基于化工设计大赛的化工设计创新实践课程的探索

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　　[摘 要]为了践行工程教育思想，提高化工专业学生的创新实践能力，基于化工设计大赛模式在新培养方案中新增了化工设计创新实践课程。哈尔滨理工大学化学与环境工程学院在化工设计创新实践课程建设方面，通过建设专业指导教师队伍，采用教学内容项目化、课堂学生中心化、考核形式多样化、教学目标成果化的方式探索化工设计创新实践课程的教学形式。这种模式将课堂所学与实际应用有机结合，不仅调动了学生学习的主动性、积极性，而且对于工科学生综合素质和创新能力的培养非常有益，取得了非常好的效果。
　　[关键词]化工设计;创新能力;实践能力;培养
　　[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）01-0068-03
　　《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中提出，创新人才培养模式，要以培养具有“完整的知识结构、较强的实践能力和突出的创新意识”的人才为目标，大力推动高校化工类专业“新工科”建设，尤其应重视对学生实践能力的培养[1]。在此机遇下，重新审视化工专业课程培养体系，设置综合培养学生创新和实践能力的环节十分必要。
　　一、化工设计创新实践课程的开设背景
　　为培养工科学生的创新能力和实践能力，各高校开展了工程教育专业认证。中国工程教育专业认证协会在2015年修订的专业认证标准中，提出工科专业学生的12条毕业要求，要求毕业学生具备分析、研究、解决复杂工程问题的能力，具有良好的团队协作、沟通和终身学习等能力，并要求课程体系能支持毕业要求的达成[2]。这些毕业要求，在李庆丰和赵一夫2008年对工科大学毕业生的实践能力调查中并没取得令人满意的效果，40.2%的用人单位认为毕业生工程意识（如经济管理意识、伦理意识、道德意识）和创新意识不足;38%的用人单位认为学生识别、形成和解决工程问题的能力不足;48.7%的用人单位认为毕业生缺乏独立自主的工作能力;33.8%的用人单位认为学生合作的态度和能力较差;25.7%的用人单位认为学生不能够胜任设计和操作实验;37.7%的用人单位认为学生的终生学习素养和持久主动的学习热情不够理想[3]。由此可见，传统的培养模式在提高学生的创新能力和实践能力方面存在明显不足，亟须在课程体系中进行创新和改革。
　　全国大学生化工设计大赛是由中国化学工程专业委员会、教育部和化学化工协会共同主办的，浙江大学、天津大学等高校联合在全国大学生中开展的，国内化工类级别最高、参赛队伍最多、影响最大的赛事，目前已成功舉办十二届。该赛事以化工行业的热点问题为背景，在近5个月的时间内要完成比赛作品，学生从自行组建团队、分工协作，到自行确定产品、生产路线、完成可行性论证，再到流程模拟、优化、设备选型设计、图纸绘制、3D漫游展示，最后经济核算，形成初步设计说明书，并通过省、区、国赛的层层选拔，这个过程能锻炼学生的工程实践能力。该项赛事以化学工程与工艺为核心，以需求为导向、任务为牵引，综合运用化工、设备、水暖、经济、安全、环保等多学科专业知识，锻炼学生的实际工程设计能力及创新实践能力，即发挥了所学课程的综合效能，以学生为主体激发学生潜能，训练了学生分析和解决复杂工程问题的能力。
　　哈尔滨理工大学化学与环境工程学院化学工程与工艺专业始建于1996年，是哈尔滨理工大学1995年合并组建后的首批建设专业之一。化学工程与工艺专业定位以工程为主，理工结合，紧跟时代发展和日新月异的化工工业发展需求，培养模式重基础知识、重能力锻炼和素质培养，旨在促进学生的全面发展以适应工作岗位的要求。2012年哈尔滨理工大学化学与环境工程学院（以下简称“学院”）化工专业学生第一次参加化工设计大赛，2013—2016年参赛队伍获得了国家一等奖、国家二等奖和东北赛区特等奖的好成绩。通过专业教师和参赛学生的反馈我们发现，全国大学生化工设计大赛能够很好地将课堂上学习的课本知识，尤其是化工原理等学科专业知识，转化到实际化工生产中，使每一位参赛者都是在以一个工程师的角色进行设计，真正做到了学以致用。这不仅是大学知识的综合训练，更是进入社会工作的预演练。同时，在比赛过程中，有很多问题是书本知识不能够解决的，以问题为导向，学生需要自主学习许多先进的专业软件，新工艺、新思路。这个过程能够帮助学生更好地认识到未来化工的发展方向和人才所需，学生的自主学习能力得到了极大提高;同时，学生在发现问题、思考问题、解决问题方面的能力也得到了锻炼。由此可见，化工设计大赛对于参赛学生的益处是毋庸置疑的。但是，每年能参与化工设计大赛的人数毕竟有限，如何能让更多的学生通过化工设计大赛得到训练，是我们一直思考的问题。
　　2015年学院启动了新版培养方案的修订，在专业核心课中，我们新增了一门化工设计创新实践课程，这是全员参与的必修课。我们希望通过这个课程的设置，让全体学生都有机会参与到化工设计大赛模式的训练中，多方面培养大学生的创新思维和工程实践能力，培养学生的团队协作精神，增强学生的工程设计与实践能力，以及应用所学基础知识解决复杂工程问题的能力。
　　二、化工设计创新实践课程的建设
　　（一）专业指导教师队伍的建设
　　由于化工设计创新实践课程具有强综合、强实践、求创新的特点，课程建设首先要组建一支理论知识扎实，同时具有丰富工程实践能力和指导能力的教师团队。我们教师团队中有具有多年从事设计院工作、工程项目经验丰富的老教师，有从事化工原理等课程教学的理论知识扎实的专业课教师，有化工设备专业的方向课教师以及化工工程软件课程指导教师。我们结合6年的化工设计大赛参赛指导经验，形成了一支老中青结合，有传承有发展的指导教师队伍。通过组织有经验的教师开展交流会、企业培训、与企业合作、工厂实习和大赛指导等方式，培养青年教师把握化工企业生产新动态，增强年轻教师的工程实践能力，力争做到项目来源于实际，指导服务于实践，为青年教师指导创新实践课程奠定工程实践基础。同时，充分发挥经验丰富的老教师的传帮带作用，组织新老教师交流、团队成果展示等活动，吸引更多的优秀教师参加到实践指导教师的队伍中。 　　化工设计与生产实践密切相关，为了进一步增强化工设计与实际生产的关联，提高整体化工设计的水平，在指导教师队伍建设方面，还需要聘请企业或设计院的专业人员作为外聘教师，让其参与到化工设计创新实践课程的教学设计、指导过程中。
　　（二）课程教学形式探索
　　化工设计创新实践课程由于其课程任务和目的的不同，其教学形式也有别于传统课程。我们从理论知识点讲授变成课程内容项目化，从传统的以教师讲授变成课堂以学生自学为中心，从单一期末试卷考核形式变成考核项目多样化，从考核达标变成课程目标成果化，从而培养学生的工程实践能力、自主学习能力、团队协作能力，让学生建立专业成功的成就感。
　　1.教学内容项目化
　　教学内容上以一个完整的实际工程项目为课程背景，即借鉴化工设计大赛模式，将课程项目分为9个模块：工艺路线确定、物料衡算与能量衡算、工艺流程设计、化工设备选型和设计、工厂布置、管路设计、工程经济、工程环境保护以及化工设计软件使用共9个部分内容，旨在让学生深入了解一个完整的化工设计项目从无到落成的过程。
　　以完整化工设计项目过程为教学主线，指导教师通过讲解基本理论知识，下达每个模块的设计相关任务及完成的质量要求。指导教师要在开课前集体讨论，明确学生为了完成这个任务需要哪些知识，哪些知识应在课堂进行讲授，哪些知识需要学生自己自学，学生通过查阅文献、自主学习、自拟题目、计算和软件模拟相结合，完成整个项目。
　　在教学过程中，教师要让学生明确每期任务与总体化工设计方案的关联，同时在教学中及时调查学生的接受程度，总结任务设置的难易程度是否适宜，进一步完善整体教学设计。教师布置的每期任务都要求学生进行PPT形式的汇报，最后形成一个整体化工设计方案，每组学生要上交一个整体书面报告和PPT展示。
　　项目化教学的完成，是学生对大学期间专业课程的整合运用，也是了解化工工程项目完整设计过程的一次实践。在此基础上，培养学生掌握创造新的技术成果的能力，具体包括新产品和新技术的研发、新流程和新装置的设计、新的工厂生产过程操作运行方案等，以提高学生的创新思维，进而培养学生的创新实践能力、自主學习能力、终身学习能力。
　　需要注意的是，任务设置的难度要适宜，要让学生在教师的辅导和帮助下可以比较顺利地完成计划规定内容，让学生能获得独立完成的喜悦感和成就感。在课程进行过程中，应树立每个模块完成的典型，形成“学 、比、赶 、超 ”的氛围，调动学生学习的主动性和积极性。
　　2.课堂学生中心化
　　以教师为导师、学生为中心，引导学生整合所学基础知识，让学生积极思考、主动表达、互动讨论。根据课程设计内容将项目模块化，将整个项目9大部分划分为流程模拟、设备设计选型、AutoCAD图纸绘制、3D漫游及文档整理等5个模块。采取学生自主分组协作，根据各自所长模拟实际工程设计过程，组内分成工艺组、设备组、绘图组、技术文件组，让学生分工协作，完成初步设计说明书，进行一次较完整的工程训练，以强化学生的工程意识、团队协作意识。
　　本门课程不再是以传统满堂灌的枯燥方式进行授课，在教学形式上更加灵活，以学生为中心进行学习。学生进行自主分组，小组内设组长，组内讨论进行分工，以团队形式合作完成教师布置的任务。完成任务期间，指导教师以导师身份进行辅导答疑，针对疑难问题为学生提供询问和解答，充分发挥学生的自主能动性，从组队到队内任务分配，从项目题目选定到项目进程安排等都由各团队成员协同完成。在整个项目化的过程中，教师给予学生充分的自主学习能动空间，使他们在沟通、写作、团队意识方面能得到锻炼和提升。
　　3.考核形式多样化
　　本门课程不再拘泥于传统的考卷评价模式，而是采用多样化的考核形式，包括团队协作分工评价、课堂课下互动评价、作品完成度评价、表达效果评价等，从自学、运用、思考、讨论、合作、表达等多个方面综合评价。考核采用过程项目验收、过程反馈和最终提交项目初步设计说明书三个大部分。
　　过程项目验收要求每个团队按照项目模块设定负责人进行阶段性汇报，通过答辩形式的汇报定期对各阶段任务、完成情况进行总结，并给出下一阶段的计划。过程反馈主要是对学生在完成各部分任务时自主学习的深度、广度，与指导教师沟通讨论的情况进行评价。最终每组学生需提交项目的初步设计说明书，每组进行完整项目答辩，评价包括指导教师打分与各组同学打分。打分根据项目设计的完成度、工艺路线的合理性、过程设计的创新性、答辩的流畅度、团队合作程度为标准进行。
　　通过采用多样化的考核机制，一方面能够更客观、更全面地评价学生完成课程过程中的所学，从专业能力、创新能力、自主学习能力、沟通交流能力、团队协作能力等多方面给予评价;另一方面，负责人阶段性汇报，通过这种答辩反馈的方式，可以锻炼学生的口头表达能力，也能让学生在各组的讲述中取长补短，博采众长，这加强了全员的参与度，增强了学生学习的主动性和积极性，培养了学生的表达能力。
　　4.教学目标成果化
　　本门课程在强化学生创新实践能力的同时，把整个项目划分成多个模块，每阶段任务的完成作为一个小成果，将项目分块成果化，这样能增加学生的参与度和积极性。
　　本课程以当年全国大学生化工设计大赛题目为课程背景，要求学生根据各自特长自主组成团队，以团队形式自主选题、进行仿真化工设计实践，其涉及化工设计的各个环节，能让学生熟悉化工设计的完整流程、学习使用相关软件。最终提交的初步设计说明书择优作为当年化工设计大赛的参赛作品初稿，将课程目标成果化，以提高学生参与的兴趣和成就感，增加学生学习的动力。2015级本门课程选拔出两组学生，在进一步完善作品后参加全国大学生化工设计大赛，取得了全国一等、二等奖，区赛特等奖、一等奖的好成绩。
　　三、化工设计创新实践课程的作用
　　化工设计创新实践课程以全国大学生化工设计大赛为基础，侧重锻炼学生的设计和创新能力。通过任务布置，学生对化工设计的全过程和关键因素有明确认识，通过选择合理的工艺和参数，最后完成了一个完整的工艺设计。学生全员参与化工设计大赛模式的训练，有利于多方面培养学生的创新能力和实践能力，培养学生的团队协作精神，以及综合利用所学知识分析问题、解决问题的能力。在目前就业形势严峻的情况下，受过化工设计竞赛模式训练，具有较强实践能力的学生将受到用人单位的欢迎。
　　在全员进行化工设计创新实践课程的过程中，那些具有良好的理论基础、实践能力强，特别是具有创新意识和协作精神的学生也将脱颖而出，这能为参加省级、东北赛区以及国家级竞赛提供种子选手，也给了学生进一步拓展自己、施展才能的空间。
　　在化工设计创新实践课程中，有很多内容是需要学生自学的，如Aspen Plus、 3D max和AutoCAD等软件的使用，学生要通过指导教师引领、学长的示范、自己的练习来掌握这些软件的使用。这些自学能力的培养将为学生终身学习能力的达成打下基础。
　　打破原有的“课堂、课本、教师为主”的被动模式，是对“学习、实践、学生为本”的主动教育模式的积极探索，旨在多方面培养大学生的创新思维和工程技能，培养学生的团队协作精神，增强学生的工程设计与实践能力。这种模式将课堂所学与实际应用有机结合，不仅极大地调动了学生学习的主动性、积极性，而且对于工科学生综合素质和创新能力的培养非常有益，取得了非常好的效果。全国大学生化工设计大赛不仅是对参赛学生所学专业知识的系统综合和提升，而且锻炼了学生的工程实践能力，培养了其工艺设计理念，对于培养学生的团队协作精神、吃苦耐劳精神和坚忍不拔的毅力也起到了积极作用。但作为一种新兴事物，在课程开设过程中，还需要教务管理部门对课程的灵活组织管理模式进行探索，对教学硬件和软件设施给予保障，对指导教师工作量的计算进行合理界定，以激发指导教师的工作积极性。同时，指导教师也要及时总结课程开设过程中的问题，探索更好的课程设计方案。相信在各方的共同努力下，化工设计创新实践课程必将充分发挥它的作用。
　　[ 参 考 文 献 ]
　　[1] 中共中央国务院.国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）[N].中国教育报，2010-07-31（01）.
　　[2] 中国工程教育专业认证协会.工程教育认证标准（2015版）[Z].2015.
　　[3] 李庆丰，赵一夫. 大学生实践能力调查：用人单位和毕业生的视角机[J]. 高教发展与评估，2008（1）：106-115.
　　[责任编辑：陈 明]
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