新工科背景下化工類課程教學(xué)設(shè)計經(jīng)驗與啟示
——以麻省理工學(xué)院工程學(xué)院為例

郝南京

（西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049）

引言

科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展既為化工類專業(yè)提供了前所未有的機(jī)遇，也為專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)。為主動應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，自2016年新工科概念提出以來，教育部組織召開了一系列新工科建設(shè)研討會，并聯(lián)合工業(yè)和信息化部以及中國工程院發(fā)布了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》，從此拉開了我國新階段高等工程教育改革的序幕［1-2］。相比于傳統(tǒng)工科，新工科更強(qiáng)調(diào)工程、科學(xué)與人文的交叉融合，致力于培養(yǎng)實(shí)用型、復(fù)合型和創(chuàng)新型人才，要求學(xué)生具備創(chuàng)新思維能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、工程實(shí)踐能力和寬廣的國際視野。目前，化工類人才培養(yǎng)普遍存在課程設(shè)計同質(zhì)化、教學(xué)形式單調(diào)、教學(xué)目標(biāo)單一、考核內(nèi)容教材化、理論與實(shí)踐脫節(jié)、專業(yè)吸引力不足以及國際競爭力不強(qiáng)等問題［3-4］。因此，如何在新工科背景下進(jìn)行課程教學(xué)改革和質(zhì)量提升是我國高等教育亟待解決的問題。

美國麻省理工學(xué)院（以下簡稱MIT）是世界頂尖的技術(shù)和工程院校，其在工程教育領(lǐng)域的研究質(zhì)量和創(chuàng)新水平頗具特色，在世界范圍內(nèi)具有較高的知名度。MIT工程學(xué)院在化工類專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系、學(xué)科建設(shè)、教學(xué)方式和考核標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行了長期創(chuàng)造性的探索和實(shí)踐，積累了大量豐富而且寶貴的經(jīng)驗。研究其課程設(shè)計方案對于我國高等院校新工科課程體系建設(shè)和教學(xué)模式改革具有重要意義。作為化工方向的重要教學(xué)知識體系，“化學(xué)與生物反應(yīng)工程”是國內(nèi)外各高校化工類專業(yè)的核心課程之一。本文通過系統(tǒng)分析MIT“化學(xué)與生物反應(yīng)工程”課程的教學(xué)設(shè)計模式特點(diǎn)和經(jīng)驗，深入討論了其對我國新工科背景下化工類課程建設(shè)的啟示。

一、MIT“化學(xué)與生物反應(yīng)工程”課程教學(xué)設(shè)計模式

（一）課程內(nèi)容

MIT“化學(xué)與生物反應(yīng)工程”課程內(nèi)容強(qiáng)調(diào)了以下知識點(diǎn)：將反應(yīng)速率、化學(xué)計量和平衡的概念應(yīng)用于化學(xué)和生物反應(yīng)系統(tǒng)的分析；從反應(yīng)機(jī)制和平衡或穩(wěn)態(tài)假設(shè)推導(dǎo)速率表達(dá)式；通過綜合化學(xué)動力學(xué)合成、傳輸現(xiàn)象以及質(zhì)量和能量平衡來設(shè)計化學(xué)和生化反應(yīng)器。此課程的主題內(nèi)容有：化學(xué)/生化途徑；酶學(xué)、途徑和細(xì)胞生長動力學(xué)；用于微生物和哺乳動物細(xì)胞的化學(xué)反應(yīng)和培養(yǎng)的間歇式、塞流式和充分?jǐn)嚢枋椒磻?yīng)器；非均相和酶催化；反應(yīng)器中的熱量和質(zhì)量傳遞。

（二）授課形式

課程的授課形式囊括了理論課（Lecture）、討論課（Recitation）和實(shí)踐課（Web Lab Experiment）等。理論課由授課教師講述課程內(nèi)容相關(guān)的理論知識，共25課時，每課時1個小時。討論課讓學(xué)生在支持性環(huán)境中嘗試去主動解決難題，共12課時，每課時1個小時。討論課不僅回顧課外作業(yè)解決方案、回答有關(guān)講義材料的問題以及討論解決問題的方法和考試方案，而且要求學(xué)生在討論課之前閱讀并思考課外作業(yè)的問題，同時學(xué)生須準(zhǔn)備好被要求在黑板上解答問題。實(shí)踐課是劍橋大學(xué)與MIT合作資助的基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗教學(xué)項目。

（三）作業(yè)布置

課程的作業(yè)布置包含兩種形式：每周課外習(xí)題集和每周課外閱讀。每周課外習(xí)題集給學(xué)生一周左右的時間完成，評分后返回給學(xué)生。學(xué)生可以共同討論習(xí)題集作業(yè)，得到問題的解決方案和策略，但更鼓勵學(xué)生獨(dú)立思考解決問題的方法。每周課外閱讀作業(yè)須學(xué)生完成《化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)》和《生物動力學(xué)》輔助參考書中一定章節(jié)的內(nèi)容。

（四）考核方式

課程考核評分包括課外作業(yè)、測驗、期中考試1、期中考試2、期末考試等5個部分，分別占總成績的20%、10%、15%、20%和35%。課外作業(yè)成績根據(jù)每周課外習(xí)題集完成情況進(jìn)行評定；測驗成績由每周課外閱讀以及討論課的表現(xiàn)進(jìn)行評分；期中考試和期末考試分別歷時1個小時和3個小時，成績根據(jù)卷面考試分?jǐn)?shù)給定。

二、MIT工程學(xué)院教學(xué)設(shè)計方法特點(diǎn)分析與經(jīng)驗總結(jié)

（一）課程內(nèi)容實(shí)踐化

課程作為人才培養(yǎng)的重要載體，直接反映了一個學(xué)校的人才培養(yǎng)模式，甚至嚴(yán)重影響整個高等工程教育的人才培養(yǎng)質(zhì)量。“化學(xué)與生物反應(yīng)工程”課程是國內(nèi)外化工類專業(yè)的關(guān)鍵核心課程，通過對比MIT工程學(xué)院，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)在課程內(nèi)容構(gòu)成方面的明顯差異。與國內(nèi)的課程內(nèi)容“教材化”相比，MIT在講授化學(xué)與生物反應(yīng)工程相關(guān)的基本概念和方法原理的基礎(chǔ)上，更注重考查學(xué)生對所學(xué)課程理論知識的理解和融會貫通。盡管國內(nèi)外都注重此課程經(jīng)典理論的深入學(xué)習(xí)，但MIT在課程內(nèi)容方面強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動參與和實(shí)踐能力，使學(xué)生在對基礎(chǔ)性知識正確理解的前提下，通過實(shí)踐環(huán)節(jié)熟練運(yùn)用專業(yè)知識。另外，MIT 早在1916年就建立了科赫化工實(shí)踐基地［5］。同時，MIT 校園周圍有數(shù)十個工程研究和實(shí)踐中心，不僅為化工類專業(yè)的教、學(xué)、研提供了充分的保障，也為課程內(nèi)容開發(fā)和教學(xué)實(shí)踐活動做出了充分的支持。

（二）授課形式綜合化

授課形式是對課程內(nèi)容進(jìn)行呈現(xiàn)的教學(xué)方式，人才的培養(yǎng)在一定程度上依賴于授課的形式和方法。國內(nèi)化工類課程側(cè)重于規(guī)范化的理論課學(xué)習(xí)，而MIT更加突出“學(xué)習(xí)—思考—實(shí)踐—總結(jié)”為一體的綜合化授課形式。前者是單一灌輸式教學(xué)模式，學(xué)生是被動式參與課堂學(xué)習(xí)；而后者是一種全面發(fā)展的教學(xué)模式，充分發(fā)揮了學(xué)生主動探索和綜合訓(xùn)練的功能。MIT“化學(xué)與生物反應(yīng)工程”課程的教師講授時間僅占總課時的三分之二左右，相當(dāng)多的時間是讓學(xué)生主動參與課程內(nèi)容研討，并嘗試去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。大量的討論課程在提高學(xué)生自主性的同時，也提升了其最基本的獨(dú)立思考判斷和團(tuán)隊協(xié)作能力。另外，MIT在授課方式中也創(chuàng)造性地引入了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗室實(shí)驗課，通過與劍橋大學(xué)的遠(yuǎn)程合作，不僅實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢教學(xué)實(shí)踐資源的互補(bǔ)，而且極大地促進(jìn)了學(xué)生的國際交流能力和視野拓展。因此，理論課、討論課和實(shí)踐課等不同授課形式的綜合化是加強(qiáng)學(xué)生對課程理論知識理解與掌握的有效途徑，是培養(yǎng)學(xué)生工程專業(yè)技能和職業(yè)認(rèn)知的關(guān)鍵。

（三）作業(yè)布置體系化

作業(yè)布置作為課堂教學(xué)的延伸，可以有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合技能和解決實(shí)際問題的能力。對于課程作業(yè)布置，國內(nèi)主要以課程內(nèi)容的復(fù)習(xí)或者網(wǎng)絡(luò)信息的查閱為主，在一定程度上缺乏體系化的教學(xué)并限制了學(xué)生的求知欲。相比較而言，MIT“化學(xué)與生物反應(yīng)工程”課程通過每周發(fā)散性課外習(xí)題和每周輔助參考書課外閱讀，使學(xué)生全面、系統(tǒng)地熟練掌握課程內(nèi)容。從教學(xué)方法來看，體系化的作業(yè)布置可以引導(dǎo)學(xué)生主動參與到教學(xué)活動中，真正使學(xué)生從學(xué)會到會學(xué)，進(jìn)而可以較快地融入科學(xué)發(fā)展和工程實(shí)踐的前沿。MIT課程的課外習(xí)題類型發(fā)散且與實(shí)踐聯(lián)系緊密，如“美國某地一化工廠發(fā)生嚴(yán)重爆炸事故，推測可能是硝酸銨快速分解產(chǎn)生一氧化二氮所致，在給定條件下分析安全操作的反應(yīng)溫度、繪制反應(yīng)器內(nèi)溫度隨時間的變化曲線、提出反應(yīng)器安全啟動與關(guān)閉的流程等”，促使學(xué)生基于基礎(chǔ)理論知識去解決實(shí)際問題。另外，課外閱讀的指定教材內(nèi)容十分豐富，涉及面非常廣泛，如指定的輔助閱讀書籍之一《化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)》就有1 000多頁，能充分滿足學(xué)生對課程的認(rèn)識和求知欲。

（四）考核方式多元化

考核評價是教學(xué)活動中十分重要的環(huán)節(jié)，不僅可以完善課程計劃和課程目標(biāo)，也可以判斷學(xué)生學(xué)習(xí)和教學(xué)質(zhì)量，它在本質(zhì)上影響著人才培養(yǎng)的方向和目標(biāo)。國內(nèi)化工類專業(yè)課程的考核通常采用傳統(tǒng)的閉卷期末考試作為唯一方式。這種方式往往考查的是知識儲備能力，而非知識的綜合運(yùn)用能力，因此具有非常大的局限性。MIT課程的考核方式包括每周的課外作業(yè)成績、每周的課外閱讀以及討論課表現(xiàn)成績、兩次期中考試成績和一次期末考試成績，期末考試的成績僅占總成績的35%。可以看出，MIT在課程考核評價過程中方式更靈活，更注重學(xué)生的平時表現(xiàn)，這在一定程度上也調(diào)動了學(xué)生全程參與教學(xué)活動的積極性。另外，在考核題型方面，國內(nèi)的課程考核往往圍繞教材內(nèi)容以選擇題、填空題、判斷題、問答題等客觀題型為主；而MIT的課程考核更多采用綜合應(yīng)用題、理論分析題和開放討論題等主觀題型，并不局限于固定的基本知識點(diǎn)，充分鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和解決問題能力。

三、對新工科背景下化工類課程建設(shè)的啟示

（一）推進(jìn)課程內(nèi)容改革，優(yōu)化課程設(shè)置體系

深化課程內(nèi)容改革是新工科背景下化工類人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，只有不斷推進(jìn)課程內(nèi)容改革，才能使課程教育更好地為培養(yǎng)新工科人才服務(wù)。為此，我國高等工程教育可以從以下四個方面強(qiáng)化課程體系建設(shè)：（1）課程內(nèi)容要聚焦前沿性、實(shí)踐性和國家需求，新工科人才的培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)以世界科技的前沿和經(jīng)濟(jì)社會的需求為導(dǎo)向，與國家的發(fā)展戰(zhàn)略相適應(yīng)。（2）課程設(shè)置要打破學(xué)科的界限，鼓勵學(xué)科交叉，特別是工程類課程與經(jīng)濟(jì)、管理、金融、電子、通信等熱點(diǎn)類課程的交叉，加強(qiáng)工程類專業(yè)教育與通識教育的融合，構(gòu)建多學(xué)科交叉的新工科人才培養(yǎng)課程體系。（3）課程內(nèi)容要突出全球視野和國際競爭力，引導(dǎo)學(xué)生主動參與跨文化課程的學(xué)習(xí)交流，促進(jìn)學(xué)生形成正確的世界觀并提高國際交往能力。（4）強(qiáng)化課程思政建設(shè)，樹立課程建設(shè)新理念，構(gòu)建課程教學(xué)全過程、全方位的育人格局。

（二）豐富課程授課形式，轉(zhuǎn)變教學(xué)思想觀念

課堂教學(xué)是培養(yǎng)人才的主渠道和主陣地，以一種標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化的形式滿足了現(xiàn)代社會的人才需求，但是這種傳統(tǒng)教學(xué)模式往往忽視了學(xué)生的個性化和知識的實(shí)踐性。MIT工程學(xué)院多年來積累的豐富經(jīng)驗為新工科背景下課程教學(xué)改革提供了一定的思路：（1）創(chuàng)新教學(xué)方式方法，加強(qiáng)課堂授課模式改革，深入推進(jìn)個性化、實(shí)踐性教學(xué)，突出教學(xué)目標(biāo)要堅持知識、素質(zhì)、能力的協(xié)調(diào)發(fā)展。（2）課程教學(xué)充分借助課上、課下、線上、線下相結(jié)合的立體化教學(xué)模式，全面調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在提升教學(xué)體驗的同時力爭實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐技能的統(tǒng)一。（3）利用國家“一帶一路”倡議等搭建的對外交流平臺，積極推進(jìn)高等工程教育國際化，引進(jìn)和整合國際優(yōu)質(zhì)工程教育資源，加強(qiáng)工程教育國際交流與合作，拓寬學(xué)生的國際視野，提高我國高等工程教育的國際影響力和競爭力。

（三）創(chuàng)新課外作業(yè)設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生主動參與

課外作業(yè)設(shè)計是課堂教學(xué)活動的延續(xù)和補(bǔ)充，是高等工程教育過程中必不可少的重要組成部分，是理解、運(yùn)用和鞏固所學(xué)課堂理論知識的重要手段，對于提高工程教學(xué)質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。為實(shí)現(xiàn)新工科人才的深化培養(yǎng)，我國高等工程教育仍需要不斷地改革創(chuàng)新：（1）創(chuàng)新課外作業(yè)設(shè)計體系，積極引入討論式、啟發(fā)式、項目式、案例式、參與式作業(yè)形式，突出課外作業(yè)的層次性和系統(tǒng)性，提高課程的整體教學(xué)質(zhì)量。（2）以問題為中心設(shè)置課外作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生自由探索、獨(dú)立思考，注重激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識和求知欲。（3）豐富社會實(shí)踐、課外閱讀、科技講座等第二課堂活動與作業(yè)安排，以提升新工科背景下的育人水平，并實(shí)現(xiàn)學(xué)生多元、全面和個性發(fā)展的目的。

（四）完善考核評價體系，注重學(xué)生培養(yǎng)過程

建立完善課程考核評價體系是提升人才培養(yǎng)質(zhì)量與效率的重要保障，靈活多元化的評價機(jī)制也有助于客觀、全面地反映學(xué)生的綜合發(fā)展水平。借鑒MIT工程學(xué)院的經(jīng)驗，我國在新工科背景下的考核評價體系可以從以下四個方面進(jìn)行完善：（1）改變終結(jié)性評價體系，樹立過程性評價體系，通過突出過程導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生培養(yǎng)的多次和多環(huán)節(jié)階段性評價，進(jìn)而充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。（2）將傳統(tǒng)單一評價主體向多元化評價主體轉(zhuǎn)變，使評價成為教師、學(xué)生、家長、管理者等共同參與的交互教學(xué)活動，通過自評和互評促進(jìn)課程改革和學(xué)生全面發(fā)展。（3）豐富考核評價模式，在絕對性評價模式的基礎(chǔ)上引入相對性評價模式，如實(shí)踐作業(yè)、課堂表現(xiàn)、交流合作以及信息化在線活動參與等，通過多個角度使得評價更有利于學(xué)生綜合能力的提高。（4）科學(xué)設(shè)計考核內(nèi)容，引導(dǎo)工程教育和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相適應(yīng)，將人才培養(yǎng)的考核評價方式與國際科技前沿相聯(lián)系，以更好地培養(yǎng)實(shí)用型人才，使其服務(wù)于國家新時代的發(fā)展。

結(jié)語

新工科建設(shè)是我國高等工程教育應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革挑戰(zhàn)、加快工程教育改革、培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程科技人才、建設(shè)工程教育強(qiáng)國、提升國家硬實(shí)力和國際競爭力的重大戰(zhàn)略行動。在新工科建設(shè)背景下，化工類專業(yè)作為傳統(tǒng)工科專業(yè)面臨著諸多機(jī)遇和挑戰(zhàn)，需要不斷推進(jìn)課程體系建設(shè)和教學(xué)模式改革，以滿足國家和社會發(fā)展的需求。另外，我國高等工程教育也應(yīng)以新工科建設(shè)為契機(jī)，探索以愛國情懷、職業(yè)素養(yǎng)和工程實(shí)踐能力為核心的思想政治理論課堂教學(xué)方法改革，深化“一帶一路”國際教育交流與合作，建設(shè)具有中國特色的化工類專業(yè)人才培養(yǎng)新途徑。