化工新工科的遞進式實踐教學體系建設

張錦秋 馬玉林 王家鈞 黃玉東

［摘 要］ 在工業4.0的新時代，傳統化工專業受到沖擊，探索創新創業人才培養模式是新工科建設的重要任務之一。哈爾濱工業大學化學工程與工藝專業目前的實踐教學體系已形成以研促教、以研促學的教學模式，但仍存在知識結構、培養機制、工程訓練、知識應用等方面的問題。為解決上述問題，基于一致性建構理論，提出了以電化學工程為特色方向，踐行“知識傳授、能力培養、價值塑造”的培養理念，建設以基本技能訓練—工程項目訓練—創新創業訓練—實踐綜合訓練為主線的“遞進式”實踐教學體系。

［關鍵詞］ 新工科；化學工程與工藝；實踐教學；教學情境；建構主義理論

［基金項目］ 2020年度教育部新工科研究與實踐項目“傳統化學工程與工藝專業改造升級探索與實踐”（EHGZY20202011）；2022年度黑龍江省教育科學“十四五”規劃重點課題“一個平臺四云驅動的工程專業人才培養方法研究”（GJB1422065）

［作者簡介］ 張錦秋（1979—），女，黑龍江齊齊哈爾人，博士，哈爾濱工業大學化工與化學學院副教授（通信作者），主要從事電沉積功能材料研究；馬玉林（1981—），女，河南周口人，博士，哈爾濱工業大學化工與化學學院教授級高級工程師，主要從事電化學研究；王家鈞（1981—），男，安徽滁州人，博士，哈爾濱工業大學化工與化學學院教授，主要從事電化學和能源材料研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）29-0017-04［收稿日期］ 2022-12-30

新工科這一概念在2016年首次提出，2020年教育部在新工科研究與實踐項目建設中，要求高校探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，建設工程教育強國。在我國，300多家高校開設了化學工程與工藝專業（簡稱“化工專業”），隨著傳統化工產業在工業4.0新時代所面臨的挑戰越來越艱巨，傳統化工專業也受到沖擊。從服務國家戰略和區域發展需求的角度，探索創新創業人才培養模式是新工科建設的重要任務之一。在新工科背景下，聚焦新能源和新材料等新興產業發展方向及其對人才的最新需求，著眼人才培養成效和學習成果，形成適應新要求、具有新內涵的專業實踐教學體系對于建設國家一流本科專業具有重要的推動作用。

化工學科的實踐性較強，國內高校一般采取企業短期實習、課程設計、畢業論文等方式培養學生的工程實踐能力；國外高校通常重視學生的科研項目訓練，例如英國帝國理工學院建立了“基礎實驗室—知識實驗室—發現實驗室”三級實驗訓練框架［1］。在新工科建設中，天津大學化工學院通過“中國大學生Chem-E-Car競賽”“全國大學生化工實驗大賽”等提升學生的知識應用能力和創新能力［2］。本文基于建構主義學習理論進行新工科建設，學習借鑒先進經驗，分析哈爾濱工業大學化工專業現有實踐教學體系的特點和問題，介紹電化學工程方向的遞進式實踐教學體系。

一、基于建構主義學習理論改革電化學工程方向的實踐教學體系

進入21世紀，建構主義學習理論成為教育改革的主要理論［3］，該理論提出，學習是學生通過意義建構的方式建構自己的知識的過程。建構主義學習視角下的教學活動中，學生是中心，教師是輔助者，學生在教學情境中利用必要的學習資料，在教師的指導和學習伙伴的互助下進行學習，發展出適用于各種學科的學習能力和思考策略。對學習結果的評價，依據學生的知識結構和知識加工水平；對教學質量的評價，依據學生各方面能力的輸出情況。

在對傳統化工專業改造的過程中，我們制定了由理論知識教學與實踐教學共同支撐學生的知識、能力、素質等培養目標。在考核學生的學習產出方面，實踐教學是最能體現學生綜合運用理論知識、解決復雜工程問題的能力的教學形式。教改后的實踐教學目標被確定為：通過實驗、實習、創新創業活動和畢業設計幫助學生進行深度學習，培養問題分析、設計方案、使用現代工具、研究、團隊協作和溝通等能力，能夠解決化學電源和電化學表面處理等電化學工程領域的復雜工程問題。

在建構主義學習理論中，情境、協作、會話和意義建構被認為是學習環境中的四大要素［4］。澳大利亞教學心理學家比格斯（J. Biggs）在1996年提出一致性建構理論，是成果導向教育基于建構主義學習理論的進一步發展，不僅僅強調評價與預期學習成果之間的對接，更強調教學活動與預期學習成果的一致性［5］。基于該理論，我們以遞進式工程應用情境設計為課程安排主線，以師生討論、小組協作為教學活動主體，以創新為建構驅動力量，建立了支持深度學習的遞進式實踐教學體系，創造鼓勵學生進行自主學習和創新創業的實踐學習環境，促使學生通過實踐學習達到能力培養的目標。

二、目前實踐教學體系的運行狀況

電化學工程方向根據培養目標的需要，目前的實踐教學體系（以2019級培養方案為例）是在2016版培養方案的基礎上，結合學科發展和行業需求修訂而成，實踐課程42學分（占總學分170學分的24.7%），其中專業方向實踐課35學分，具體課程名稱和學分見表1。

目前的實踐教學體系形成了以研促教、以研促學的教學模式，搭建了教科融合的實踐平臺，將研究型大學的科研優勢轉化為技術創新型人才實踐環節培養的優勢，將實驗和實踐內容與科研前沿和高新技術企業需求接軌，強化畢業設計（論文）的工程特色和工程應用情境，突出對學生解決復雜工程問題能力和技術創新能力的培養，形成了“產學研用”緊密結合的培養機制。

但是，本專業在進行新工科升級改造過程中，依托虛擬教研室平臺，聯合多家高校和知名化學電源企業進行合作研究和實踐，發現專業人才培養還存在課程體系與所需的知識結構不匹配、人才培養資源有效機制不完善、實際工程訓練不夠多、知識集成與綜合應用培養不夠足等四個方面的關鍵問題。因此，提出將電化學工程方向作為專業特色，以建構主義學習理論為指導，形成新工科理念下的培養目標和課程體系，發揮工科優勢，即高校對工程科技創新和產業創新的主體作用，打造工程教育開放融合新生態，進行“遞進式”實踐教學體系建設，提升學生知識綜合運用、解決實際問題和終身學習的能力。

三、“遞進式”實踐教學體系的建設

本專業踐行知識傳授、能力培養、價值塑造三位一體的培養理念，教改后將工程應用情境設置從簡單到復雜，形成新工科背景下的基本技能訓練—工程項目訓練—創新創業訓練—實踐綜合訓練為主線的“遞進式”實踐教學體系（見圖1），使學生在實踐學習情境復雜程度逐漸加大的過程中，從了解創新、參與創新到主導創新、進行創新應用，促進學生的自主發現和建構，使他們能在工程實踐中發現問題和解決問題，實現理論知識與實踐技能的融會貫通和創新發展，進而支撐學生在知識、能力、素質等方面培養目標的達成。

（一）基本技能訓練

以行業新興領域及前沿學術方向為導向，以學生基本實驗技能和創新思維培養為核心，構建基礎化學實驗—專業綜合實驗—前沿創新實驗的階梯式實驗課程體系。通過混合式教學改革，在“一體兩翼”架構下，搭建實驗教學網絡平臺，構建實踐教學體系，探索創新創業型人才培養模式。

基礎化學實驗不再按課程名稱分類，而是按實驗技能要求從低到高進行分類，不僅涵蓋原有核心內容，還增加綜合性和探索性內容，主要使用支架式教學法，培養學生基本的構建實驗系統、采集、分析與解釋數據的能力，將標志性科研成果轉化成高級實驗部分的教學內容，在典型案例中，學生體驗創新過程，激發創新熱情。專業綜合實驗改革的方向是圍繞一個較大的知識點，將多個實驗整合為一個實驗，主要使用情境教學法，引導學生利用基本的實驗技能合理設計實驗流程，獲取實驗數據，通過信息綜合得出合理有效的結論，從而培養設計實驗的能力。前沿創新實驗設置在電化學工程實驗中，將前沿科研成果轉化成教學內容，主要使用探究學習和合作學習方法，引導學生以小組為單位，在科研實際需求的背景下進行創新實驗，從而培養創新能力和團隊協作能力。

學院已連續十年舉辦校級化工實驗技能競賽，2021年承辦了省級化工實驗競賽，這些競賽為檢驗和提升學生的基本實驗技能提供了平臺，實現了以賽促學的目的。

（二）工程項目訓練

工程項目訓練依托大學生科技創新項目進行，有大一年度項目和大學生創新創業訓練計劃。課題來自實際工程需求，在國家級和校級項目層級劃分上，以往是根據開題成績，改革后是根據中期答辯成績，有效提升了學生的能動性。

科創項目主要在專業實驗室和“化學電源制造工程”校內實踐基地完成。科創團隊由電化學工程創新實踐基地管理，接受基地提供的安全、創新思維和專業實驗技能培訓，經過三級安全考核合格后，獲得進入專業實驗室工作的資格。科創導師和企業導師在虛擬教研室平臺“云教研”，聯合指導科技創新，主要使用情境教學法和探究學習法。學生在團隊協作完成項目的過程中逐步提升分析和解決課題所對應的電化學領域內復雜工程問題的能力，并在開題、中期檢查和結題答辯過程中鍛煉溝通能力。

（三）創新創業訓練

創新創業訓練由電化學工程創新實踐基地負責，分為創新類課程—創新大賽—公司運營三個階段，采用擇優進階模式，主要使用探究學習法和合作學習法。

創新類課程的目標是培養學生系統的創新思維能力，能使用合適的創新方法進行創新創業實踐。在工程項目訓練階段，選拔比較優秀的科創項目團隊學習創新類課程，進行理論培訓和初步實踐，組成創新大賽隊伍。創新團隊在創新競賽的備賽過程中，校內、校外實踐基地互補與聯動，為學生創新實戰提供保障，培養其團隊協作能力和解決實際復雜工程問題的能力。本專業代表本校與中國化工教育協會共同主辦了全國大學生電化學測量技術競賽，已于2022年舉辦了首屆競賽，在電化學專業的創新創業實踐能力培養中產生引領作用，培養學生將電化學測量技術用于創新研究中的實踐能力，以及在電化學工程領域的創新精神和創業能力。創新創業訓練的高級形式是依托產業開發平臺，選拔在大賽中表現優秀的創新團隊，創立和運營公司，培養學生項目管理的能力。這是創新創業訓練中最貼近實際的、最具有價值和挑戰性的。

（四）實踐綜合訓練

實踐綜合訓練分為實習、設計訓練和畢業設計（論文）三個部分，是理論知識、實踐技能和創新能力的綜合訓練。

隨著生產自動化程度的提高，學生在實習中能動手參與的工作越來越少，因此讓學生在虛擬環境中熟悉生產流程非常有必要。本專業現已建成《鋰離子電池安全性測試及關鍵因素虛擬仿真實驗》供學生認識、實習使用。生產實習采用情境教學法，引導學生在實習中從科學研究、技術開發和管理工作等不同角度對企業中的實際工作進行分析，學習先進的理念和方法，發現問題并提出解決方案。設計訓練包括基礎理論學習和設計實踐。學生在了解設計基本原則的基礎上，通過經典化工流程設計、電鍍車間設計和電源車間設計三個實踐模塊，培養電化學工程領域工藝流程的設計能力。畢業設計（論文）是學生實踐綜合能力訓練的最后一關，是培養學生解決復雜工程問題能力的關鍵環節。本專業強化工程特色，從工程實踐中提煉選題，依托虛擬教研室平臺“云分享”，充分發揮本科生導師和企業導師在創新思維和創新能力上的引領作用，引導學生設計出創新、可行的課題研究方案，充分利用校企合作平臺支撐學生完成課題研究。通過上述的綜合實踐訓練，培養學生多種理論知識的綜合運用能力。

結語

以新工科理念在對傳統化學工程與工藝專業進行改革的過程中，提出了面向國家戰略需求、行業新興領域及前沿學術方向，以電化學工程為特色方向，建設符合學生知識、能力和素質培養的基本技能訓練—工程項目訓練—創新創業訓練—實踐綜合訓練為主線的“遞進式”實踐教學體系。在一致性建構理論的指導下，通過支持學生深度學習的實踐教學過程，強化學生的技術創新和工程實踐能力，實現電化學工程方向學生知識集成和綜合運用的能力的培養，為科學研究、技術開發和管理等工作崗位培養高級工程技術和研究人才。

參考文獻

［1］CHEN W ， SHAH U，BRECHTLSBAUER C.A framework for hands-on learning in chemical engineering education：Training students with the end goal in mind［J］. Education for Chemical Engineers，2019（28）： 25-29.

［2］夏淑倩，王曼玲，程金萍，等.踐行OBE理念，開展化工類專業新工科建設［J］.化工高等教育，2018，35（1）：9-12+61.

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［4］曾智.國外三大學習理論研究的基本狀況與進展［J］.南通大學學報（教育科學版），2008（2）：78-81+84.

［5］周顯鵬，俞佳君，黃翠萍.成果導向教育的理論淵源與發展應用［J］.高教發展與評估，2021，37（3）：83-89+113.

Construction of Progressive Practical Teaching System for New Engineering in Chemical Engineering

ZHANG Jin-qiu， MA Yu-lin， WANG Jia-jun， HUANG Yu-dong

（School of Chemistry and Chemical Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang 150001， China）

Abstract： In the new era of Industry 4.0， the traditional major of Chemical Engineering has been impacted， thus exploring a training mode of innovative and entrepreneurial talents is an important task of the construction of the New Engineering. The current practical teaching system of this major in Harbin Institute of Technology has formed a teaching mode of “promoting teaching and learning through research”. However， there are still problems in knowledge structure， training mechanism， engineering training and knowledge application. For solving these problems， based on the consistency construction theory， taking the electrochemical engineering as the characteristic direction， “teaching knowledge， training ability and shaping value” as the training concept a progressive practical teaching system is put forward with the main line of Basic skills training - Engineering project training - Innovation and entrepreneurship training - Comprehensive practice training.

Key words： new engineering; chemical engineering and processing; practical teaching; teaching situation; constructivism