新工科背景下化工實驗大賽對地方院校化工原理教學的促進作用—以肇慶學院為例

張 博，張 揚，閆 鵬，高愛環，李 湘

（肇慶學院 環境與化學工程學院，廣東肇慶 526061）

2016年新工科概念提出后，教育部高教司于2017年正式推出“新工科”計劃。新工科建設作為我國高等教育領域的一次主動性供給側改革，是我國應對世界范圍內新科技革命、新產業革命和新經濟發展態勢的重要舉措[1-2]。除了新興工科專業的建設，傳統工科專業的升級，也是新工科建設的重要組成部分。化工類專業是通用型過程工程專業，化工行業是資金密集、技術密集型的行業。隨著社會的發展，科技的進步，化工類專業的內涵不斷擴展，化工過程的多樣性、復雜性日益增加，這要求化工類專業的學生具備更扎實的學科基礎知識和更強解決復雜工程問題的能力[3]。

課程作為人才培養體系中最基本的單元，是新工科建設的重要抓手[4]。化工原理是化工類本科教學的最為重要的專業課程之一，是聯系自然科學與生產應用技術之間的一門“橋梁性”課程，具有應用面廣、實用性強、注重理論與實踐相結合的特點，在石油化工、煤化工、農藥、化肥、皮革、涂料、生物化工、高分子材料、制藥、冶金、新能源、新材料、環保等行業有廣泛的應用。同時，化工原理課程具有知識量大、內容多、概念多、公式繁、數據雜、習題多、計算量大等特點，由于學生缺乏生產實踐經驗，缺少對單元過程、設備的認識和了解，在學習過程中普遍感覺化工原理知識抽象，不易理解，學習起來比較困難，學生容易產生學不會、不想學的情緒[5]。

地方院校作為高等教育體系的重要組成部分，以服務區域經濟建設、助力社會發展為目標，著力為地方培養高素質應用型人才。如何提高學生對化工原理的學習積極性，改善學生的學習成效，一直以來是地方院校面臨的重要課題。學科競賽是在接受課堂教學的前提下，在掌握基本理論知識和一定的實驗方法、技能的基礎上，以學科競賽的方式，提升學生理論聯系實際和獨立、協作的工作能力，并通過實踐來發現問題、分析問題、解決問題，增強學生學習和工作自信心的系列化活動。學科競賽是聯系課程教學與實踐創新的重要紐帶，是學生成才的重要途徑之一，也是提升教學和人才培養質量的重要手段[6]。

全國大學生化工實驗大賽是由教育部高等學校化工類專業教學指導委員會與中國化工教育協會聯合舉辦的面向普通高等學校化工類專業在校大學生的競賽活動，是對參賽學生化工原理知識掌握程度、實踐能力、創新精神的綜合檢驗，在國內化工類競賽中具有很高的影響力[7]。肇慶學院自2019年開始組隊參加全國大學生化工實驗大賽中南賽區的選拔賽，均獲得二等獎。在我校全面推進新工科建設的背景下，進一步發揮化工實驗大賽的作用，提高本科化工類專業課程教學質量，促進化工原理、化工原理實驗教學的水平，培養學生解決實際問題的能力，具有重要的意義。

1 肇慶學院校內競賽組織舉辦情況

全國大學生化工實驗大賽始辦于2017年，比賽分為初賽和決賽兩個階段，各校推選隊伍參加分賽區的選拔賽，選拔賽由東北、華北、華東、西北、西南、中南六大賽區分別組織，分賽區初賽產生64支隊伍參加全國總決賽。選拔賽與總決賽的競賽流程一致，由化工原理理論考試、化工仿真實驗和化工原理實驗三部分組成。試題內容和評分標準的設計既重視對選手基礎知識的考查，又重視對其綜合實驗能力和科學素質的考查，競賽內容以《高等學校本科化工類專業教學質量國家標準》的相關要求為主要依據。

我校自2018年開始舉辦化工實驗大賽，至今已連續舉辦4屆，該項賽事入選肇慶學院“促進高素質應用型人才培養”主題活動，校團委、教務處每年有一定經費支持，并且對參賽學生給予綜測分獎勵，學生參賽積極性高。校內賽事內容與中南賽區選拔賽接軌，具體流程上分為初賽和決賽，初賽為理論考試，決賽部分為虛擬仿真和實驗操作。初賽成績前18位的選手晉級決賽，自由組隊，三人一組參加決賽。理論考試題量較大，計算量大，采用開卷的形式，面向實際，注重應用，設置了部分開放式問答題，不能生搬書本，考察學生對知識靈活運用水平。虛擬仿真考試采用東方仿真軟件，以具有代表性的精餾項目為考試試題，考察學生對精餾塔開車、停車操作的掌握程度。實驗操作考試要求在3 h之內完成實驗，并處理數據，完成實驗報告，考察學生的實際操作能力和數據處理能力。近六年參賽人數與晉級決賽隊伍的成績，如表1所示。由表1可知，參賽隊伍的成績不高，2018年理論成績略高是由于當年競賽試題與后幾年的試題難度相比略顯簡單；2022年理論成績偏低是由于比賽延期，報名學生較少，參加比賽的學生重視程度有所下降。總體分析來看，學生對基礎知識的掌握還不夠扎實，對一些課上有提及但未深入講解的知識不夠熟悉，計算能力也較為薄弱，對競賽題目的風格還存在適應性的問題。

表1 校內競賽情況

2 化工實驗大賽對化工原理教學的促進作用

通過舉辦校內化工實驗大賽和組織學生參加全國大學生化工實驗大賽中南賽區選拔賽，我們發現競賽在課程體系、教學模式、實驗課程內容等方面對化工原理教學有促進作用，并且顯著地提高了人才培養質量。

2.1 完善課程體系

2.1.1 增加化工原理課時

我校現有精細化工、環境工程、制藥工程、化妝品技術與工程等專業開設了化工原理課程，課時為48學時，相較于其他高校，我校化工原理課時明顯偏少，講授深度受限，很多重要的知識點無法展開來講，工程實踐案例的講授欠缺。在參賽過程中，我校參賽隊員對競賽試題的題型、深度感到不適應，說明學生對知識掌握不夠扎實，平時作業和考試的難度不高，未得到充分鍛煉，缺乏將零散的知識點組織起來解決復雜工程問題的能力。有鑒于此，以精細化工專業為試點，在新一輪培養方案修訂時，增加了精細化工專業的化工原理課時，由48學時增加至96學時。

2.1.2 增設化工原理課程設計模塊

通常來說，化工原理理論模塊、化工原理實驗模塊和化工原理課程設計模塊構成化工原理的課程體系，該課程體系對于培養工科學生科學的工程思維方法和工程意識、提高其工程實踐技能與工程素質都具有十分重要的意義[8]。我校化工原理課程體系只有理論課和實驗課模塊，尚缺乏化工原理課程設計模塊。化工原理課程設計是一門重要的實踐課程，是對理論課和實驗課的重要補充，通過化工原理課程設計，學生對各種單元操作進行設計訓練，以提升學生學以致用、解決實際問題的能力。

在參賽過程中，參賽隊員對競賽試題中設置相關的題，大多覺得有印象，卻無從下手，這主要歸因于理論課上注重于講原理、講公式，一般以例題和作業的形式對原理、公式的應用加以延伸，但應用性和實踐性深度有限。因而，需要實踐性更強的化工原理課程設計課程來補充，以加強學生解決設備核算、選型及優化方面的能力。因此，在新一輪的培養方案修訂時，精細化工、制藥工程專業的課程體系中增加了化工原理課程設計模塊。

2.2 優化教學模式

2.2.1 以學生為中心，注重學習成效

傳統教學模式側重于教師如何去教，強調知識的傳授，而忽視了學生如何學和學習成效，導致課堂以教定學，學生覺得課程內容理論性太強，無法理論聯系實際，枯燥乏味，進而對課程學習失去興趣，導致學習效果差。為了提高學生的學習成效，在化工原理理論課和化工原理實驗課的教學過程中，重視教學活動中學生的主體性，重視學生對教學的參與，根據教學的需要合理設計“教”與“學”的活動。教學形式上增加了學生的參與度，增加了啟發式教學、互動教學、案例教學等多種形式。

2.2.2 理論課與實驗課穿插進行，理論聯系實際，提高學習成效

對學生來說，化工原理理論課中有相當多的概念和名詞都是第一次接觸，單從字面上去理解較為困難，即便是在經過教師講授后，也存在理解不到位的地方。所謂“書上得來終覺淺、絕知此事要躬行”，在相應的理論課章節上完后，立即開展對應的實驗，以便學生及時、充分的理解并掌握相關的化工原理知識，做到學以致用，改善學習效果。在理論課開始前，還鼓勵學生提前到化工原理實驗室近距離接觸實驗裝置，熟悉實驗裝置，了解實驗流程，讓學生對即將要學的單元操作有感性的認識，進一步提高學習成效。

2.3 改革實驗課程內容

改革前我校大部分化工原理實驗項目是演示性、驗證性、操作性的低階實驗項目，而高階層面的綜合性、設計性、創新性實驗不足，這與教育部提出的金課標準要求“兩性一度”存在差距[9]。在參加化工實驗大賽過程中，我校參賽選手暴露出了諸多問題：專業知識儲備薄弱，動手能力不足，對不熟悉的實驗裝置無法在短時間內梳理出操作要領；臨場應變能力不強，解決實際問題的能力欠缺，對實驗過程中面對突發的裝置故障，不能在第一時間形成解決方案；溝通能力、組織協調能力及抗壓能力有待提高。因此，我校逐步對化工原理實驗內容進行了改革，在授課過程中注重對學生解決復雜工程問題能力、創新思維能力和研究能力的培養，同時也逐步增加綜合性、設計性、創新性實驗的內容。

目前增開了精餾設計性實驗，精餾實驗由測定全回流條件下全塔效率拓展為可實現測定部分回流，連續進料、連續采出條件下全塔效率，并且可以對不同的進料濃度與進料量、不同的進料位置，通過設計各種實驗方案，得到目標產品，其操作模式參考化工實驗大賽中的實施模式，教師提出實驗目標、要求、技術指標、完成期限和驗收方式，學生根據可獲得的實驗條件，充分討論，自行完成實驗方案制定、實驗裝置操作和調試、產品分析、報告撰寫等過程。設計型實驗的增加豐富了化工原理實驗課程的內容，同時也能進一步提高學生發現和解決復雜工程問題的能力，后續將進一步推動實驗內容的改革。

2.4 加強虛擬仿真實驗室建設

我校于2015年啟動虛擬仿真實驗室建設，購入化工原理實驗、化工單元實習等仿真軟件，以解決實驗教學過程中設備機時緊張的問題。隨著行業的發展，原有的虛擬仿真軟件已經不適應當前技術發展對人才培養質量的要求。同時，在參加化工實驗大賽過程中，參賽選手發現大賽的虛擬仿真試題題量大，難度高，考察范圍廣，仿真環境逼真，要求學生在理解相關單元操作過程的基礎上，快速準確地完成虛擬仿真任務，這更能檢驗學生的學習成效，也更有利于培養學生運用專業知識解決復雜工程問題的能力。

開展虛擬仿真實驗教學項目建設，是推進現代信息技術與實驗教學項目深度融合、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措[10]。2015年，教育部發布了《關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，極大地推動了虛擬仿真實驗教學項目的建設。我校充分認識到虛擬仿真實驗教學對人才培養的重要性，進一步整合資源，加強虛擬仿真實驗室建設，在原有虛擬仿真實驗室的基礎上籌建化學化工虛擬仿真實驗室，并面向學生開放。虛擬仿真實驗室以“虛實結合，以虛輔實”為指導思想，利用現有資源，通過購置硬件設備和新一代虛擬仿真軟件，依托多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建了更逼真、沉浸感更強的虛擬仿真實驗環境和層次更豐富、考核要素更全面的虛擬仿真實驗對象。學生在虛擬仿真實驗教學平臺上，自主進行實驗預習、操作練習、實驗方案設計、虛擬仿真實驗、互動交流，完成相關實驗教學內容，切實提升了實驗教學效果，有效提高了實驗教學的效率與質量。在課程考核中，也會考慮將仿真操作考核正式納入化工原理實驗成績組成部分。

2.5 提升學生綜合素養

大賽的考試內容有廣度、有深度，理論性與實踐性并重，是對參賽學生綜合素養的一次全面檢驗。參賽學生經過校內選拔，集中訓練，再進到高強度的賽事中，從備賽到完賽這個周期很長，在這個過程中需要付出很多汗水，不斷挑戰自己的極限，對意志力是一種很好的鍛煉，貴在堅持，這對學生來說是一次寶貴的經歷。通過參加化工實驗大賽，學生對化工原理知識的有了較為全面的掌握，能基本形成系統化的知識脈絡；對化工原理實驗有了新的認識和理解，分析問題、解決問題的能力得到改善，處理復雜工程問題的能力得到提高，學生的綜合素養在大賽中得到提升。代表我校參加化工原理大賽的學生，大部分選擇了考研，考研專業課均選擇了化工原理，近三年參賽學生的考研上線率達到100%，錄取學校有南京師范大學、海南大學、廣東工業大學、東莞理工大學等；參加我校校內比賽的其他同學考研情況也比較可觀，錄取學校有暨南大學、福州大學、中國科學院大學等。與此同時，在參加全國大學生化工實驗大賽的示范引領下，通過校內化工原理大賽的舉辦，已有越來越多的學生重視化工原理課程的學習，“以賽促教、以賽促學、賽學融合”的模式得到進一步的驗證與認可。

3 結語

新工科建設背景下，開展學科競賽活動已逐漸成為提升地方高校應用型人才培養質量的重要途徑之一。我校通過舉辦校級化工實驗大賽、組織學生參加全國大學生化工實驗大賽中南賽區選拔賽，踐行“以賽促教、以賽促學、賽學融合”的宗旨，克服了化工原理教學過程中存在的一些不足，推動了我校化工原理教學的改革，完善了我校化工原理的課程體系，優化了教學模式，擴展了實驗課程內容，推動了我校虛擬仿真實驗室的建設，進一步提升了工科人才的培養質量，為我校環境工程、制藥工程、精細化工等專業的工程認證提供了有力支撐。