學科競賽驅(qū)動下的《化工設計》課程教學改革與實踐

馬闖　焦連升　劉金玉　金銅音　王蕾

摘? 要：為了強化化工設計課程在化學工程與工藝專業(yè)應用型人才培養(yǎng)過程中的作用，文章基于全國大學生化工設計競賽，以培養(yǎng)學生應用型能力為目標，對現(xiàn)有化工設計課程的教學方法和內(nèi)容進行了創(chuàng)新和重構，實踐證明改革后的化工設計課程能夠有效激發(fā)學生學習興趣，改變傳統(tǒng)課堂狀態(tài)，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力，提高學生的工程意識和工程實踐能力，對推動教學改革和培養(yǎng)化工類應用型人才具有重要意義。

關鍵詞：學科競賽;應用型人才;化工設計;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）01-0132-03

Abstract： The role of chemical engineering design courses need to be enhanced in cultivation of applied talentsin chemical engineering and technology. Based on the National Undergraduate Chemical Design Competition， this paper aims at developing students' application capability， and reconstruct and innovates on the teaching methods and contents of existing chemical design courses. The practice has proved that the reformed chemical design course can effectively stimulate students' interests in learning， change the traditional classroom state， develop their teamwork skills， as well as improve their engineering awareness and practical ability， which is of great significance to promote teaching reform and cultivate chemical application talents.

Keywords： discipline competition; application-oriented talent; chemical design; teaching reform

化工設計課程作為化學工程與工藝專業(yè)的一門必修課程，是對前期所學核心課程如：化工原理、化工熱力學、化學反應工程、分離工程等基礎理論課的一個綜合應用，具有綜合性、應用性和工程性等特點[1]，主要培養(yǎng)學生獨立工作、獨立思考和綜合運用所學理論知識分析和解決實際工程問題的能力，是提高學生綜合素質(zhì)，使大學生向工程師轉(zhuǎn)化的一個重要環(huán)節(jié)。因此化工設計課程在化工專業(yè)和行業(yè)建設過程中有著非常重要的作用，是保證化工項目建設可以順利進行的基礎，是培養(yǎng)化工專業(yè)應用型人才的重要過程，可以說一個學生化工設計能力水平的高低標志著其實際應用能力培養(yǎng)的成功與否[2]。

全國大學生化工設計競賽（簡稱化工設計競賽）是由中國化工學會、中國化工教育協(xié)會、教育部高等學校化工類專業(yè)教學指導委員會主辦，在諸多知名化工企業(yè)的贊助下，面向化工類專業(yè)學生的一項高規(guī)格學科競賽，目前是國內(nèi)級別最高、參賽人數(shù)最多、影響力最大的賽事。該學科競賽旨在多方面培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新思維、工程意識和團隊協(xié)作精神，增強大學生的工程設計和實踐應用能力，為培養(yǎng)高水平應用型人才，實踐“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”具有重要作用[3-4]。

化工設計競賽通過每年3月份發(fā)布任務書，要求各學校參賽隊伍依據(jù)設計任務書完成相應的任務，最終在7月20日前在全國大學生化工設計競賽官網(wǎng)上提交參賽作品。學生在這段時間內(nèi)完成設計作品，由于化工設計競賽的任務量較大，需要綜合應用化工各學科、各課程的相關理論和實踐知識，要求學生以小組的形式共同來完成作品。顯然傳統(tǒng)的化工設計課程教學模式不能滿足新形勢下培養(yǎng)高水平應用型人才的需求，這就對化工設計及相關課程的理論和實踐教學提出了更高的要求[4]，本文主要分析了化工設計課程的教學現(xiàn)狀，結合化工設計競賽，探討了以學科競賽為驅(qū)動，重構課程內(nèi)容，改革化工設計課程的教學模式和考核辦法的教學模式。

一、化工設計課程的教學現(xiàn)狀

隨著化工行業(yè)和教育行業(yè)的快速發(fā)展，化工設計課程由于其較強的應用性和實踐性，使得傳統(tǒng)的教學方法并不能滿足課程目標和人才培養(yǎng)目標的達成，存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1. 許多青年教師都是從大學到大學，缺乏工程實踐經(jīng)驗，在教學過程中不能熟練應用工程案例教學，容易造成照本宣科，導致學生對工程知識理解不透徹，限制了學生工程意識的培養(yǎng)[5]。

2. 雖然化工設計課程實踐性和應用性較強，但課程主要采用教師授課的方式進行，缺乏相應的工程實踐和相應的實踐訓練，且期末試卷的單一考核方式限制了學生應用能力的培養(yǎng)[6]。

3. 課程內(nèi)容過度依賴教材，且教材更新落后于化工行業(yè)的發(fā)展速度，教材中大多屬于落后的生產(chǎn)工藝流程和技術指標，教師不能聯(lián)系現(xiàn)有行業(yè)發(fā)展情況對出現(xiàn)的新工藝、新設備等進行介紹，因此教學資源的落后限制了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4. 在信息技術快速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的課堂講授缺乏師生互動，則容易為“低頭族”創(chuàng)造條件，使學生對本課程喪失興趣，同時單一的課堂講授也不利于學生團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)。

以上化工設計課程實施過程中的主要問題嚴重影響了課程教學的有效實施，也導致了學生在學習的過程中無法有效地提高學生的實踐應用能力，無法促進課程目標和人才培養(yǎng)目標的達成，因此開展化工設計的教學模式改革顯得十分必要。

二、化工設計課程改革與實踐

在化工設計課程教學過程中將學科競賽融入到課程教學中，在教學內(nèi)容、教學方法、考核方式等方面結合化工設計競賽完成教學任務。這不僅豐富了課程教學資源，也提高了學生的綜合實踐能力。

（一）突出重點，重構課程教學內(nèi)容

我校化學工程與工藝專業(yè)在2018級培養(yǎng)方案調(diào)整中，將化工設計中的物料衡算和熱量衡算部分調(diào)整到計算機在化學化工中的應用課程Aspen Plus部分中講解。根據(jù)化學工程與工藝專業(yè)畢業(yè)生在行業(yè)中的需求，將化工設計課程教師講授內(nèi)容調(diào)整為工藝流程設計和工藝流程圖、設備的工藝設計及化工設備圖、車間布置設計、管道布置設計、非工藝專業(yè)、工程設計概算及技術經(jīng)濟6大部分，共32學時。這6大部分同時也是化工設計競賽設計的核心內(nèi)容。在本課程中重點結合化工設計競賽講授工藝流程設計和設備的工藝設計部分，講授本部分過程中融入安全設計和化工環(huán)保等相關思想，同時將綠色和節(jié)能等理念貫穿設計部分的始終，滿足學生將來對項目設計的需要，對于Cup-Tower、SW6等設計用到的軟件課程不做講授，由學生自主學習，培養(yǎng)學生自主學習能力。

化工設計競賽的引入使得每年的設計任務是不同的，這就要求教師和學生對新出現(xiàn)的工藝和裝置進行共同學習，利用課程中講授的設計方法和工具，查閱大量的資料結合工藝要求和特點完成一個全新的項目設計。這對培養(yǎng)學生的綜合能力和提升教師的教學能力具有重要意義。

（二）學科競賽，激發(fā)學生學習動力

化工設計課程改革后，將化工設計競賽引入課程，化工設計競賽任務書中行業(yè)前沿的設計項目，彌補了化工設計課程教材資源落后的缺點。在化工設計競賽任務書下發(fā)時即為學期初，將化工設計競賽的設計內(nèi)容進行整理，分解為工藝流程設計、流程的物料和能量衡算、控制方案設計和設備設計、車間布置設計、管道布置設計、非工藝設計、技術經(jīng)濟評價和節(jié)能環(huán)保優(yōu)化等部分，一一與化工設計課程內(nèi)容進行對應，讓學生跟隨化工設計課程進度，完成化工設計競賽設計的各個部分內(nèi)容，課程中引入化工設計競賽的項目設計，豐富課程教學資源的同時，鍛煉了學生的實踐應用能力，在學期末課程結束后，設計作品作為課程作業(yè)，同時化工設計競賽的設計作品已經(jīng)初步成型，在此基礎上鼓勵學生進行優(yōu)化，補充三維配管設計、廠區(qū)漫游等設計內(nèi)容，此部分內(nèi)容為教師指導，學生自行研究、設計，完成后即可提交作為化工設計競賽的參賽作品。實現(xiàn)了在課程實施過程中初步完成設計作品，課程結束后輔助學生進行能力拓展，通過拓展完成化工設計競賽要求的剩余內(nèi)容，這樣既能夠滿足課程考核的需要，又能夠通過簡單優(yōu)化成為一份完整的化工設計競賽作品，參加競賽的優(yōu)秀作品可獲得河北省及全國大學生化工設計競賽獎項，學校對于獲獎學生在課外學分認定和資金獎勵等方面均給予相應的支持，這在很大程度上激發(fā)了學生對本課程的學習動力，提高了學生對項目設計的積極性。

（三）教學模式改革，培養(yǎng)學生綜合能力

在本課程的教學改革過程中，對傳統(tǒng)的教學模式和考核辦法進行了調(diào)整。由傳統(tǒng)的教師講授為主，變?yōu)楝F(xiàn)在以學生小組自主設計為核心，每個小組由4-5名學生組成，教師結合項目設計內(nèi)容每次課中對本周學生應完成的設計內(nèi)容進行介紹、指導，課下由學生完成，定期分小組進行匯報，匯報內(nèi)容包括小組分工、設計內(nèi)容和完成情況、存在的問題和下一步的設計計劃等內(nèi)容，每次匯報的成績作為學生平時成績，而平時成績也加入學生的自評和互評分，提高了學生平時學習的積極性和效率。

該課程的考核也由傳統(tǒng)的期末試卷理論考核的方式，改革為現(xiàn)在多元化的考核方法，由原來的重知識考核改革為現(xiàn)在的重能力考核，即總成績由平時匯報成績（共分為4次）、設計項目答辯成績（三個以上教師評委）、設計作品成績?nèi)糠纸M成。多元化的考核方式更注重過程性考核、更注重學生能力的考核，是應用性人才培養(yǎng)過程中的一個重要特點。

經(jīng)過課程教學模式的改革有助于培養(yǎng)學生的工程意識和實踐能力。化工項目設計來源于化工生產(chǎn)實際，與現(xiàn)有化工行業(yè)密切相關，在不給定設計原料或產(chǎn)品的情況下，由學生通過查閱資料根據(jù)國家和行業(yè)政策、市場需求等確定生產(chǎn)原料或工藝產(chǎn)品，在這過程中學生需要拋棄實驗室工藝設計的思維，結合所學知識和生產(chǎn)實際采取工程思維來思考、設計、解決相關問題等，從而讓學生能夠系統(tǒng)地利用各學科知識完成項目設計，訓練學生的工程設計能力。這可以為學生畢業(yè)進入行業(yè)工作起到一個很好的橋梁作用。

本課程的改革有效促進了學生團隊協(xié)作能力的提高。在實施項目設計的過程中由于需要以小組的形式來完成，這就要求學生必須合理分工，比如工藝方案確定后，有同學進行工藝模擬優(yōu)化，有同學需要進行設備設計和優(yōu)化，這就需要他們在實施過程中及時溝通交流，并相互協(xié)調(diào)、配合，只有小組成員間的互相鼓勵、互相溝通和交流才能按期完成設計作品，所以化工設計競賽項目設計的引入對學生學習意志、心理素質(zhì)和團隊協(xié)作能力進行綜合培養(yǎng)。

通過教學模式的改革，學生在實施項目設計的過程中以小組的形式來開展，通過在教師的指導下，要求學生按照工程設計要求自主查閱資料、自主學習系列軟件、自主評估取舍相關生產(chǎn)工藝、新型設備、過程節(jié)能技術和自動化控制等先進的技術，從而促進了自主學習能力的培養(yǎng)。同時學生的實踐應用能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力也得到了有效的提升[7]，這有效支撐了化學工程與工藝專業(yè)學生的畢業(yè)要求的達成。

三、化工設計課程改革成效

化工設計課程教學改革3年來的實踐證明，學科競賽驅(qū)動下的化工設計教學模式改革使得教學效果不斷提高，充分激發(fā)了學生學習積極性，學生的學習狀態(tài)得到了明顯的改善，學生應用性能力也有了明顯的提高，培養(yǎng)效果得到了兄弟院校和社會的普遍認可。表1是化工設計課程教學改革實施以來學生參加化工設計競賽的獲獎情況，從表中可以看出3年來，學校參加化工設計競賽的學生數(shù)不斷增加，學生獲得省級以上獎勵的數(shù)量不斷增加，在第11屆河北省的大學生化工設計競賽中，我校也是唯一一所獲得特等獎的地方院校，這極大地提升了學校和專業(yè)的知名度。經(jīng)歷過化工設計競賽的學生也重新對化工專業(yè)有了新的認識，明顯提升了專業(yè)知識技能和綜合能力，對學生研究生的考核和面試也起到了極大的促進作用。另外在指導學生參加化工設計競賽的過程中也提升了教師的專業(yè)水平，使教師了解到了更多的行業(yè)前沿知識和技術，在后續(xù)的教學過程中能夠?qū)⒋私?jīng)驗和平時的理論知識相結合有效的開展教學。也因此兩位教師獲得河北省教育廳化工設計競賽優(yōu)秀指導講師榮譽稱號，同時學校還獲得了第11、12屆華北賽區(qū)的優(yōu)秀組織獎，現(xiàn)代化設計方法單項獎等諸多獎項。

另外本課程以學科競賽為驅(qū)動的教學模式目前在本校已經(jīng)開始推廣，學校于2018年下發(fā)了《河北民族師范學院一院一品計劃實施辦法》，鼓勵各學院依托自身專業(yè)特點、學科優(yōu)勢設計高質(zhì)量的品牌學科競賽活動，積極參加國家級、省級高水平學科競賽，使學科競賽具有一定的水平，真正能夠促進學生的專業(yè)學習，能夠培養(yǎng)大學生創(chuàng)新精神和綜合實踐能力。力爭實現(xiàn)一個學院一個品牌。

四、結束語

本課程采用以學科競賽驅(qū)動《化工設計》課程的教學模式改革，經(jīng)過3年實踐證明化工設計競賽引入課程能夠促進學科知識的相互滲透，促進學生工程實踐能力培養(yǎng)、促進學生自主學習能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[8]，同時也對課程資源更新具有較好的作用。本專業(yè)實施課程改革后為社會行業(yè)培養(yǎng)了一批滿足需求的高素質(zhì)應用型人才。同時該教學模式的改革也為其他學科的教學模式改革和應用型人才培養(yǎng)提供了一條可借鑒的思路。

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