面向新工科的貫穿式化工實踐課程改革初探

王 慧，鄧益強，肖業鵬，程麗華

(廣東石油化工學院， 廣東 茂名 525000)

新工科內涵既包括實質工程內容，也強調新興發展取向。在新工科背景下，教育模式應該積極尋求革新，以適應新形勢下的教育理念和體系的轉變，走在時代發展的前沿，培養具有科技創新和專業技能素質的高級工程人才。基于此，化工實踐課程皆在培養本科學生的實踐創新能力，提高學生的綜合素質，并將理論知識與具體工程相結合，達到理論聯系實際的目的。然而，在傳統教學過程中，化工實踐課程存在學生積極性差、目標不明確、課程時間短、技能知識碎片化等缺點，采用原有教學思路已經無法滿足新工科教育理念。如何對現有化工實踐課程的教學思路、手段和資源進行調整與提升是促進新工科高級技術人才培養的重要途徑之一[1-4]。

在本科教學過程中，化工專業在完成基礎理論課程(即物理化學、化工原理、化工分離工程、反應工程、化工熱力學、化工工藝學等)后，通常會設置一些實踐教學內容，比如生產實習、模擬仿真、認識實習和化工課程設計等，以檢驗學生對理論知識的掌握程度，并進一步強化對生產工藝的理解及專業技能的提升。但是在課程安排上，這些實踐性環節彼此孤立進行，缺乏系統連貫性，使教學內容寬泛而零散，無法充分展開，工程設計深度受到嚴重限制。因此，作者根據近年的教學探索，分析以化工課程設計為主，并整合化工生產實習和模擬仿真的貫穿式教學模式的可行性，針對單一工程問題進行系統而深入學習，以充分發揮各個實踐性環節的優勢，為開展新工科教育提供新思路[5-9]。

1 化工專業實踐性環節存在的問題

化工實踐性環節是本科教育過程中培養學生掌握多學科綜合能力和分析實際問題的關鍵課程。但由于在具體實施過程中存在矛盾沖突，使工程實踐課程往往達不到預期效果，長此以往即浪費了大量的教學資源，也無法有效提升學生解決工程問題的能力。究其原因主要包括以下幾個方面：

1.1 實踐內容難以深入

根據作者所在院校的課程安排，各個實踐性環節時間均大于2周，因此實踐內容課時總量上十分可觀。但相關知識缺少連貫性，且每個環節間隔較長，學生掌握知識不扎實，教學內容難免有所重復，使得實踐過程難以深入進行。另外，每個環節也暴露出一些具體問題，比如生產實習過程中，化工企業出于安全、技術和經濟等方面的考慮，使實習過程趨于形式化；模擬仿真過程中，由于具體流程都在軟件平臺上完成編寫，學生很難獲取參與感，普遍存在"走馬觀花"現象；化工專業課程設計雖然在時間安排上比較充裕，但學生大多采用傳統的手工計算，缺少對計算機輔助設計程序的學習和應用，耗費大量時間，在發現計算錯誤后需要重新核算，且一些設計參數難以在文獻查閱中得到，計算結果缺少實際對比，使得學生對工藝設計缺少應有的興趣，這也間接限制了學生自主深入學習的動力。

1.2 實踐平臺多樣化導致經費不足

由于國民經濟迅猛發展，使得人力資源和物價也不斷上漲，無論是到現場學習化工裝置的過程操作還是針對工藝流程的具體實踐平臺搭建方面，都需要教育經費的支撐。一些高校為了節約交通費用，壓縮實習成本，往往就近選擇實習場所，使得學生對新工廠、新工藝缺少必要的了解。為進一步控制綜合成本，可能會對一些化工模擬程序的選購降低功能要求，這使學生對裝置開停車、事故處理和復雜操作流程的理解不夠深入。同時，對于一些工藝模擬軟件，如Aspen Plus、ProcessⅡ、SmartPlant 3D和CAESARⅡ等，其系統升級更新較快，一些高校無法全面掌握對所有化工模擬計算軟件的擁有權，削弱了對學生的工程實踐能力和職業技能的培養。

1.3 實踐教學指導教師隊伍不穩定

在實踐教學過程中，指導教師起到主導作用，是確保學生能夠高效完成實踐學習的關鍵。但由于課程安排復雜，教師其他教學任務和科研任務繁重，導致指導崗位變動較大，不利于完善和提升實踐過程中的系統建設和指導效果。另一方面，化工實踐性環節包含的知識量龐雜，如工藝設計、總圖布置、儀表自動化、管道流程、設備安裝、土建設計和計算機輔助軟件應用等內容，要完全掌握這些內容并將知識靈活地傳授給學生，需要指導教師具有多年的教學經驗和耗費大量時間、精力。然而，承擔實踐教學的師資隊伍逐漸趨于年輕化，年輕教師對于企業的工藝流程和設備結構不夠熟悉，加之實踐專業課程掌握不夠全面，很難全面開展教學任務。

2 化工實踐課程的新模式探索

傳統實踐課程的設置具有獨立性，削減了各個課程之間的有機關聯，嚴重影響學生對于專業技能的綜合掌握與應用。針對單一工程問題，以化工課程設計為主導，整合化工生產實習和模擬仿真實踐環節，實現貫穿式教學的新模式，可發揮出各個環節的優勢，提高專業技能學習效率，并且有利于培養兼具理論知識與工程應用的卓越化工人才。該新模式的應用有助于緩解以下幾方面矛盾：

2.1 利用實踐課程的有機關聯使教學內容逐層深入

首先，采用貫穿式教學模式不僅使得教學內容上的得到延續，也強化了對教學時間的應用，因采用的是三個實踐環節的加和，可以確保學生有充足時間完成高質量的工程實踐作業。其次，由于圍繞單一工程問題進行設計與開發，其相應的教學內容、資源和平臺可進行有效整合，節省了學生對不同環節中不同問題的學習時間和精力，增強各個實踐環節的知識系統性學習，減少部分重復內容的教學時間，提升了學生靈活解決復雜工程問題的能力。最后，貫穿式教學模式打破了傳統實踐課程之間壁壘，實現跨課程知識點的重組，從而構建了多學科、多平臺的交叉融合，形成了適用于新工科教育理念的完整知識框架和能力結構。

2.2 采用單一工程案例可緩解經費不足

在現有預算的基礎上，如何實現經費的有效利用，整合多個工程實踐平臺資源，搭建各個平臺之間的聯通軌道才是解決經費問題的關鍵。通過篩選合適的工藝教學案例，針對該工藝流程進行平臺建設，可有效緩解同時建立多套裝置的教學平臺而引起的資金競爭問題。例如選擇常減壓蒸餾裝置作為實踐課程的工程案例，在生產實習環節只挑選具有代表性裝置(如千萬噸級常減壓裝置)，帶領學生到現場記錄其生產數據和操作參數，了解工藝流程和自動控制方案。同時，開展對該裝置化工課程設計環節，對工藝流程進行模擬計算，并積極采用先進工藝軟件輔助設計。比如采用Aspen Plus計算精餾塔的參數；利用SmartPlant 3D實現工藝三維配管；通過CAESARⅡ完成應力校核；使用Aspen Energy Analyzer對換熱網絡進行夾點分析并優化等。將課程設計結果與現場實際生產比對修改，實現化工生產實習和課程設計有機結合，減少實習費用的同時，極大地增強了學生們的求知欲望。另一方面，在進行模擬仿真環節時，也可以利用Aspen Plus Dynamics軟件實現與化工課程設計環節的有機串聯，通過建立常減壓裝置的動態模擬流程，完成對實際流程的仿真模擬，并利用干擾變量的輸入，檢驗控制結構的有效性和魯棒性。模擬仿真環節與化工課程設計的結合，可克服多套裝置仿真平臺的采購費用昂貴性與實習管理的復雜性，并提高了同學們的參與感，使得整個實踐環節變得更系統，體現專業課程知識體系中原有內在聯系。

2.3 貫穿式教學模式有助于年輕教師快速成長

由于改進的實踐教學方案具有連貫性，可為年輕教師提供整塊時間進行充電學習。同時，由于選取的實踐案例具有單一性，也減輕了指導教師對龐雜知識體系的備課壓力。貫穿式教學模式是將化工生產實習、模擬仿真與課程設計相結合，我們可以聘請企業專家和經驗豐富的教師同時進行實踐教學，而年輕教師在集中的時間段內，可快速積累現場實習經驗、工藝設計步驟和實際操作流程，有助于在短時間內容完善教學任務，調整實習方案，提高實踐教學質量。

3 結束語

伴隨化學工業技術水平的不斷提高，對化工工程師的培養策略也逐步升級，在新形勢下，針對化工專業的新工科建設勢在必行。貫穿式化工教學模式的探索將有助于促進化工實踐課程的教學思路、手段和資源調整與改進，建立多元化實踐教學機制，以滿足對國家對新工科高級技術人才的需求。