CDIO理念下化學工程基礎課程教學理論探索與實踐

高楓　石文兵　郭曉剛　賈乾發

摘? 要：該文結合現代化工對專業人才需求多元化，提出采用CDIO教學理念對化工人才培養定位和人才培養模式構架和做法，從優化教學內容、教學體系多元化、教學方法工程化3個方面探討化學工程基礎課程工程化理論授課，以期望對其他工科課程授課提供參考和借鑒作用。

關鍵詞：化學工程基礎；CDIO；工程教育；多元化；工程化

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）04-0101-04

Abstract： This paper combines the modern chemical industry's diversified demand for professional talents， proposes the adoption of CDIO teaching concept for chemical talents training orientation and talent training mode framework and practice， and discusses the engineering theory lecture of the course of Elementary Chemical Engineering from three aspects， such as optimization of teaching content， diversification of teaching system and engineering of teaching method， in order to expect to provide reference and reference role for other engineering courses lecture.

Keywords： Elementary Chemical Engineering; CDIO; engineering education; diversification; engineering

教育是推動經濟發展和社會進步的重要力量，高等學校是教育的寶貴資源和財富，加快高等教育發展，增加高校建設資金投入，擴大高校招生規模，滿足國內經濟發展對人才的強烈需求。2020年高校畢業人數約為874萬人，其中理工農醫類學生約有243.4萬人，約占總畢業生人數的27.85%，但我國在工程教育實踐中，還有很多問題尚未解決，較為突出的是學生理論豐富，實踐欠缺，少數學生“紙上談兵”，工程實際操作能力、團隊交流合作能力乃至開拓創新能力等未能達到工科人才質量培養要求。學生沒有受到或較少受到工程化和團隊工作的實際訓練，造成學與用的脫節。隨著科技的發展，現代化工技術具有向大型化、綜合化方向發展，原料、生產工藝、產品多樣化、復雜化、多學科綜合技術載體、生產技術密集型、高度自動化，早期手工操作狀態由自控系統取代，因此對專業人才的需求由勞動集約型向人才集約型轉型，要求專業性人才動手能力強、創新意識濃，有了更高的要求。

化學工程基礎是化工專業人才培養過程中重要的一門專業基礎課程，主要講述典型設備構造、工藝尺寸設計、設備選型等，這門課程綜合以前所學理論基礎知識解決實際工程問題，具有工程性、應用性，是化工學科一個重要組成部分。這門課程是由自然學科向工程學科起著過渡橋梁作用[1]。因此如何應用CDIO理念進行化學工程基礎課程教學，本文進行了有益的探索與實踐。

一? CDIO理論基礎

依據現代工程師職業角色，參與或領導產品的構思、設計、過程、實現與設計，以此確定工程教育的目標將工科學生培養成一個在團隊環境下能夠構思-設計-實現-運行復雜過程和系統能力的現代工程師。畢業生走向社會所承載工程師所做的工作[2]，所應具有工業界向工程教育提出的工科畢業生所需要的能力，因此在學生培養的過程中強調以下幾方面內容。

第一，學生主體，能力本位。在學習的過程中，引導學生積極參與、主動選擇，而不是被動灌輸式接受知識。教師的教學目的是讓學生在傳授知識的同時轉向能力的培養。化工DCS模擬仿真系統、工廠化教學，可以讓學生感受真實環境，培養學生處理實際問題的能力、系統思維能力、團隊合作和與人溝通能力。

第二，在教學目標和方法上強調一體化教學，注重培養學生在學習科學知識的同時，促進學生各項能力提升，教學方法上以培養知識、能力、素質一體目標為基礎，構建一體化課程體系。

教育方法上，積極利用每年化工專業兩大國家級比賽（全國大學生化工原理實驗大賽和全國大學生化工設計競賽），尤其全國大學生化工設計競賽，比賽題目貼合實際，題目略難，以這樣題目或者選取一部分項目為載體，來布置課程作業，通過真實的題目，學生綜合聯用各項知識點，促進能力提升，樹立良好職業態度。

二? 實施過程

（一）? 優化教學內容

依據CDIO教學理念，化學工程基礎課程在教學內容上突出系統化、工程化[3]，八個基本單元操作內容之間圍繞動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞（三傳及三傳類比）一條主線，找到必然邏輯關系。保證知識體系宏觀的穩定與系統，但在各個單元操作中，可以彈性化和靈活化教學方式展開。教學過程中，授課內容以工程實際系統做載體，實踐教學以工程案例實際形成方法進行教學，在有限的教學學時內，達到工程化教學目的。如在講授傳熱知識點，可分為三個階段遞階進行，第一層次課堂理論教學；第二層次傳熱單元驗證性實驗；第三層次換熱器的設計訓練。這三個層次都與深化理論和加強實踐能力培養相關，知識傳遞與能力培養遞進深化，三個層次相互貫穿。當理論授課內容完成，換熱器設計課題也完成，這樣教學安排，學生學習到的知識點可以立即應用到實際的換熱器設計過程中，學以致用，提高學生學習的興趣，對知識的掌握更加牢固、運用上更加熟練。

（二）? 教學體系多元化、工程化

1? 合理運用多元教學模式

多元教學模式有很多種類，如翻轉課堂、任務引導、小組討論等。多元化教學目的是調動學生的學習性。互動是教育教學中的重要形式，可以師生互動、生生互動，通過互動能夠發現問題、解決問題。但現在的教學模式大多仍以單向傳輸為主，在這種單向傳輸過程中，師生之間缺少互動，教師教授知識為主，而不是以人為本，教師只是傳輸了知識，而學生掌握程度參差不一，導致學習者興趣下降，學習效率不高。信息技術的快速發展，利用網絡技術和多媒體的教學已經不受時空、地域的限制，尤其5G虛擬校園建設及應用，大大拓展了學生學習的時間和空間，利用教學平臺可以隨時、隨地學習，促進了教學交互執行手段的時效性和多樣性。拓展利用網絡教學平臺的優勢與范圍，進一步提升基于網絡環境下課程多元互動性，師生在教學中討論，在討論中互動，在互動中尋求培養目標的契合點。

在實際教學過程中，我們開發了化學工程基礎課程云教材（如圖1所示），教材有如下幾個特點。

1）嵌入數字化資源。學生只要用手機鏈接到相關網絡，能夠看到課程的資料或視頻，方便了學生學習，并且擴展了教材的內容含量，打破了傳統紙質教材的固定模式，摒棄了呆板的展示形式，引入信息元素，利用先進科技手段融入教材編寫過程，將相關知識點采用多媒體元素呈現，注重知識點內涵的展示，有利于激發學生的學習興趣，提高學生學習的自主性。

2）數字化資源制作。以課程章節知識點為核心，建立微課、動畫、測試題、教學大綱和概念解答等資源庫，形成立體化教學資源，便于教師教學及學生練習，如圖2所示。

教材可以利用教學平臺為載體，學習平臺可以自己搭建，也可以利用比較好的現有網絡平臺，如中國大學MOOC、學堂在線、超星慕課等。各平臺既有通用功能，又有自己的特色，如課程大綱、教師授課視頻、學生在線學習時間統計、作業、考試及參考資料等。便捷網絡、功能較佳的學習平臺給學生提供了靈活、開放、互動的自主學習環境，有利于促進學生自主學習，提高學習效率。

3）加強互動性。化學工程基礎數字化教材遵循學生閱讀規律，按照圖書風格編排，嵌入豐富教育資源。①學生圍繞知識點可以課上、課下與教師之間、同學之間、甚至志愿者、校外專家或者教輔人員進行溝通交流。（圖3、圖4）。②學習平臺可以記錄學生登錄平臺的基本數據，如簽到、學習時間、作業完成情況和考試成績分布等數據，利用這些數據，進行挖掘與分析，可以判定學習者的學習行為及習慣，教師依此指引學生個性化學習行為，為改進教學、促進學生學習提供有效參考。③移動交互式數字教材的混合媒體一體化編排設計的閱讀和瀏覽，支持文字、圖片、畫廊、語音、視頻在一個場景里的沉浸式學習。④支持流式版式的上下滑動、翻頁，支持字號大小的設定，支持按照關鍵字查找書籍內容，支持按照章節目錄索引、按照頁碼定位。⑤批注和筆記功能。智能化平臺可以支持學生在教材中任意一段文字進行筆記標注，例如，文字高亮、圖片解釋、錯題更正等。在筆記記錄位置同時系統自動記載批注或筆記的時間，以便學生復習。在手機版、PAD版中支持創建語音筆記，支持創建圖片、照片筆記，支持創建語音、圖片、文字的混合筆記；支持筆記標注管理，管理自己筆記，查看授課教師標注的學習重點、同班同學的筆記和全國學習者分享的筆記；學生筆記位置，系統自動編錄索引管理，類似紙質教材目錄，學習者點擊筆記索引，就可以自動定位到教材對應的知識點位置。

數字化教材的引入，學生學習不受時間、場地的限制，可以隨時和教師、同學間互動，較好地激發了學生學習的興趣。在實際教學過程中達到了良好的教學效果。

2? 課程工程性突出

1）授課內容工程性強化。化學工程基礎課程內容工程性突出，在授課過程中以提升學生工程能力為導向，突出創新和實踐能力培養，構建產學一體工程化課程體系，突出實踐教學比重，重視素質技能，把創新創業教育融入人才培養過程[4]，在實際授課過程中，依照內容崗位化，訓練項目化，構建實踐教學體系，以任務為載體，產學合一情景式學習教學模式[5]，為學生搭建實踐平臺，真正實現理實融合[6]。例如與沈陽化工大學合作開發了單元操作DCS仿真系統（圖5），同時購買了浙江中控技術股份有限公司八個單元操作實訓裝置，學生完成理論學習、DCS仿真模擬實驗、驗證性實驗，以實訓裝置為平臺，教師設置故障點，學生以小組的形式，依據所學理論知識，排除故障，培養學生解決問題的能力。

2）教學方法工程化。以工程任務為導向，以案例-原理-實踐模式進行專業課程理論教學。設計性、創新性和綜合訓練項目為載體，通過“虛擬仿真、綜合訓練、實際應用、創新提高”四個漸進過程培養學生發現問題、解決問題、學以致用和舉一反三的能力[7]。在授課過程中，主要采用以下幾種方式。①設立工程性任務，在完成驗證性實驗后引導學生開展探究性實驗，例如在離心泵性能曲線驗證性實驗測試結束后，可結合某一工段所需的流量，讓學生設計工程需要的離心泵，這樣工程任務涉及流體能量衡算、管路阻力計算、泵的型號選擇、流量、揚程和功率的計算等知識點綜合應用，具有更強的現實意義。②工程任務設置，把握學生學習的側重點，分清主次矛盾，避免學生在授課知識點以外花費較多精力。以精餾塔設計為例，學生關注的重點是塔的主體設計如塔高、塔徑、塔板數的計算等，而不是塔附屬設備如塔板結構等。③適當安排工程任務，學生完成工程任務比驗證性實驗花費時間長、投入精力更多，因此在布置工程任務時，不可能每個知識點都會布置，按照實際工程應用中，應用最多、涉及知識點較廣，如：換熱器、吸收塔、精餾塔和干燥器等一些典型的設備進行工程化理論知識布置工程任務較好。

三? 結束語

化工工藝大型化、復雜化、自控化對專業人才的培養提出了更高的要求，化工專業應努力踐行CDIO教學理念，根據行業技術需求、技術和產業發展現狀調整學生培養目標，建立新的培養機制和模式，應對工業界對人才的需求。化學工程基礎作為化學工程與工藝專業的一門重要的基礎課程，對學生步入社會從事本專業工作起著重要的作用。應用CDIO教學理念，依據三傳及三傳類比（動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞）教學內容為教學主線，展開理論教學，以涉及知識面廣、應用廣泛的內容展開工程性任務教學，努力將學生培養成在團隊工作環境下構思-設計-實現-運行復雜過程和系統能力現代工程師，滿足工業實際需要。

參考文獻：

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[5] 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.

[6] 張瑋，王俊文，程永強，等.新工科背景下“智能化工”課程體系的構建與實踐[J].中國大學教學，2019（Z1）：75-79.

[7] 北京高校電子信息類專業群.北京高校電子信息類專業群教師教改及學生實踐成果論文集[M].北京：北京郵電大學出版社有限公司，2018：68.

基金項目：重慶市2022年高等教育教學改革研究“新工科背景下基于產教融合的創新型人才培養體系的構建與實踐——以長江師范學院化學工程與工藝專業為例”（223368）；長江師范學院2022校級重大教改項目“面向新工科產教融合化工人才創新培養體系構建與實踐”（JG2022102）

第一作者簡介：高楓（1976-），男，漢族，遼寧營口人，博士，副教授。研究方向為化工冶金。