姚 月 左妙果 呂樹祥 廖小元 唐 娜

（天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津300457）

社會(huì)經(jīng)濟(jì)向前發(fā)展，化學(xué)工程學(xué)科革命性技術(shù)層出不窮，今天的化學(xué)工程問題變得愈加復(fù)雜，很難預(yù)知發(fā)展方向，這些特點(diǎn)決定了我們的工程教育一定要幫助學(xué)生掌握思考解決復(fù)雜工程問題的一般性方法，而不是只針對(duì)特異性的難題。在大學(xué)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題，能夠?yàn)閷W(xué)生綜合素質(zhì)提高提供有力的保障。提高化學(xué)工程相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)生解決復(fù)雜化學(xué)工程問題的能力，不僅是我國(guó)工程教育認(rèn)證的通用標(biāo)準(zhǔn)要求的重要內(nèi)容，更是關(guān)系到化工專業(yè)的畢業(yè)生綜合能力和素質(zhì)在根本上得以提高的關(guān)鍵指標(biāo)。

一、布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類法與復(fù)雜工程問題

當(dāng)代著名教育學(xué)家本杰明·布魯姆發(fā)表 《教育目標(biāo)分類學(xué)》，以分類的方式方法作為切入點(diǎn)，將教學(xué)中，細(xì)分目標(biāo)具體確定為 “認(rèn)知領(lǐng)域”、“情感領(lǐng)域”和“技能領(lǐng)域”三類。這種對(duì)教學(xué)目標(biāo)的分層次再設(shè)計(jì)的本質(zhì)是尋找各層次問題內(nèi)在關(guān)聯(lián)，認(rèn)清和捋順教育教學(xué)的前后內(nèi)容聯(lián)系和主線關(guān)系[1]。

一般來說，“復(fù)雜化學(xué)工程問題”可以參照《華盛頓協(xié)議》當(dāng)中的具體描述的“復(fù)雜工程問題”加以定義?！皬?fù)雜工程問題”即工程問題中首先具有表1所述WP1（華盛頓協(xié)議）特征，再具有WP2到WP7的部分或全部特征。在中國(guó)加入 《華盛頓協(xié)議》以后，中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)通用標(biāo)準(zhǔn)所認(rèn)定的特征CP1到CP7具有同等效用，并將之延伸至化學(xué)工程領(lǐng)域，形成復(fù)雜化學(xué)工程問題[2]?；瘜W(xué)工程問題本身是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)性問題。具體特征包括：一是規(guī)模大；二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，極有可能同時(shí)具有多個(gè)層級(jí)的結(jié)構(gòu)；三是要素非線性，即系統(tǒng)內(nèi)部的各種要素可以相互作用并引起變化；四是開放性，即系統(tǒng)與外部環(huán)境存在相互關(guān)系可以互相影響[3]。

表1 復(fù)雜工程問題的特征[2]

二、布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類法與解決復(fù)雜化學(xué)工程問題

復(fù)雜化學(xué)工程問題主要來源于以下內(nèi)容：一是政府和化工行業(yè)部門以高層視角從國(guó)家角度或行業(yè)發(fā)展視角提出的戰(zhàn)略問題；二是化工企業(yè)在生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)中面臨和遇到的問題；三是化工企業(yè)主動(dòng)提出并委托高校完成的，或高校與化工企業(yè)的合作過程中建立的科研項(xiàng)目；四是在化工工程實(shí)踐的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題。在充分理解復(fù)雜化學(xué)工程問題必須具備的特征，了解化學(xué)工程問題的類型后，教師需要從復(fù)雜化學(xué)工程問題細(xì)節(jié)用布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類考慮和設(shè)計(jì)教學(xué)過程[4]。

1.解決復(fù)雜化學(xué)工程問題的一般性思路

在充分認(rèn)識(shí)和深刻理解復(fù)雜化學(xué)工程問題特征的基礎(chǔ)上，以模塊化的方式定義各組特征數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)建模的方式，采取序貫（聯(lián)立）的方法，有順序、逐層次（如圖1）、逐步解決工程中的復(fù)雜問題。將其和布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類法認(rèn)知領(lǐng)域的綜合評(píng)價(jià)相關(guān)聯(lián)，是將所學(xué)知識(shí)重新組合形成一個(gè)新的知識(shí)整體并具有價(jià)值判斷能力的一般性思考方法。需要指出，這六類目標(biāo)中，底層三類屬于初級(jí)層次的認(rèn)知問題，它們一般有直接的、明確的、無歧義的答案，而頂層三類屬于高級(jí)認(rèn)知目標(biāo)，通常沒有唯一的正確答案，從不同的角度有不同的回答，屬于復(fù)雜問題的范疇。因此，我們的教學(xué)和考核不能僅僅局限于初級(jí)認(rèn)知的問題，而應(yīng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，提出高級(jí)認(rèn)知問題，激發(fā)學(xué)生的思維，從而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

圖1 布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類法（改進(jìn)版）示意圖

2.解決復(fù)雜化學(xué)工程問題能力與創(chuàng)造能力的培養(yǎng)

基礎(chǔ)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新都是解決復(fù)雜工程問題的重要突破口，模型化方法是系統(tǒng)分析和研究當(dāng)今化學(xué)工程問題的重要方法之一，模型的建立需要有創(chuàng)造性。將此類教學(xué)目標(biāo)使用布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類法拆分劃歸為更高的情感學(xué)習(xí)領(lǐng)域，通過對(duì)體系整體把握和必要反饋再學(xué)習(xí)，形成基于創(chuàng)新的學(xué)生個(gè)人素質(zhì)提升。也可以將傳統(tǒng)化學(xué)工程領(lǐng)域之外的其他學(xué)科和專業(yè)的方式方法引入化工領(lǐng)域，形成開放的布魯姆分類法“技能領(lǐng)域”，提升學(xué)生的綜合創(chuàng)造能力。

我們還要考慮到，人類自身的生存環(huán)境時(shí)刻在發(fā)生著變化，自身的健康安全、社會(huì)倫理道德、生存環(huán)境能否可持續(xù)等都屬于非工程制約因素，使得現(xiàn)代復(fù)雜化學(xué)工程問題的解決必須綜合考慮和協(xié)調(diào)諸多的方面，從廣度、深度設(shè)計(jì)，提出新穎的、科學(xué)的、有實(shí)施性的工程方案?？梢詫⑵浜筒剪斈方虒W(xué)目標(biāo)分類法動(dòng)作技能學(xué)習(xí)領(lǐng)域目標(biāo)相關(guān)聯(lián)，使學(xué)生體現(xiàn)學(xué)習(xí)成果，能給出解決問題的具體方式，并一定程度上對(duì)復(fù)雜化工問題做出針對(duì)性的回應(yīng)。

三、化工專業(yè)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”能力的培養(yǎng)

在教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)該將培養(yǎng)學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”能力作為重點(diǎn)目標(biāo)之一。在課程教學(xué)大綱的課程目標(biāo)上明確要培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力，同時(shí)以布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類法規(guī)定了課程目標(biāo)的達(dá)成水平。我們精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，將培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題應(yīng)具備的能力貫穿教學(xué)始終，最終達(dá)到提高學(xué)生自主思考能力，提升學(xué)生綜合素質(zhì)的目標(biāo)。我們?cè)噺囊韵路矫骈_展提高學(xué)生解決復(fù)雜工程能力的探討。

1.課堂教學(xué)

課程教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中最為基礎(chǔ)、最為重要的環(huán)節(jié)之一。大部分知識(shí)技能的掌握，主要是由教師在課程教學(xué)中對(duì)學(xué)生進(jìn)行的教育和引導(dǎo)。目前，相當(dāng)一部分學(xué)生自主思考動(dòng)力不足，因此如何在課堂教育引導(dǎo)學(xué)生自主思考，提升解決問題的能力極為關(guān)鍵。

化工過程分析與合成課程是一門化工專業(yè)本科專業(yè)課程，本門課程主要由課堂教學(xué)和應(yīng)用實(shí)踐、上機(jī)操作組成。課堂教學(xué)內(nèi)容主要是由穩(wěn)態(tài)模擬分析、動(dòng)態(tài)模擬分析、過程優(yōu)化、工況調(diào)優(yōu)、化工換熱網(wǎng)絡(luò)合成、塔綜合等章節(jié)內(nèi)容組成。在課程初始為學(xué)生布置一個(gè)具體工程實(shí)際問題的分析背景：“某大型石化企業(yè)煉油廠全系引進(jìn)一套某產(chǎn)品的國(guó)外生產(chǎn)裝置，并對(duì)此裝置進(jìn)行擴(kuò)能改造，出現(xiàn)換熱器承壓過載，設(shè)備損耗，成本激增的問題。”以此案例進(jìn)行模擬分析，使學(xué)生假設(shè)自己遇到真實(shí)的實(shí)際生產(chǎn)問題，找出問題所在，制定解決方案。

這道題目綜合了化工單元、反應(yīng)工程、化工過程分析、化工過程合成和經(jīng)濟(jì)核算等多方面綜合知識(shí)。如果要為本案例設(shè)計(jì)解決方案，需要有綜合和全面的專業(yè)知識(shí)和管理知識(shí)，除了課程本身的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生更需要去自主學(xué)習(xí)和思考綜合多方面知識(shí)。本案例的解決，按照布魯姆教育分類，不僅需要學(xué)生能掌握“知道、理解、應(yīng)用”等初級(jí)層次的認(rèn)知問題，更需要學(xué)生掌握“分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造”這種更高級(jí)的認(rèn)知問題能力。

本案例在教學(xué)初始便已經(jīng)展示給學(xué)生，在進(jìn)行完本門課程教學(xué)內(nèi)容以后，要求學(xué)生以大作業(yè)形式提交案例分析。最終有20%-30%的學(xué)生分析問題全面，對(duì)課堂知識(shí)能做到融會(huì)貫通，具有較好的自主學(xué)習(xí)能力，能夠?qū)栴}進(jìn)行較為全面的“分析和合成”，但是50%左右的學(xué)生仍然處在對(duì)知識(shí)的“記住和理解”的低級(jí)認(rèn)知狀態(tài)。簡(jiǎn)單的案例分析僅是將課程知識(shí)生硬地套進(jìn)工業(yè)情景，而沒有著力于培養(yǎng)分析解決復(fù)雜工程問題能力的高級(jí)認(rèn)知能力的培養(yǎng)。學(xué)生需要轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)方式，教師的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)手段要更加注重學(xué)生自主思考和自主解決復(fù)雜問題能力的培養(yǎng)。

2.實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)

實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐是學(xué)生“工程能力”培養(yǎng)重要的環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、操作、指標(biāo)測(cè)定及數(shù)據(jù)處理分析，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，對(duì)學(xué)生綜合能力的提升具有較大幫助。以化工專業(yè)學(xué)生在第四學(xué)年第一學(xué)期進(jìn)行的 “專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”為例說明，設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間中加深理解基礎(chǔ)知識(shí)，掌握實(shí)驗(yàn)技能，提升解決問題的能力。在目前的教學(xué)中，只要是進(jìn)行多個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，如乙醇催化制乙烯、丙烷脫氫、多孔材料的氮?dú)馕矫摳降龋⑶矣刹煌慕處熯M(jìn)行指導(dǎo)。很難讓學(xué)生建立起各個(gè)實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。我們嘗試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)科目，通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生認(rèn)知和理解化工催化材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，在乙醇制乙烯和丙烷脫氫制備丙烯等化工工藝實(shí)驗(yàn)應(yīng)用多孔材料孔，提高反應(yīng)速率，并指導(dǎo)學(xué)生評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，提出改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的建議。這樣就建立起完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互聯(lián)系，有助于培養(yǎng)學(xué)生融會(huì)貫通地理解相關(guān)復(fù)雜工程的問題解決方式和方法。從記住、理解、應(yīng)用到分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造，最終提升學(xué)生解決復(fù)雜化工問題的能力。

四、結(jié)束語

近年來，我國(guó)化學(xué)工業(yè)界對(duì)于化工學(xué)科的改革期望不斷增加，化工企業(yè)對(duì)高校畢業(yè)生的要求持續(xù)提高。這就要求我們?cè)诨すこ探逃胸瀼毓こ探逃J(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜化學(xué)工程問題的能力，在課堂和實(shí)踐教學(xué)中運(yùn)用布魯姆教育目標(biāo)分類法，將能夠推動(dòng)我們?cè)诟呒?jí)認(rèn)知層次上自覺地為化學(xué)工程行業(yè)培養(yǎng)能夠解決復(fù)雜工程問題的技術(shù)人才。