新工科背景下化工实验大赛对地方院校化工原理教学的促进作用—以肇庆学院为例

张 博，张 扬，闫 鹏，高爱环，李 湘

（肇庆学院 环境与化学工程学院，广东肇庆 526061）

2016年新工科概念提出后，教育部高教司于2017年正式推出“新工科”计划。新工科建设作为我国高等教育领域的一次主动性供给侧改革，是我国应对世界范围内新科技革命、新产业革命和新经济发展态势的重要举措[1-2]。除了新兴工科专业的建设，传统工科专业的升级，也是新工科建设的重要组成部分。化工类专业是通用型过程工程专业，化工行业是资金密集、技术密集型的行业。随着社会的发展，科技的进步，化工类专业的内涵不断扩展，化工过程的多样性、复杂性日益增加，这要求化工类专业的学生具备更扎实的学科基础知识和更强解决复杂工程问题的能力[3]。

课程作为人才培养体系中最基本的单元，是新工科建设的重要抓手[4]。化工原理是化工类本科教学的最为重要的专业课程之一，是联系自然科学与生产应用技术之间的一门“桥梁性”课程，具有应用面广、实用性强、注重理论与实践相结合的特点，在石油化工、煤化工、农药、化肥、皮革、涂料、生物化工、高分子材料、制药、冶金、新能源、新材料、环保等行业有广泛的应用。同时，化工原理课程具有知识量大、内容多、概念多、公式繁、数据杂、习题多、计算量大等特点，由于学生缺乏生产实践经验，缺少对单元过程、设备的认识和了解，在学习过程中普遍感觉化工原理知识抽象，不易理解，学习起来比较困难，学生容易产生学不会、不想学的情绪[5]。

地方院校作为高等教育体系的重要组成部分，以服务区域经济建设、助力社会发展为目标，着力为地方培养高素质应用型人才。如何提高学生对化工原理的学习积极性，改善学生的学习成效，一直以来是地方院校面临的重要课题。学科竞赛是在接受课堂教学的前提下，在掌握基本理论知识和一定的实验方法、技能的基础上，以学科竞赛的方式，提升学生理论联系实际和独立、协作的工作能力，并通过实践来发现问题、分析问题、解决问题，增强学生学习和工作自信心的系列化活动。学科竞赛是联系课程教学与实践创新的重要纽带，是学生成才的重要途径之一，也是提升教学和人才培养质量的重要手段[6]。

全国大学生化工实验大赛是由教育部高等学校化工类专业教学指导委员会与中国化工教育协会联合举办的面向普通高等学校化工类专业在校大学生的竞赛活动，是对参赛学生化工原理知识掌握程度、实践能力、创新精神的综合检验，在国内化工类竞赛中具有很高的影响力[7]。肇庆学院自2019年开始组队参加全国大学生化工实验大赛中南赛区的选拔赛，均获得二等奖。在我校全面推进新工科建设的背景下，进一步发挥化工实验大赛的作用，提高本科化工类专业课程教学质量，促进化工原理、化工原理实验教学的水平，培养学生解决实际问题的能力，具有重要的意义。

1 肇庆学院校内竞赛组织举办情况

全国大学生化工实验大赛始办于2017年，比赛分为初赛和决赛两个阶段，各校推选队伍参加分赛区的选拔赛，选拔赛由东北、华北、华东、西北、西南、中南六大赛区分别组织，分赛区初赛产生64支队伍参加全国总决赛。选拔赛与总决赛的竞赛流程一致，由化工原理理论考试、化工仿真实验和化工原理实验三部分组成。试题内容和评分标准的设计既重视对选手基础知识的考查，又重视对其综合实验能力和科学素质的考查，竞赛内容以《高等学校本科化工类专业教学质量国家标准》的相关要求为主要依据。

我校自2018年开始举办化工实验大赛，至今已连续举办4届，该项赛事入选肇庆学院“促进高素质应用型人才培养”主题活动，校团委、教务处每年有一定经费支持，并且对参赛学生给予综测分奖励，学生参赛积极性高。校内赛事内容与中南赛区选拔赛接轨，具体流程上分为初赛和决赛，初赛为理论考试，决赛部分为虚拟仿真和实验操作。初赛成绩前18位的选手晋级决赛，自由组队，三人一组参加决赛。理论考试题量较大，计算量大，采用开卷的形式，面向实际，注重应用，设置了部分开放式问答题，不能生搬书本，考察学生对知识灵活运用水平。虚拟仿真考试采用东方仿真软件，以具有代表性的精馏项目为考试试题，考察学生对精馏塔开车、停车操作的掌握程度。实验操作考试要求在3 h之内完成实验，并处理数据，完成实验报告，考察学生的实际操作能力和数据处理能力。近六年参赛人数与晋级决赛队伍的成绩，如表1所示。由表1可知，参赛队伍的成绩不高，2018年理论成绩略高是由于当年竞赛试题与后几年的试题难度相比略显简单；2022年理论成绩偏低是由于比赛延期，报名学生较少，参加比赛的学生重视程度有所下降。总体分析来看，学生对基础知识的掌握还不够扎实，对一些课上有提及但未深入讲解的知识不够熟悉，计算能力也较为薄弱，对竞赛题目的风格还存在适应性的问题。

表1 校内竞赛情况

2 化工实验大赛对化工原理教学的促进作用

通过举办校内化工实验大赛和组织学生参加全国大学生化工实验大赛中南赛区选拔赛，我们发现竞赛在课程体系、教学模式、实验课程内容等方面对化工原理教学有促进作用，并且显著地提高了人才培养质量。

2.1 完善课程体系

2.1.1 增加化工原理课时

我校现有精细化工、环境工程、制药工程、化妆品技术与工程等专业开设了化工原理课程，课时为48学时，相较于其他高校，我校化工原理课时明显偏少，讲授深度受限，很多重要的知识点无法展开来讲，工程实践案例的讲授欠缺。在参赛过程中，我校参赛队员对竞赛试题的题型、深度感到不适应，说明学生对知识掌握不够扎实，平时作业和考试的难度不高，未得到充分锻炼，缺乏将零散的知识点组织起来解决复杂工程问题的能力。有鉴于此，以精细化工专业为试点，在新一轮培养方案修订时，增加了精细化工专业的化工原理课时，由48学时增加至96学时。

2.1.2 增设化工原理课程设计模块

通常来说，化工原理理论模块、化工原理实验模块和化工原理课程设计模块构成化工原理的课程体系，该课程体系对于培养工科学生科学的工程思维方法和工程意识、提高其工程实践技能与工程素质都具有十分重要的意义[8]。我校化工原理课程体系只有理论课和实验课模块，尚缺乏化工原理课程设计模块。化工原理课程设计是一门重要的实践课程，是对理论课和实验课的重要补充，通过化工原理课程设计，学生对各种单元操作进行设计训练，以提升学生学以致用、解决实际问题的能力。

在参赛过程中，参赛队员对竞赛试题中设置相关的题，大多觉得有印象，却无从下手，这主要归因于理论课上注重于讲原理、讲公式，一般以例题和作业的形式对原理、公式的应用加以延伸，但应用性和实践性深度有限。因而，需要实践性更强的化工原理课程设计课程来补充，以加强学生解决设备核算、选型及优化方面的能力。因此，在新一轮的培养方案修订时，精细化工、制药工程专业的课程体系中增加了化工原理课程设计模块。

2.2 优化教学模式

2.2.1 以学生为中心，注重学习成效

传统教学模式侧重于教师如何去教，强调知识的传授，而忽视了学生如何学和学习成效，导致课堂以教定学，学生觉得课程内容理论性太强，无法理论联系实际，枯燥乏味，进而对课程学习失去兴趣，导致学习效果差。为了提高学生的学习成效，在化工原理理论课和化工原理实验课的教学过程中，重视教学活动中学生的主体性，重视学生对教学的参与，根据教学的需要合理设计“教”与“学”的活动。教学形式上增加了学生的参与度，增加了启发式教学、互动教学、案例教学等多种形式。

2.2.2 理论课与实验课穿插进行，理论联系实际，提高学习成效

对学生来说，化工原理理论课中有相当多的概念和名词都是第一次接触，单从字面上去理解较为困难，即便是在经过教师讲授后，也存在理解不到位的地方。所谓“书上得来终觉浅、绝知此事要躬行”，在相应的理论课章节上完后，立即开展对应的实验，以便学生及时、充分的理解并掌握相关的化工原理知识，做到学以致用，改善学习效果。在理论课开始前，还鼓励学生提前到化工原理实验室近距离接触实验装置，熟悉实验装置，了解实验流程，让学生对即将要学的单元操作有感性的认识，进一步提高学习成效。

2.3 改革实验课程内容

改革前我校大部分化工原理实验项目是演示性、验证性、操作性的低阶实验项目，而高阶层面的综合性、设计性、创新性实验不足，这与教育部提出的金课标准要求“两性一度”存在差距[9]。在参加化工实验大赛过程中，我校参赛选手暴露出了诸多问题：专业知识储备薄弱，动手能力不足，对不熟悉的实验装置无法在短时间内梳理出操作要领；临场应变能力不强，解决实际问题的能力欠缺，对实验过程中面对突发的装置故障，不能在第一时间形成解决方案；沟通能力、组织协调能力及抗压能力有待提高。因此，我校逐步对化工原理实验内容进行了改革，在授课过程中注重对学生解决复杂工程问题能力、创新思维能力和研究能力的培养，同时也逐步增加综合性、设计性、创新性实验的内容。

目前增开了精馏设计性实验，精馏实验由测定全回流条件下全塔效率拓展为可实现测定部分回流，连续进料、连续采出条件下全塔效率，并且可以对不同的进料浓度与进料量、不同的进料位置，通过设计各种实验方案，得到目标产品，其操作模式参考化工实验大赛中的实施模式，教师提出实验目标、要求、技术指标、完成期限和验收方式，学生根据可获得的实验条件，充分讨论，自行完成实验方案制定、实验装置操作和调试、产品分析、报告撰写等过程。设计型实验的增加丰富了化工原理实验课程的内容，同时也能进一步提高学生发现和解决复杂工程问题的能力，后续将进一步推动实验内容的改革。

2.4 加强虚拟仿真实验室建设

我校于2015年启动虚拟仿真实验室建设，购入化工原理实验、化工单元实习等仿真软件，以解决实验教学过程中设备机时紧张的问题。随着行业的发展，原有的虚拟仿真软件已经不适应当前技术发展对人才培养质量的要求。同时，在参加化工实验大赛过程中，参赛选手发现大赛的虚拟仿真试题题量大，难度高，考察范围广，仿真环境逼真，要求学生在理解相关单元操作过程的基础上，快速准确地完成虚拟仿真任务，这更能检验学生的学习成效，也更有利于培养学生运用专业知识解决复杂工程问题的能力。

开展虚拟仿真实验教学项目建设，是推进现代信息技术与实验教学项目深度融合、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措[10]。2015年，教育部发布了《关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，极大地推动了虚拟仿真实验教学项目的建设。我校充分认识到虚拟仿真实验教学对人才培养的重要性，进一步整合资源，加强虚拟仿真实验室建设，在原有虚拟仿真实验室的基础上筹建化学化工虚拟仿真实验室，并面向学生开放。虚拟仿真实验室以“虚实结合，以虚辅实”为指导思想，利用现有资源，通过购置硬件设备和新一代虚拟仿真软件，依托多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建了更逼真、沉浸感更强的虚拟仿真实验环境和层次更丰富、考核要素更全面的虚拟仿真实验对象。学生在虚拟仿真实验教学平台上，自主进行实验预习、操作练习、实验方案设计、虚拟仿真实验、互动交流，完成相关实验教学内容，切实提升了实验教学效果，有效提高了实验教学的效率与质量。在课程考核中，也会考虑将仿真操作考核正式纳入化工原理实验成绩组成部分。

2.5 提升学生综合素养

大赛的考试内容有广度、有深度，理论性与实践性并重，是对参赛学生综合素养的一次全面检验。参赛学生经过校内选拔，集中训练，再进到高强度的赛事中，从备赛到完赛这个周期很长，在这个过程中需要付出很多汗水，不断挑战自己的极限，对意志力是一种很好的锻炼，贵在坚持，这对学生来说是一次宝贵的经历。通过参加化工实验大赛，学生对化工原理知识的有了较为全面的掌握，能基本形成系统化的知识脉络；对化工原理实验有了新的认识和理解，分析问题、解决问题的能力得到改善，处理复杂工程问题的能力得到提高，学生的综合素养在大赛中得到提升。代表我校参加化工原理大赛的学生，大部分选择了考研，考研专业课均选择了化工原理，近三年参赛学生的考研上线率达到100%，录取学校有南京师范大学、海南大学、广东工业大学、东莞理工大学等；参加我校校内比赛的其他同学考研情况也比较可观，录取学校有暨南大学、福州大学、中国科学院大学等。与此同时，在参加全国大学生化工实验大赛的示范引领下，通过校内化工原理大赛的举办，已有越来越多的学生重视化工原理课程的学习，“以赛促教、以赛促学、赛学融合”的模式得到进一步的验证与认可。

3 结语

新工科建设背景下，开展学科竞赛活动已逐渐成为提升地方高校应用型人才培养质量的重要途径之一。我校通过举办校级化工实验大赛、组织学生参加全国大学生化工实验大赛中南赛区选拔赛，践行“以赛促教、以赛促学、赛学融合”的宗旨，克服了化工原理教学过程中存在的一些不足，推动了我校化工原理教学的改革，完善了我校化工原理的课程体系，优化了教学模式，扩展了实验课程内容，推动了我校虚拟仿真实验室的建设，进一步提升了工科人才的培养质量，为我校环境工程、制药工程、精细化工等专业的工程认证提供了有力支撑。