求、达成培养目标的基础[4]。然而，在实际教学过程中，化工设计的课堂教学质量和效果却始终不尽如意。为此，教学团队以专业认证理念为核心，以专业认证标准为依据，全面深化化工设计课堂教学改革，以提高工科学生工程设计能力和解决实际工程问题能力为出发点，以期满足企业和社会对实践型人才培养的需求。

1 基于专业认证标准分析传统化工设计课堂教学现状

1.1 偏重于知识型课堂

传统化工设计课堂由理论知识主宰，讲的是知识，学的是知识，考的是知识，缺少对实际工程项目的解读和工程设计软件训练，难以使学生在学习过程中形成工程思维和解决复杂工程问题能力。以教材为主的课程知识往往滞后于最新化工前沿成果或脱离于工程实际问题，拘泥于教材内容的课堂教学无法使学生了解工程设计的发展现状。其次，我国高校工科中青年教师来源单一，绝大部分都是以科研为主的高校毕业生，许多教师普遍缺乏工程设计能力和实践工作经验，无法从工程设计层面给学生提供足够的指导和案例分析，这直接影响到学生的工程设计能力和水平[3,5]。目前企业急需具有工程设计思维，能够熟练使用各类现代设计软件的复合型人才。显而易见，知识型课堂无法满足工程教育专业认证要求具备解决复杂工程能力的标准，更无法满足企业对复合型工科人才的实际需求。

1.2 多为灌输式课堂

化工设计是一门实践应用型课程，综合性强，知识范围跨度大，设计标准复杂、技术难度大。传统以教师讲授为中心的课堂教学模式多为“单向灌输式”教学，教师往往照本宣科式介绍教材内容，学生要做的是聆听、理解和记忆，教学过程成了学生“复制”知识的过程。由于教学手段单一，课堂趣味性低，缺乏师生之间的互动性和对话性，容易导致前排满座率低、课堂抬头率低、学生参与率低的“三低课堂”[6]，使得课堂气氛沉闷，学生学习积极性不高，这与工程教育专业认证中以“学生为中心”的教育理念仍有很大差距。

1.3 封闭式教与学

传统化工设计教学往往是以教材、教师和教室为中心的封闭式课堂教学，使得教学过程出现内容、时空以及评价体系的多方位闭环，严重影响师生教与学的效果。内容的闭环主要体现在知识局限于从教材到课件，从课程教学大纲到考试考查范围。当前化工设计教材偏重于概念性介绍，部分内容相对陈旧，局限于教材内容的教学无法使学生拓展了解工程设计的实际案例，导致学生工程思维意识的薄弱。加之传统“平时作业+ 期末考试”的单一考核方式，一方面，导致学生为追求课程成绩而学习，使其对课程知识的理解和掌握更局限于教材与考试大纲的狭窄范围之内[7]；另一方面，该考核方式无法反映学生的真实水平，无法评估学生的自主学习能力和解决问题的能力，更无法实现有效的教学反馈和持续改进。时空的闭环则体现在学生学习主要在有限空间的课堂和校园以及一节又一节有限的课时间。化工设计内容繁多，课时有限，仅凭借课堂内的教与学，难以达成专业预设的培养目标。显然，这种围绕“教材-教师-教室”的封闭式课堂教学无法满足工程教育认证要求整个教学过程的设计必须围绕培养目标和毕业要求指标点展开，通过多方位考核和周期性评估施以持续改进的标准。

2 化工设计课堂教学改革的创新举措

针对上述现状，结合工程教育专业认证的要求，课程教学团队对化工设计课堂教学提出一系列创新改革策略(图1)，实现从知识课堂向能力课堂转变，从灌输课堂向互动课堂转变以及从封闭课堂向开放课堂转变。

图1 化工设计课堂教学改革策略

2.1 重构教学模块，强化现代设计软件学习，推行以赛促学的教学模式，实现知识课堂向能力课堂的转变

化工设计课程是一门综合性强、应用性广、知识点分散、交叉性强、系统性差的专业课程。教学团队通过系统性优化教材内容，重构课程教学模块，将其优化为化工设计程序和规范、工艺流程模拟与设计、化工工艺计算、设备设计与选型、车间与管道布置、安全与环境保护、设计概算与技术经济以及设计文档编制等8 大单元模块，使得知识结构更加清晰。强调结合多种现代设计技术软件，加强学生熟练使用化工专业软件的能力，如工艺流程设计模块融入流程模拟软件Aspen plus 的入门学习，单元设备设计与选型增加智能选泵软件、Aspen Exchanger Design and Rating 换热器选型、SW6 强度校核等软件的应用，换热网络集成与优化引入Aspen Energy Analyzer 的学习，车间与管道布置介绍Auto CAD、Pdmax、Sketchup 等绘图软件的使用。在课堂教学中，有意识、有策略地将专业理论知识和基本设计规范有机融入于各模块的软件教学中，引导学生运用基本理论知识去解决分析工程问题，提高学生的知识迁移能力和综合应用能力。以工艺流程模拟设计模块教学为例，结合Aspen plus 流程模拟软件对各单元操作(流体流动、分离、换热、反应等)进行仿真设计，适时回顾化工原理、物理化学、反应工程等相关理论知识，引导学生如何利用基本理论知识对典型化工过程进行参数优化和故障分析。

针对学生缺少知识综合运用能力，工程意识薄弱等现状，实行“入门指导＋项目设计+竞赛提升”循序递进的教学模式。由课堂教学为入门指导，让学生整体了解实际工程项目设计的全部环节，初步掌握现代设计技术软件的使用。从项目设计为任务起点，借化工设计竞赛为提升纽带，纳竞赛题目为本课程考核项目主题，以团队形式展开项目设计。从项目方案设计、流程模拟、技术实现、工艺图纸绘制，到文档研究报告撰写、项目PPT 编制与团队协作答辩，整个过程以学生为主体、教师为辅导的模式进行，注重能力为导向，而非知识导向。完整的工程项目设计体验，极大的培养了学生的工程意识和整体观，锻炼了学生的工程设计能力和团队协作能力，实现了让学生真正学习知识、理解知识、活用知识以及转化知识。学生更是通过化工竞赛的激烈角逐，尤其是经历现场答辩及专家评委的尖锐提问后，从心理、知识、技能上得到系统全面的提升与熏陶。

2.2 引入问题式、案例式和半翻转课堂等教学方法，实现灌输课堂向互动课堂的转变

引入问题教学法，其关键在于通过提问式、启发式教学，引导学生自主思考及探究解决问题的方法，将教师单向知识传授的课堂教学转变为以学生中心的互动课堂。选取典型问题(以设备设计与选型中，如何合理设计与选择流体输送泵为例)作为课堂教学导入，教师发散式提出一系列更多相关问题，如泵的工作原理是什么？泵的类型有哪些？泵的性能参数有哪些？选泵应遵循哪些原则？泵在操作使用过程中可能出现哪些故障？课堂内师生采取互问互答、“组内＋组间”讨论等形式多变的课堂教学组织，将课堂从“一言堂”变成“学习共同体”。教与学过程以频繁的师生问答互动方式进行，不仅活跃课堂气氛，增加学生的参与度，还提高了学生独立思考和分析解决问题的能力。

运用案例分析进行实践教学，让学生对所学内容有直观的理解，培养形成工程思维和工程意识。以工艺流程设计精馏塔模拟为例，通过课前资料分享和课内视频资料观看，将企业的实际生产线引入课堂，让学生初步了解实际生产车间精馏装置的基本组成结构以及实际开停车的运行、过程参数调控和故障分析等操作过程。随后依托Aspen plus 模拟软件，针对某一产品(如乙苯/ 苯乙烯混合物) 分离精制实例，教师进行模拟演示和学生独立实操训练，引导学生如何利用化工模拟软件为实际化工工艺过程解决快速计算、更新工艺流程或优化全装置操作参数等工程关键问题。

此外，基于智慧教室、学习通、钉钉群的创新性混合教学模式，增加智慧教学工具的使用幅度，对部分章节内容设置新型半翻转课堂混合式教学模式。以工艺流程模拟中的全流程节能优化策略的设计为例，利用学习通、公众号、钉钉群等途径推送翻转课堂资源，通过课堂角色转换，引导学生独立思考和自主学习，给予学生更多的自主探索和合作互动的空间。随后，教师在课堂中及时分析评估学生对知识点的理解不足或误区，有侧重点的进行补充和深入讲解，并解答学生在自主学习过程中的问题。这种半翻转课堂+即时反馈教学方式极大促进了学生对工艺流程节能优化的重难点知识理解与内化，提高了学生学习的主动性和积极性。

2.3 采用智慧型线上线下混合教学手段和全过程评价考核方式，实现封闭课堂向开放课堂的转变

教学团队以开展智慧教学，拓展课堂教学的深度和维度。通过创建“化工设计”网络课程，采取“课堂入门学习＋课外自学拓展”的线上线下混合教学手段，使教与学在时间上从课内向课外延伸，空间上从教室向图书馆、网络课堂辐射，内容上从教材向大量参考资料扩充，打破封闭式课堂的壁垒，实现向开放式课堂的转变。不断完善“化工设计”网络课程建设，扩充丰富优质的教学资源，分享流程模拟实例解析视频，更新各类设计规范文件，利用手机APP，随时随地补充相关课外学习资料；通过网络课程平台的学习云数据和讨论、留言区，使学生自由地进行线上提问交流，让教师及时反馈和督学；创建丰富的模拟实例题库，应用在线作业提交-互评-反馈模式，强化课内外现代设计软件实操训练，从而打造比传统教学更为立体的教学资源库，为学生提供更丰富的参考资料和学习平台。

针对“化工设计”课程综合性强的特点，其课程考核方式打破了传统单一的期末闭卷考试方式的束缚，采用“课堂仿真模拟＋课后强化训练+工程项目设计＋团队合作答辩”的综合性考核方式，将过程跟踪评价法与终结性评价法相结合。整个考核环节涉及学生的自主学习、团队合作、创新能力和解决问题能力，以及工程设计、报告撰写、现代技术工具运用等多方面的能力。依据全过程综合考核结果评价培养目标和毕业要求的达成度与符合度，从而实现对教学活动的持续改进(图2)。

图2 化工设计教学改革、能力培养与持续改进关系图

3 结语

探索新的教学方式，激发学生学习兴趣和创新能力，培养学生解决复杂工程问题的能力，合理评价学生学习水平并持续改进，一直是努力的方向。基于工程教育专业认证的先进理念，对化工设计课程进行全方位课堂教学改革与实践，提出了打造开放式课堂、互动课堂和能力课堂的创新举措。该项目的实施，极大提高了学生的自主学习能力，培养了学生的工程设计与创新实践能力，取得了良好的教学质量和效果。