基于新工科理念的化工設計課程改革與實踐

趙升云 范榮玉 吳方棣 謝文菊 孫興

摘 要：為適應新產業、新經濟對高素質復合型“新工科”人才需求，以工程能力和綜合素質培養為主線，融入過程模擬與優化、仿真式案例化教學、化工設計競賽等實踐環節，推進了化工設計課程改革，形成了理論教學與創新應用相結合、課堂學習與課外競賽相結合的全過程、多環節、一體化的教學體系，著力培養學生的工程設計和實踐創新能力。

關鍵詞：新工科；化工設計；課程改革；實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）23-0136-03

Abstract： Engineering ability and comprehensive quality training are highly valued in order to meet the demand of fostering high-quality compound "new engineering" talents in new industries and new economy. Process simulation and optimization， simulation case teaching and practice of chemical design competition are integrated into the reform of chemical engineering design courses.A whole process， multi-link and integrated teaching system has been formed， which combines theoretical teaching with innovative application， classroom learning with extracurricular competition. Students' engineering design and practical innovation capabilities are well-trained.

Keywords： new engineering； chemical engineering design； course reform； practice

新時代推動了新經濟的發展，新經濟發展呼喚“新工科”建設。2017年以來，教育部啟動和推進了新工科研究與實踐項目，為地方性應用型高校適應區域經濟發展和產業轉型升級提供了新的發展機遇和改革模式。武夷學院作為國家產教融合發展工程應用型高校和福建省示范性應用型本科高校，深入學習貫徹習近平新時代中國特色社會主義思想，堅持以本為本推進高等教育“四個回歸”，打好提升質量、推進公平、創新人才培養機制的攻堅戰。武夷學院把“新工科”建設作為引領高等教育改革的有力抓手，用實功、出實招、求實效，以只爭朝夕、時不我待的精神積極推進適應區域經濟發展的應用型新工科建設。其中，化工工程與工藝專業是學校推進生物資源利用專業群建設的重要轉型專業之一。

為適應新經濟發展和新工科建設需要，學院將《化工設計》作為應用型人才培養體系改革的重點課程進行建設和示范，組建了“過程控制與工程設計”教學團隊，按照“理實一體、虛實結合、工學融合”的三階段化工人才專業培養路徑，不斷強化學生的工程實踐、設計與創新能力。

一、構建一體化課程體系

化工設計類課程不僅有化工原理、化工工藝學、化工機械設備基礎、化工儀表及自動化、化學反應工程、分離工程等專業課程，還有環境工程、化工安全與環保、工程核算、計算機輔助設計等課程，這些課程相互獨立又相輔相成：有的注重專業基礎知識，有的注重工藝設計，而很多的理論知識和設計規范都是化工設計類課程的必學內容[1]。傳統的化工設計類課程以理論教學為主，課堂學習單調枯燥，學生很難將理論知識用于實處，在提高學生專業素養和培養實踐能力方面存在很多的不足；冗余的課本知識，造成了教學教育資源的浪費，也給學生帶來一定的學習壓力。

課程團隊在對教學資源進行不斷整合優化的基礎上，將理論教學和實踐環節有機結合，將理論教學內容整合為設計內容與程序、工藝流程設計、化工工藝計算、車間設備及管道布置設計、化工安全與環境保護、工程概算與技術經濟六個單元模塊，注重強化Aspen Plus工藝流程模擬與Auto CAD等計算機設計軟件應用。在此基礎上，建設了《化工設計》精品資源共享課程在線開放課程資源，拓展了化工設計競賽平臺，實施仿真式、案例化實踐教學，構建了“課內課外、理實結合、競賽提升”的全過程、多環節、一體化的課程體系（如圖1），為學生創造更多的實踐和鍛煉的平臺和機會，促進學生工程設計和實踐創新能力的提升。

二、融入仿真實驗教學

當前的化工設計類課程以課堂傳授灌輸為主，主要的教學方式是課堂教學，學生學習方式被動單一，學生缺乏自主探究、交流合作的機會；教師負責教，學生負責學，學生只能跟隨教師學，復制教師講授的內容，學生參與課堂的積極性不高；學法單一、過程單一，理論性太強，枯燥又乏味，容易使學生喪失了學習的主動性、自主性和創造性。

強調以學生為中心的工程教育理念，依托省級綠色化工技術虛擬仿真實驗教學中心教學資源，利用虛擬仿真技術改革教學方法與手段，采用“做中學，做中教”教學模式，將實踐教學引入到理論教學中，又可將理論知識用于實踐，充分發揮學生主觀能動性，調動學生討論研究和自覺學習的積極性[2]。

學院建設了綠色化工技術虛擬仿真實驗教學中心，構建了化工單元仿真、工藝模擬與優化、化工過程控制、典型化工廠3D虛擬仿真實習、化工安全虛擬仿真體系和合成樟腦生產半實驗虛擬仿真工廠等虛實結合的仿真實驗教學體系，全部對學生開放，可實現在線、離線操控。學生在具體化工設計過程中，可通過模擬軟件進行操作與實體仿真設備相結合，針對不同化工單元過程或工藝流程，運用仿真系統模擬優化具體工藝參數。如化工分離過程的精餾過程，可通過運用虛擬仿真技術DCS控制系統，動態模擬精餾段的溫度控制，以及回流量、餾出液量及塔內蒸氣量的調節變化情況，能使學生將模擬結果進行實際驗證，加深對工藝過程和參數變量對運行效果影響的理解，亦可進一步用于指導工藝設計。通過虛實結合方式，更加貼近真實化工生產工藝，實現模擬與仿真的零距離對接。進一步激發了學生的工程設計興趣和主觀能動性，收到理論教學難以實現的直觀模擬仿真效果。

三、融入學科設計競賽

化工設計競賽，不僅要求學生能綜合運用化工熱力學、化工原理、化學反應工程、分離工程等專業理論知識，還要能熟練使用Aspen Plus、CAD等計算機軟件；對學生的工程實踐能力、工藝設計理念，特別在新工藝、新設備、節能降耗等方面的創新思維能力提出了更高的要求；對學生的團隊協作精神、吃苦耐勞和堅忍不拔的毅力也提出了更為深刻的要求。

設計競賽是聯系課程教學與實踐創新的有效手段，是激發大學生學習動力的有效載體。近年來，依托化工設計競賽平臺，推進“以賽促教、以賽促學、以賽促育”的教學改革成為高校化工類專業教學改革研究的重點，通過競賽過程可以促進師生深入交流，完成理念和意識上的創新和專業技術的成長，實現由大學生向工程師的角色轉變[3-6]。學院每年組織開展大學生科技節競賽活動，其中化工設計大賽成為培養學生工程素養和創新能力的固定競賽項目。競賽以項目為載體，參賽團隊5人一組，團隊成員分工協作完成項目的可行性分析、工藝流程設計、物料及熱量衡算、設備選型、車間設備及管道布置設計、環境保護設計等設計內容，還要綜合應用Auto CAD、Aspen Plus、CADWorx等計算機設計軟件，完成工藝流程模擬優化，PID/PFD工藝流程圖、車間設備管道平剖面布置圖和三維工廠設計等設計圖紙，通過現場答辯匯報、設計文件評閱等考核方式，評選出優秀作品予以表彰。學院2016年第一次組隊參加全國大學生化工設計競賽，連續3年參加該賽事，取得良好的實戰效果，獲得全國化工設計競賽二等獎三項。融入學科競賽的化工設計模式，有利于提升化工類專業學生的理論分析能力、工程實踐能力和綜合分析能力，更有助于培養學生團隊協作精神，提高解決復雜工程問題能力和創新應用的綜合能力[7]。

四、融入企業案例教學

黨的十九大報告提出要實現高等教育內涵式發展，“深化產教融合，校企合作”。高等教育改革與發展的實踐證明，應用型高校的轉型升級必須遵循開放辦學的基本理念，走“產教融合、校企協同”的道路，促進教育、人才、產業、創新的相互融合。依托產業結構升級和新產業發展，面向未來建設高水平應用型高校[8]。深化產教融合，校企合作，推進協同育人，是地方性高校應用型人才培養模式改革的重要舉措，對培育經濟發展新動能也具有重要意義。

在新時代、新經濟、新產業背景下，學院在“因產業而生、因行業而長、因專業而新”的辦學過程中，深刻體會到推動產教融合、校企合作的重要內涵。近年來，學院積極推進生物產業學院和應用型專業群建設，加強與企業合作，讓學生所學理論知識與企業實踐結合起來，讓學院和企業的設備、技術實現資源共享、優勢互補，提高教書育人的實效性，提升應用型人才的培養質量：先后開辦了青松班、永晶班、華塑班等校企聯合培養班，一些經驗豐富的企業專業人員作為兼職教師走進課堂，一批具體真實的企業設計案例融入教學資源，同時企業還提供實習基地、設備和原料，參與學生實訓訓練。如福建青松股份有限公司的合成樟腦生產工藝，福建永晶科技有限公司的氟化工及氟新材料生產工藝成為化工設計課程教學的重要案例資源。課程團隊采用理論教學與企業案例相結合的授課方式，校企雙師同上一門課，校內教師側重于專業理論教學，企業教師側重于單元案例教學。從項目前期工作、工藝路線選擇及流程確定、關鍵控制變量和設計參數選取，到設計圖紙點評等教學內容，案例教學終貫穿于整個化工設計課程教學全過程。融入企業真實項目的案例化教學方式的改革，改變了以往設計階段各自獨立，缺乏項目設計整體性和系統性等問題，同時也有利于彌補校內教師的工程意識缺乏和設計經驗不足等問題。對比傳統理論教學方式，案例教學讓學生更容易接受，更積極參討論交流，有助于學生鞏固、加深課堂所學知識，使自己真正融入到設計過程中，增強實際工程應用的能力。加強校企合作，深化產業融合，有利于應用型高校培養高素質人才，有利于企業吸收高校產出的人才和科學知識提升自身產業的市場競爭力，更有利于形成校企合一，產教結合，校企共進，互惠共贏的良性教育模式[9]。

五、促進創新創業教育

《化工設計》作為化工專業一門重要的專業技術課程，是把一項化工過程從設想變成現實的一個建設環節，課程內容涉及多門學科的知識，例如新工藝新技術新產品開發、工藝過程模擬與優化、計算機輔助技術、設備選型、市場分析、工程經濟和安全環保等相關專業知識，其工程實踐性、專業綜合性和創新系統性較強[10]。在化工設計過程中融合了多方面的知識，想要提高學生的化工設計能力，就必須讓學生能夠將所學的理論知識融會貫通，通過本課程的教學和實踐環節一體化訓練，開展創新創業訓練等方面提供良好學習的平臺，理論知識可以用諸于工程實踐，有助于培養學生的工程素質，提高專業核心能力。

2015年，學院的《化工設計》課程被列入福建省高等學校精品資源共享課（創新創業教育與專業教育融合類）立項建設，是促進專業教育和創新創業教育融合的較理想的專業核心課程。幾年來，通過推進產教融合專業群課程資源案例庫建設，不斷豐富和完善本課程的創新創業教育資源。同時，全面開放綠色化工技術虛擬仿真實驗中心工藝設計實驗室、工程技術研究中心和院士工作站等創新平臺，學生積極參與教師科研課程和服務產業項目開發，結合開展畢業設計、科技競賽和創新創業項目訓練，全方位培養學生的創新精神、創業意識與創新創業能力，收到了良好的實踐創新效果。

六、結束語

經濟事業的發展推動教育事業的發展，教育事業的發展又反過來促進經濟進一步發展。教育事業的蓬勃發展需要不斷的教學改革，而作為教育教學改革重要內容之一的課程改革則是一個漫長而復雜的過程。化工設計課程的教學改革應結合地方產業，課堂理論知識聯系實習實踐、生產實踐，以服務地方產業為目標，以培養學生的工程實際能力和自主創新能力為出發點，以社會企業需求為依據，在培養與時俱進的高素質“新工科”人才的同時，帶動學院完成應用型轉變。

參考文獻：

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[3]姚運金，陳浩，魏鳳玉，等.依托化工設計競賽平臺促進創新型人才培養[J].化工高等教育，2017（6）：10-13.

[4]李勇剛，張宏，張愛華，等.基于學科競賽模式的“卓越工程師教育培養計劃”研究[J].中國校外教育，2017（11）：15-20.

[5]薛麗君.大學生化工競賽對化工專業課程教學改革的促進作用[J].當代化工研究，2017（8）：62-63.

[6]肖瑞瑞，楊偉，鞠彩霞.基于地方普通本科高校向應用型轉變要求的化工設計教學改革與探索[J].廣東化工，2018，45（1）：222-223.

[7]張運華，袁頌東，閔捷.全國化學設計大賽對化工專業教學改革的促進[J].廣州化工，2018，46（7）：144-145.

[8]夏建國.深化產教融合加快建設高水平工程應用型大學[J].中國高等教育，2018（2）：25-26.

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[10]劉垚，韓志慧，錢永，等.適合應用型人才培養的《化工工藝設計》課程的教學方法和措施[J].廣東化工，2018（2）：220-220.