CDIO理念下化學(xué)工程基礎(chǔ)課程教學(xué)理論探索與實(shí)踐

高楓　石文兵　郭曉剛　賈乾發(fā)

摘? 要：該文結(jié)合現(xiàn)代化工對專業(yè)人才需求多元化，提出采用CDIO教學(xué)理念對化工人才培養(yǎng)定位和人才培養(yǎng)模式構(gòu)架和做法，從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)體系多元化、教學(xué)方法工程化3個方面探討化學(xué)工程基礎(chǔ)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(guān)鍵詞：化學(xué)工程基礎(chǔ)；CDIO；工程教育；多元化；工程化

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的重要力量，高等學(xué)校是教育的寶貴資源和財(cái)富，加快高等教育發(fā)展，增加高校建設(shè)資金投入，擴(kuò)大高校招生規(guī)模，滿足國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對人才的強(qiáng)烈需求。2020年高校畢業(yè)人數(shù)約為874萬人，其中理工農(nóng)醫(yī)類學(xué)生約有243.4萬人，約占總畢業(yè)生人數(shù)的27.85%，但我國在工程教育實(shí)踐中，還有很多問題尚未解決，較為突出的是學(xué)生理論豐富，實(shí)踐欠缺，少數(shù)學(xué)生“紙上談兵”，工程實(shí)際操作能力、團(tuán)隊(duì)交流合作能力乃至開拓創(chuàng)新能力等未能達(dá)到工科人才質(zhì)量培養(yǎng)要求。學(xué)生沒有受到或較少受到工程化和團(tuán)隊(duì)工作的實(shí)際訓(xùn)練，造成學(xué)與用的脫節(jié)。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代化工技術(shù)具有向大型化、綜合化方向發(fā)展，原料、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品多樣化、復(fù)雜化、多學(xué)科綜合技術(shù)載體、生產(chǎn)技術(shù)密集型、高度自動化，早期手工操作狀態(tài)由自控系統(tǒng)取代，因此對專業(yè)人才的需求由勞動集約型向人才集約型轉(zhuǎn)型，要求專業(yè)性人才動手能力強(qiáng)、創(chuàng)新意識濃，有了更高的要求。

化學(xué)工程基礎(chǔ)是化工專業(yè)人才培養(yǎng)過程中重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要講述典型設(shè)備構(gòu)造、工藝尺寸設(shè)計(jì)、設(shè)備選型等，這門課程綜合以前所學(xué)理論基礎(chǔ)知識解決實(shí)際工程問題，具有工程性、應(yīng)用性，是化工學(xué)科一個重要組成部分。這門課程是由自然學(xué)科向工程學(xué)科起著過渡橋梁作用[1]。因此如何應(yīng)用CDIO理念進(jìn)行化學(xué)工程基礎(chǔ)課程教學(xué)，本文進(jìn)行了有益的探索與實(shí)踐。

一? CDIO理論基礎(chǔ)

依據(jù)現(xiàn)代工程師職業(yè)角色，參與或領(lǐng)導(dǎo)產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、過程、實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)，以此確定工程教育的目標(biāo)將工科學(xué)生培養(yǎng)成一個在團(tuán)隊(duì)環(huán)境下能夠構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)行復(fù)雜過程和系統(tǒng)能力的現(xiàn)代工程師。畢業(yè)生走向社會所承載工程師所做的工作[2]，所應(yīng)具有工業(yè)界向工程教育提出的工科畢業(yè)生所需要的能力，因此在學(xué)生培養(yǎng)的過程中強(qiáng)調(diào)以下幾方面內(nèi)容。

第一，學(xué)生主體，能力本位。在學(xué)習(xí)的過程中，引導(dǎo)學(xué)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(xué)目的是讓學(xué)生在傳授知識的同時轉(zhuǎn)向能力的培養(yǎng)。化工DCS模擬仿真系統(tǒng)、工廠化教學(xué)，可以讓學(xué)生感受真實(shí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生處理實(shí)際問題的能力、系統(tǒng)思維能力、團(tuán)隊(duì)合作和與人溝通能力。

第二，在教學(xué)目標(biāo)和方法上強(qiáng)調(diào)一體化教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)知識的同時，促進(jìn)學(xué)生各項(xiàng)能力提升，教學(xué)方法上以培養(yǎng)知識、能力、素質(zhì)一體目標(biāo)為基礎(chǔ)，構(gòu)建一體化課程體系。

教育方法上，積極利用每年化工專業(yè)兩大國家級比賽（全國大學(xué)生化工原理實(shí)驗(yàn)大賽和全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競賽），尤其全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競賽，比賽題目貼合實(shí)際，題目略難，以這樣題目或者選取一部分項(xiàng)目為載體，來布置課程作業(yè)，通過真實(shí)的題目，學(xué)生綜合聯(lián)用各項(xiàng)知識點(diǎn)，促進(jìn)能力提升，樹立良好職業(yè)態(tài)度。

二? 實(shí)施過程

（一）? 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

依據(jù)CDIO教學(xué)理念，化學(xué)工程基礎(chǔ)課程在教學(xué)內(nèi)容上突出系統(tǒng)化、工程化[3]，八個基本單元操作內(nèi)容之間圍繞動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞（三傳及三傳類比）一條主線，找到必然邏輯關(guān)系。保證知識體系宏觀的穩(wěn)定與系統(tǒng)，但在各個單元操作中，可以彈性化和靈活化教學(xué)方式展開。教學(xué)過程中，授課內(nèi)容以工程實(shí)際系統(tǒng)做載體，實(shí)踐教學(xué)以工程案例實(shí)際形成方法進(jìn)行教學(xué)，在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)，達(dá)到工程化教學(xué)目的。如在講授傳熱知識點(diǎn)，可分為三個階段遞階進(jìn)行，第一層次課堂理論教學(xué)；第二層次傳熱單元驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；第三層次換熱器的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。這三個層次都與深化理論和加強(qiáng)實(shí)踐能力培養(yǎng)相關(guān)，知識傳遞與能力培養(yǎng)遞進(jìn)深化，三個層次相互貫穿。當(dāng)理論授課內(nèi)容完成，換熱器設(shè)計(jì)課題也完成，這樣教學(xué)安排，學(xué)生學(xué)習(xí)到的知識點(diǎn)可以立即應(yīng)用到實(shí)際的換熱器設(shè)計(jì)過程中，學(xué)以致用，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，對知識的掌握更加牢固、運(yùn)用上更加熟練。

（二）? 教學(xué)體系多元化、工程化

1? 合理運(yùn)用多元教學(xué)模式

多元教學(xué)模式有很多種類，如翻轉(zhuǎn)課堂、任務(wù)引導(dǎo)、小組討論等。多元化教學(xué)目的是調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)性。互動是教育教學(xué)中的重要形式，可以師生互動、生生互動，通過互動能夠發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。但現(xiàn)在的教學(xué)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(xué)生掌握程度參差不一，導(dǎo)致學(xué)習(xí)者興趣下降，學(xué)習(xí)效率不高。信息技術(shù)的快速發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體的教學(xué)已經(jīng)不受時空、地域的限制，尤其5G虛擬校園建設(shè)及應(yīng)用，大大拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)的時間和空間，利用教學(xué)平臺可以隨時、隨地學(xué)習(xí)，促進(jìn)了教學(xué)交互執(zhí)行手段的時效性和多樣性。拓展利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的優(yōu)勢與范圍，進(jìn)一步提升基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下課程多元互動性，師生在教學(xué)中討論，在討論中互動，在互動中尋求培養(yǎng)目標(biāo)的契合點(diǎn)。

在實(shí)際教學(xué)過程中，我們開發(fā)了化學(xué)工程基礎(chǔ)課程云教材（如圖1所示），教材有如下幾個特點(diǎn)。

1）嵌入數(shù)字化資源。學(xué)生只要用手機(jī)鏈接到相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，能夠看到課程的資料或視頻，方便了學(xué)生學(xué)習(xí)，并且擴(kuò)展了教材的內(nèi)容含量，打破了傳統(tǒng)紙質(zhì)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(jìn)科技手段融入教材編寫過程，將相關(guān)知識點(diǎn)采用多媒體元素呈現(xiàn)，注重知識點(diǎn)內(nèi)涵的展示，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。

2）數(shù)字化資源制作。以課程章節(jié)知識點(diǎn)為核心，建立微課、動畫、測試題、教學(xué)大綱和概念解答等資源庫，形成立體化教學(xué)資源，便于教師教學(xué)及學(xué)生練習(xí)，如圖2所示。

教材可以利用教學(xué)平臺為載體，學(xué)習(xí)平臺可以自己搭建，也可以利用比較好的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平臺，如中國大學(xué)MOOC、學(xué)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(xué)生在線學(xué)習(xí)時間統(tǒng)計(jì)、作業(yè)、考試及參考資料等。便捷網(wǎng)絡(luò)、功能較佳的學(xué)習(xí)平臺給學(xué)生提供了靈活、開放、互動的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。

3）加強(qiáng)互動性。化學(xué)工程基礎(chǔ)數(shù)字化教材遵循學(xué)生閱讀規(guī)律，按照圖書風(fēng)格編排，嵌入豐富教育資源。①學(xué)生圍繞知識點(diǎn)可以課上、課下與教師之間、同學(xué)之間、甚至志愿者、校外專家或者教輔人員進(jìn)行溝通交流。（圖3、圖4）。②學(xué)習(xí)平臺可以記錄學(xué)生登錄平臺的基本數(shù)據(jù)，如簽到、學(xué)習(xí)時間、作業(yè)完成情況和考試成績分布等數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行挖掘與分析，可以判定學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為及習(xí)慣，教師依此指引學(xué)生個性化學(xué)習(xí)行為，為改進(jìn)教學(xué)、促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)提供有效參考。③移動交互式數(shù)字教材的混合媒體一體化編排設(shè)計(jì)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(xué)習(xí)。④支持流式版式的上下滑動、翻頁，支持字號大小的設(shè)定，支持按照關(guān)鍵字查找書籍內(nèi)容，支持按照章節(jié)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(xué)生在教材中任意一段文字進(jìn)行筆記標(biāo)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(tǒng)自動記載批注或筆記的時間，以便學(xué)生復(fù)習(xí)。在手機(jī)版、PAD版中支持創(chuàng)建語音筆記，支持創(chuàng)建圖片、照片筆記，支持創(chuàng)建語音、圖片、文字的混合筆記；支持筆記標(biāo)注管理，管理自己筆記，查看授課教師標(biāo)注的學(xué)習(xí)重點(diǎn)、同班同學(xué)的筆記和全國學(xué)習(xí)者分享的筆記；學(xué)生筆記位置，系統(tǒng)自動編錄索引管理，類似紙質(zhì)教材目錄，學(xué)習(xí)者點(diǎn)擊筆記索引，就可以自動定位到教材對應(yīng)的知識點(diǎn)位置。

數(shù)字化教材的引入，學(xué)生學(xué)習(xí)不受時間、場地的限制，可以隨時和教師、同學(xué)間互動，較好地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。在實(shí)際教學(xué)過程中達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

2? 課程工程性突出

1）授課內(nèi)容工程性強(qiáng)化。化學(xué)工程基礎(chǔ)課程內(nèi)容工程性突出，在授課過程中以提升學(xué)生工程能力為導(dǎo)向，突出創(chuàng)新和實(shí)踐能力培養(yǎng)，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)一體工程化課程體系，突出實(shí)踐教學(xué)比重，重視素質(zhì)技能，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入人才培養(yǎng)過程[4]，在實(shí)際授課過程中，依照內(nèi)容崗位化，訓(xùn)練項(xiàng)目化，構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系，以任務(wù)為載體，產(chǎn)學(xué)合一情景式學(xué)習(xí)教學(xué)模式[5]，為學(xué)生搭建實(shí)踐平臺，真正實(shí)現(xiàn)理實(shí)融合[6]。例如與沈陽化工大學(xué)合作開發(fā)了單元操作DCS仿真系統(tǒng)（圖5），同時購買了浙江中控技術(shù)股份有限公司八個單元操作實(shí)訓(xùn)裝置，學(xué)生完成理論學(xué)習(xí)、DCS仿真模擬實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以實(shí)訓(xùn)裝置為平臺，教師設(shè)置故障點(diǎn)，學(xué)生以小組的形式，依據(jù)所學(xué)理論知識，排除故障，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

2）教學(xué)方法工程化。以工程任務(wù)為導(dǎo)向，以案例-原理-實(shí)踐模式進(jìn)行專業(yè)課程理論教學(xué)。設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性和綜合訓(xùn)練項(xiàng)目為載體，通過“虛擬仿真、綜合訓(xùn)練、實(shí)際應(yīng)用、創(chuàng)新提高”四個漸進(jìn)過程培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、學(xué)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(shè)立工程性任務(wù)，在完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)后引導(dǎo)學(xué)生開展探究性實(shí)驗(yàn)，例如在離心泵性能曲線驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)測試結(jié)束后，可結(jié)合某一工段所需的流量，讓學(xué)生設(shè)計(jì)工程需要的離心泵，這樣工程任務(wù)涉及流體能量衡算、管路阻力計(jì)算、泵的型號選擇、流量、揚(yáng)程和功率的計(jì)算等知識點(diǎn)綜合應(yīng)用，具有更強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。②工程任務(wù)設(shè)置，把握學(xué)生學(xué)習(xí)的側(cè)重點(diǎn)，分清主次矛盾，避免學(xué)生在授課知識點(diǎn)以外花費(fèi)較多精力。以精餾塔設(shè)計(jì)為例，學(xué)生關(guān)注的重點(diǎn)是塔的主體設(shè)計(jì)如塔高、塔徑、塔板數(shù)的計(jì)算等，而不是塔附屬設(shè)備如塔板結(jié)構(gòu)等。③適當(dāng)安排工程任務(wù)，學(xué)生完成工程任務(wù)比驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)花費(fèi)時間長、投入精力更多，因此在布置工程任務(wù)時，不可能每個知識點(diǎn)都會布置，按照實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)用最多、涉及知識點(diǎn)較廣，如：換熱器、吸收塔、精餾塔和干燥器等一些典型的設(shè)備進(jìn)行工程化理論知識布置工程任務(wù)較好。

三? 結(jié)束語

化工工藝大型化、復(fù)雜化、自控化對專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了更高的要求，化工專業(yè)應(yīng)努力踐行CDIO教學(xué)理念，根據(jù)行業(yè)技術(shù)需求、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)整學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)，建立新的培養(yǎng)機(jī)制和模式，應(yīng)對工業(yè)界對人才的需求。化學(xué)工程基礎(chǔ)作為化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)課程，對學(xué)生步入社會從事本專業(yè)工作起著重要的作用。應(yīng)用CDIO教學(xué)理念，依據(jù)三傳及三傳類比（動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞）教學(xué)內(nèi)容為教學(xué)主線，展開理論教學(xué)，以涉及知識面廣、應(yīng)用廣泛的內(nèi)容展開工程性任務(wù)教學(xué)，努力將學(xué)生培養(yǎng)成在團(tuán)隊(duì)工作環(huán)境下構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)行復(fù)雜過程和系統(tǒng)能力現(xiàn)代工程師，滿足工業(yè)實(shí)際需要。

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基金項(xiàng)目：重慶市2022年高等教育教學(xué)改革研究“新工科背景下基于產(chǎn)教融合的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建與實(shí)踐——以長江師范學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)為例”（223368）；長江師范學(xué)院2022校級重大教改項(xiàng)目“面向新工科產(chǎn)教融合化工人才創(chuàng)新培養(yǎng)體系構(gòu)建與實(shí)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?yàn)榛ひ苯稹?/p>