“以賽促教”與費曼學習法應用于化工設計實踐課程的教學改革探索

么秋香，田少鵬，任花萍，霍小平，朱艷芳

（1.西京學院電子信息學院；2.西安市先進光電子材料與能源轉換器件重點實驗室，陜西西安 710123）

一、化工設計實踐課程教學改革的“新工科”背景

“新工科”建設是我國高等教育主動應對新一輪科技革命與產業變革的戰略行動，通過加快培養新興領域的工程科技人才，改造升級傳統工科專業，主動布局未來戰略，從根本上提升國家硬實力和國際競爭力。

“新工科”背景下，化工類復合人才的創新能力集中體現在工程實踐活動中創造新技術成果的能力，包括新產品和新工藝的研發、新流程和新裝置的設計等。化工設計是化工項目建設的重要環節，它是將一個系統（如一個工廠、一個車間或一套裝置等）的技術方案、工藝過程、生產裝備等轉化為工程語言的過程，是一門綜合性很強的學科[1]。化工設計課程是高等學校化工及其相關專業的一門專業核心課程，旨在培養學生綜合運用理論知識分析和解決實際工程問題的能力，增強學生的工程意識，使學生具備化學工程師的基本素質[2]。它是科研成果轉化為現實生產力的橋梁和紐帶，實現了由理論到實踐、由基礎到專業的跨越式發展。

民辦高校需要緊緊圍繞國家對轉型發展和應用型人才培養的要求，從理論上創新、在實踐中推進和落實，積極踐行“新工科”建設和“卓越工程師教育培養計劃2.0”，加快專業的轉型，重點突破應用型、技術技能型、創新型復合人才的培養，探索并實踐化工設計課程教學改革研究。

二、化工設計實踐課程的課程特點

化工設計實踐課程以工藝設計為主線，詳細介紹了學習化工設計工作的程序、內容、方法和步驟，包括工藝流程設計、物料衡算和能量衡算、設備的工藝設計與選型、車間布置設計及管道布置設計、設計概算與技術經濟、設計文件編制以及工廠選址及總布置設計等。該課程是一門涉及物理化學、化工原理、化工分離工程、化工熱力學、化學反應工程、化工設備機械基礎、化工安全與環保等專業知識的綜合性課程，按照化工設計規范和標準，解決從原料進廠到產品出廠中間一系列單元過程的工藝、設備、布置、管道等工程計算和工程設計問題，完成一個化工廠的完整設計過程。同時在課程學習過程中也涉及有Auto CAD制圖、Aspen Plus化工工藝流程的模擬與優化、3Dmax三維建模、Lumion漫游視頻展示等，因此該課程涉及的內容廣泛而繁雜，學科交叉多，工程的實用性很強，同時也意味著該課程的學習難度大，難以系統掌握和應用。通過傳統的課堂講授與課下練習方法，大部分學生的學習浮于表面，僅僅是通過反復地純粹地記憶掌握了化工設計的整個流程，耗費了大量的時間，顯得非常勤奮，這個學習過程非常輕松，沒有極具挑戰性的環節，學習效果差，用一個形象的比喻就是沒有給我們的知識鏈打上記憶的結，每天重復的學習，卻沒有通過知識鏈打結的形式讓學習內容系統化、讓知識點內化。

三、化工設計競賽對化工設計教學的激活效應

學習是需要有挑戰的，輕松的學習是達不到好的學習效果的。化工設計競賽對化工設計教學具有激活效應，全國大學生化工設計競賽就是這個挑戰環節，它給我們的知識鏈打上了牢固的結。全國大學生化工設計競賽面向全國高等院校化工專業的學生，是國內化工類級別最高、參賽隊伍最多、影響最大的比賽[3]。通過競賽，學生不僅對所學專業知識進行了系統綜合，而且鍛煉了工程實踐能力，培養了其工藝設計理念，特別是在新工藝、新設備、節能降耗等方面的創新思維能力能對學生的團隊協作精神、吃苦耐勞和堅忍不拔的毅力培養方面起到積極作用。競賽過程的實質就是一個團隊面對一個項目時，不斷爭辯討論、相互學習、修正改進的一個循序漸進的過程，在這個實踐過程中，要釋放學生的創新潛力與活力，實現對化工設計課程內容的升華，強化工程意識和創新思維，使學生的專業綜合能力得到充分提升，是一種具有激活效應的“以賽促教”教學模式。

四、MOOC在線課程的教學強化作用

2020年12月12日，中國社會科學院研究員、著名作家周國平在中國教育三十人論壇中再次強調“一切教育的本質都是自我教育，一切學習的本質都是自我學習”，尤其體現在后疫情時期的MOOC在線課程。在線教育的發展凸顯自我教育、自我學習的重要性，這也是未來教育的顛覆性發展，一個大學生畢業后，決定他優秀還是平庸最關鍵的就是他是不是具備自我教育、自主學習能力[4]。因此要在化工設計實踐課程中積極引入中國MOOC中的國家精品課程、優質課程，如化工設計、化工原理、化工單元操作、化工熱力學等。通過對教育形態進行調整，可以更充分地發揮名校名師、優質教育資源的優勢，減少部分線下教育者的教學水平和教學技能參差不齊的情況，尤其是像民辦高校或線下教育資源困乏的地區。更重要的是，學生可以根據自己的知識結構對知識點掌握情況進行自主規劃和在線學習，簡單知識點快速瀏覽，難點內容反復學習并自糾自查自考，這樣就將學習的主動權交還給了學生，讓學生自己掌握自己的學習節奏。

MOOC在線課程同時也釋放了線下教師的時間和精力，使教師做好“靈魂工程師”“價值引領者”“成長陪伴者”，幫助學生激發理想，樹立人生目標，做“六有”大學生，保證每一個學生都獲得足夠的重視，實現價值塑造、知識傳授與能力培養的融會貫通，全面提升人才培養質量。

五、費曼學習法在化工設計中的教學強化作用

根據理論物理學著名學者、諾貝爾獎得主理查德·菲利普斯·費曼（Richard Phillips Feynman）的學習法總結提出的學習金字塔[5]（如圖1所示）顯示，傳統的課堂講授學習內容的平均留存率非常低，僅為5%。新近涌現出來的在線課程開發模式：大規模開放的在線課程MOOC并沒有從根本上擺脫現有的學習模式，學習內容的平均留存率依然很低，閱讀及新媒體教學模式可以進一步提升學習效果，但是上述學習方式都屬于被動學習，最高學習內容平均留存率僅為30%。在討論、實踐和講授的主動學習過程中，學習內容的平均留存率一般在50%-90%，學習效果會顯著提高。

圖1 費曼學習金字塔Fig.1 The pyramid of Feynman learning method

在化工設計教學中實踐費曼學習方法，面對設計項目時，小組內進行討論并確定初步方案，再進行設計、計算與模擬的實踐過程，在實踐過程中發現問題、修改方案，再進行實踐。以競賽項目為主線，進行團隊學習、主動學習和參與式學習，迫使自己從更深的層次上去理解概念，簡化觀點之間的關系及聯系，并在項目后期進行初步傳授，以PPT展示講解的形式找到知識的邊界，遇到講不通、講不懂的地方，抓取這些點繼續深度理解。接下來整體回顧項目涉及的知識點、簡化知識點。檢查消化吸收的內容是否完全基于自己的理解，是否有拗口的地方，并進行不斷修改。最后把前面零碎的知識點吃透，并按照自己的理解進一步精煉、簡化，形成內容精煉、文字簡單的思維導圖。形成一個吸收知識—自我強化—傳授他人的學習鏈。

六、以賽促教與競賽育人協同提高學生就業能力

在學科競賽過程中學校要培養學生的創新精神、匠心精神與實踐能力，使學科競賽在應用型人才培養中發揮更大作用，促進學生提升就業競爭力。“課程教育+實踐鍛煉+競賽實戰”是大學生就業教育的新格局，全方位、多層次、精細化和立體化地構建“課程+實踐+競賽”的就業教育體系將使第一課堂和第二課堂協同聯動，使就業教育貫穿在兩個課堂的始終。大學生化工設計競賽這類競賽載體側重鍛煉學生對實際工程項目的設計能力、知識綜合運用能力及創新能力。團隊要從工程實際的角度去思考問題，選擇和設計合理的工藝條件及參數，通過實際運行的工程案例進行優化改進，形成一個完整的工藝流程。隨著化工過程的大型化和復雜化，當今化工行業越來越注重學生化工設計能力的培養，現代化設計軟件在化工設計工作中的占比越來越高，高效利用現代化設計軟件進行廠區設計、流程模擬、校核、衡算以及圖紙編繪等，可以很大程度上減少工作量，提升效率。化工設計競賽使學生從被動學習狀態變為主動探索，將現有的基礎知識理論在競賽實戰中得到綜合運用，顯著提升學生的創新意識與協作精神，在對系統化工過程的認識方面、工程制圖的制圖技能和規范化程度上以及對化工類軟件的實操運用上都有較大提升。通過參加多屆化工設計競賽，學生都普遍感受到化工軟件的熟練使用已成為化工設計行業必不可少的一項技能。在目前嚴峻的就業形勢之下，參加過化工設計競賽的學生的創新實踐能力和動手能力都較為突出，這也成為學生找到理想工作的一種行之有效的方法。

七、后疫情時期化工設計課程從傳授知識到激蕩心靈的思政建設

為全面貫徹黨的教育方針，深入落實中共中央辦公廳、國務院辦公廳《新時代學校思想政治理論課改革創新實施方案》，按照循序漸進、螺旋上升的原則，化工設計實踐課程要在教學設計、教學過程、教學層次、教學環節上步步融入德育內容，把做人做事的基本道理、社會主義核心價值觀的要求、實現民族復興的理想和責任等價值觀培育和塑造“基因式”地融入化工設計課程教學過程中，潤物無聲，立德樹人。

第一，在化工設計的課程定位和課程目標中融入化工與化工設計對推動人類社會發展與進步的重要作用，“化工新則產業新，產業強則國家強”“全球經濟的發展都離不開能源科學、材料科學、生物材料等傳統化工領域，它是全球經濟的基礎”等，激發學生的行業自豪感。第二，結合突發性公共衛生事件時期，化工企業為支援防疫工作，滿負荷生產防疫急需的醫療、消毒和防護用品及其原材料，滿足防疫需要。通過展示全行業對社會熱點、難點問題的解決，增強學生的愛國情懷和社會責任感。第三，從科技前沿展示化工相關的關鍵核心技術，如：茂金屬聚丙烯生產技術、第三代甲醇制烯烴技術、復合功能化車載玻璃、動力電池快充等，從而堅定學生的中國特色社會主義道路自信、文化自信，培育學生的科學精神、工匠精神等[6]。在專業課教學過程中常態化地融入思政元素，就像給課程加入催化劑一樣，激蕩心靈，使學生的學習目標、學習動力以及課堂氣氛等出現質的變化。

八、結論

在“新工科”建設背景下，民辦高校應以培養應用型、技術技能型、創新型復合人才為轉型發展目標。以化工設計實踐課程為例，為實現這一轉型發展要求，化工設計實踐課程作為一門多學科交叉和融合的綜合性課程，工程實踐性強，學習難度大，其教學改革的探索與實踐具有典型性的示范作用。化工設計競賽可以起到對化工設計教學的激活效應，在競賽的實踐過程中激發學生的創新潛力和活力，同時實現對課程內容的系統升華。在課程學習和競賽過程中引入費曼學習法，起到強化學習效果和學習效率的作用，形成一個吸收知識—自我強化—傳授他人的學習鏈。并且強調了MOOC在線課程在教育形態調整中的優質教育資源優勢以及MOOC在線課程實現了學生自我學習、自我教育的學習自主權回歸。化工設計實踐課程能在教學設計、教學過程、教學層次、教學環節上步步融入思政元素，實現知識傳授、能力培養與價值塑造的融會貫通，全面提升人才培養質量。