范崢　牛夢龍　盧素紅　劉菊榮　申志兵

[摘 要]在工程教育專業(yè)認(rèn)證的大背景下，化工設(shè)計基礎(chǔ)課程作為化工專業(yè)教育核心課程，堅持以全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽為驅(qū)動來充分挖掘?qū)W生潛能，采用化工設(shè)計項目作品展示方式全面推動學(xué)生專業(yè)綜合能力培養(yǎng)，并基于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、化工過程實景仿真實訓(xùn)裝置以及現(xiàn)代化工設(shè)計手段開展豐富多彩的特色課程改革研究，以達到不斷激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機、優(yōu)化課程考核方式、提升課程教學(xué)質(zhì)量的目的。

[關(guān)鍵詞]化工設(shè)計基礎(chǔ);課程改革;化工設(shè)計競賽;項目作品展示;虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）05-0117-03

為了更好地服務(wù)于工程教育專業(yè)認(rèn)證，化工設(shè)計基礎(chǔ)作為西安石油大學(xué)（簡稱“我?！保┗I(yè)教育核心課程，以化工設(shè)計過程為主線，系統(tǒng)講授了化工設(shè)計的基本內(nèi)容與程序、化工工藝流程設(shè)計、物料衡算與能量衡算、化工設(shè)備設(shè)計與選型、化工車間布置設(shè)計、化工管道布置設(shè)計、非工藝設(shè)計、工程設(shè)計概算及技術(shù)經(jīng)濟等內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計實踐能力和基本工程素質(zhì)，使學(xué)生掌握化工設(shè)計的基本原則、原理和方法，熟悉化工設(shè)計的主要內(nèi)容和程序，理解化工設(shè)計中工藝專業(yè)的主要工作內(nèi)容和常用化工設(shè)計規(guī)范，實現(xiàn)使學(xué)生理解和掌握化工設(shè)計基礎(chǔ)知識以及具有一定工程設(shè)計能力和一定基本工程素質(zhì)的目標(biāo)[1]。然而，在實際教學(xué)過程中，受到傳統(tǒng)教學(xué)模式的制約和限制，化工設(shè)計基礎(chǔ)課程往往要求在固定的時間和空間里完成[2]，對于學(xué)生的考查也多側(cè)重于基礎(chǔ)知識的掌握情況，這不僅導(dǎo)致授課教師疲于應(yīng)付日常教學(xué)任務(wù)，同時還嚴(yán)重影響學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的創(chuàng)造性和主動性，造成學(xué)生工程實踐能力不足，并在一定程度上影響了其畢業(yè)要求的達成[3]。

全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽作為國內(nèi)級別最高、參賽隊伍最多、影響力最大、認(rèn)可度最高的全國高?；ゎ惐究粕鷮W(xué)科競賽活動，迄今已經(jīng)成功舉辦了十四屆，在發(fā)展化工專業(yè)學(xué)生的自主創(chuàng)新思維、培養(yǎng)其獨立思考能力、強化其工程實踐意識等諸多方面都起到了積極的促進作用[4]。需要說明的是，全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽的題目涉及的領(lǐng)域極為廣泛，從對二甲苯清潔生產(chǎn)、丙烷資源化利用到廢氣深度脫硫，不一而足，這不僅要求學(xué)生在短時間內(nèi)靈活掌握并綜合運用大量的化工專業(yè)知識來進行工程化實踐，同時還需要從社會、健康、安全、法律、文化等多個角度出發(fā)，全面評價和衡量這些因素對化工建設(shè)項目的影響和制約，并基于化工產(chǎn)品全周期、全流程成本構(gòu)成做出合理的工程管理方案與經(jīng)濟決策分析[5]。

正是著眼于化工設(shè)計基礎(chǔ)課程和全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽題目在知識內(nèi)容、知識深度、知識體系甚至知識架構(gòu)上存在共通點，本課程充分結(jié)合自身特點，以全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽為驅(qū)動，通過積極鼓勵學(xué)生將課堂知識不斷轉(zhuǎn)化為項目成果的辦法，按照功能導(dǎo)向原則對教學(xué)方式、教學(xué)手段、考評方式等進行系統(tǒng)改革，并進一步整合教學(xué)內(nèi)容，及時吸收本學(xué)科領(lǐng)域的最新科技成果，從而有效強化學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐能力、創(chuàng)新能力以及綜合素質(zhì)，全面助力創(chuàng)新型應(yīng)用工程技術(shù)人才培養(yǎng)，以期從根本上回答學(xué)生應(yīng)該如何培養(yǎng)、課程體系應(yīng)該如何構(gòu)建、教師應(yīng)該如何教學(xué)這些高等教育的本質(zhì)問題。

一、化工設(shè)計競賽驅(qū)動學(xué)生在學(xué)習(xí)中不斷突破自我

化工設(shè)計競賽的價值在于挖掘?qū)W生的潛能，發(fā)展學(xué)生的個性，突出學(xué)生的價值，從而促進學(xué)生多元化成才[6]。全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽要求以團隊形式參賽且每隊人數(shù)不超過五人，這就意味著參賽隊伍的每個隊員在短短幾個月內(nèi)不僅需要承擔(dān)多個角色的任務(wù)，共同完成從無到有、從小到大、從粗到精的化工項目設(shè)計任務(wù)，而且彼此之間還需要做好溝通協(xié)調(diào)、分工協(xié)作等工作。全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽經(jīng)常被指導(dǎo)教師認(rèn)為是引導(dǎo)、推動學(xué)生在有限時間內(nèi)完成一項幾乎不可能完成的任務(wù)的活動。因此，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機就顯得猶為重要。

所謂學(xué)習(xí)動機是指激發(fā)個體進行學(xué)習(xí)活動、維持已引起的學(xué)習(xí)活動，并使其學(xué)習(xí)行為朝向一定目標(biāo)的一種內(nèi)在過程或者內(nèi)部心理狀態(tài)。學(xué)生一旦在學(xué)習(xí)自覺性與學(xué)習(xí)主動性上建立了正反饋型的學(xué)習(xí)動機，就會迸發(fā)出極大的學(xué)習(xí)熱情，表現(xiàn)出堅毅的精神并積極付諸實際行動。然而，建立正反饋型的學(xué)習(xí)動機并非易事，它既受到個體自身需要、年齡特點、個性差異、志向水平和價值觀等內(nèi)部條件的影響，同時又受到家庭環(huán)境、社會評價、教師榜樣作用等外部條件的影響。因此，如何有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機成為引導(dǎo)學(xué)生自我激勵、自我突破、自我成長與自我提升的不二法門。

由于化工設(shè)計基礎(chǔ)課程側(cè)重于水平達成而化工設(shè)計競賽側(cè)重于選拔擇優(yōu)，因此，為了充分調(diào)動每個學(xué)生參與化工設(shè)計競賽的積極性與主動性，實現(xiàn)全動員、全參與、全覆蓋，我?；ぴO(shè)計基礎(chǔ)課程任課教師除了邀請本校的獲獎學(xué)生現(xiàn)身說法，還對歷年優(yōu)秀作品進行深度解讀與系統(tǒng)剖析，以幫助學(xué)生克服參賽過程中可能遇到的倦怠與畏難心理。同時，為了確保指導(dǎo)教師能夠零距離參與化工設(shè)計競賽指導(dǎo)工作，我校堅持新老結(jié)合、以老帶新的原則，逐步打造了一支以化工設(shè)計基礎(chǔ)課程任課教師為主體，多專業(yè)、多學(xué)科任課教師協(xié)同參與的專業(yè)指導(dǎo)教師團隊。團隊成員在指導(dǎo)過程中各自發(fā)揮專業(yè)所長和資源優(yōu)勢，從而使一大批年輕骨干教師的專業(yè)素養(yǎng)、教學(xué)水平在短時間內(nèi)得到了大幅提升。

與化工設(shè)計基礎(chǔ)課程相比，全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽的最終作品提交要求無論是內(nèi)容上還是難度上都更加接近于“實戰(zhàn)”，因此，后者對前者的促進作用是顯而易見的。例如，化工設(shè)計基礎(chǔ)課程在分配課內(nèi)理論學(xué)時的時候會特別關(guān)注化工工藝流程設(shè)計、化工車間布置設(shè)計和化工管道布置設(shè)計等重點章節(jié)，其占比甚至達到課內(nèi)理論總學(xué)時的40%，而對于非工藝設(shè)計、工程設(shè)計概算及技術(shù)經(jīng)濟等其他章節(jié)則往往占比較少。盡管后來為了實現(xiàn)該課程對工程教育專業(yè)認(rèn)證中的設(shè)計/開發(fā)解決方案、工程與社會以及項目管理等畢業(yè)要求的強支撐，任課教師陸續(xù)對此課程的教學(xué)大綱進行了一系列的修訂和調(diào)整，但是受限于課內(nèi)理論總學(xué)時仍然無法進一步詳細(xì)講解相關(guān)內(nèi)容[7]。

針對上述問題，全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽在設(shè)計任務(wù)書中特別指出，所有設(shè)計作品都必須堅決貫徹“生產(chǎn)必須安全，安全為了生產(chǎn)”的指導(dǎo)思想，從提高裝置的安全性出發(fā)，根據(jù)化工防火防爆設(shè)計規(guī)范，采用新的安全技術(shù)和安全設(shè)計辦法，并盡可能采取切實可行的清潔生產(chǎn)技術(shù)，從源頭上減少對環(huán)境的不利影響。這是因為，對于化工設(shè)計實際工作來說，安全評估和環(huán)境評估對于項目具有一票否決權(quán)。同時，化工設(shè)計人員還需要充分了解社會、健康、安全、法律、文化等因素對化工建設(shè)項目的影響和制約。除此之外，為了確保化工設(shè)計在經(jīng)濟上合理，全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽還要求參賽選手根據(jù)調(diào)研獲得的經(jīng)濟數(shù)據(jù)對設(shè)計方案進行經(jīng)濟分析與指標(biāo)評價，了解化工建設(shè)項目工程預(yù)算費用的構(gòu)成、工程概算的編制以及工程投資與產(chǎn)品成本的估算。因此，全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽作為化工設(shè)計基礎(chǔ)課程的有益延伸和重要補充，既準(zhǔn)確彌補了課內(nèi)理論學(xué)時有限所帶來的不足，又同時使學(xué)生得以通過第一視角的方式親身體會到化工從業(yè)者及化工生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該承擔(dān)的相應(yīng)責(zé)任和義務(wù)，對化工專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求的達成起到了舉足輕重的作用。

二、依托化工設(shè)計項目作品展示推動學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)

項目作品作為化工設(shè)計基礎(chǔ)課程的最終教學(xué)成果，是考驗學(xué)生熟練、靈活運用相關(guān)專業(yè)知識解決生產(chǎn)實際問題能力高低的試金石。由于化工設(shè)計項目作品不但涉及內(nèi)容較廣，而且其深度還應(yīng)達到可行性研究要求，因此，這對于任課教師和學(xué)生都是不小的挑戰(zhàn)。設(shè)置項目作品展示環(huán)節(jié)的目的一方面在于進一步落實以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向、不斷持續(xù)改進的工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，另一方面在于協(xié)助任課教師有效利用師生互動機會，通過現(xiàn)場引導(dǎo)、糾錯、補充、歸納等辦法對授課過程中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)進行查漏補缺，不斷提升專業(yè)競爭力和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

我校的化工設(shè)計基礎(chǔ)課程充分結(jié)合本校辦學(xué)特色與行業(yè)背景，從高素質(zhì)、厚基礎(chǔ)、寬口徑的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)著手，精心設(shè)計了無機化工過程、有機化工過程、生物化工過程、石油化工過程以及精細(xì)化工過程等若干項目作品題目供學(xué)生選擇，并按照知識體系模塊化的原則，借鑒化工設(shè)計從業(yè)人員的專業(yè)分工與職責(zé)，將學(xué)生劃分為工藝系統(tǒng)、管道材料、機械設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)與自動控制等幾個小組，在任課教師下達化工設(shè)計項目任務(wù)后，學(xué)生通過自由組隊、隨機抽簽的方式進行小組隊伍籌建與專業(yè)角色指定。進入設(shè)計環(huán)節(jié)后，要求各小組內(nèi)部要緊密配合、各司其職，做好進度協(xié)調(diào)與資料交底工作。同時，為了鼓勵學(xué)生積極發(fā)展“一專多能”，還進一步規(guī)定各小組內(nèi)部應(yīng)定期進行角色輪換，并在項目作品展示環(huán)節(jié)推選一名學(xué)生作為小組代表進行匯報答辯，這極大地促進了學(xué)生換位思考能力和歸納分析能力的提升，從而使學(xué)生日后無論是作為設(shè)計單位代表、施工單位代表還是建設(shè)單位代表進行技術(shù)交流都是大有裨益的。

三、以虛實結(jié)合方式進一步提高課程教學(xué)質(zhì)量

化工設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中經(jīng)常遇到的一個問題是學(xué)生缺乏對化工設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范特別是其細(xì)節(jié)的了解和掌握。例如，車間設(shè)備布置設(shè)計不但需要最大限度地滿足工藝生產(chǎn)及設(shè)備維修的要求，有效利用車間建筑面積和土地，而且需要為達到車間的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)先進、合理與節(jié)能等要求創(chuàng)造條件。此外，還需要考慮其他專業(yè)對本車間設(shè)備布置的要求并為車間的發(fā)展留有余地，這對于初次接觸化工設(shè)計的學(xué)生而言無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)。盡管在學(xué)習(xí)化工設(shè)計基礎(chǔ)課程前，學(xué)生已經(jīng)系統(tǒng)完成了化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程、化工設(shè)備機械基礎(chǔ)等先修課程的學(xué)習(xí)，但是，部分學(xué)生對于化工過程可能涉及的空間和時間概念仍然缺乏必要、清醒的認(rèn)識，這是因為上述課程通常是以目標(biāo)產(chǎn)品為導(dǎo)向、以單元操作為基礎(chǔ)、以設(shè)備功能為依據(jù)進行知識體系構(gòu)建的。雖然此辦法對于學(xué)生快速建立學(xué)科基礎(chǔ)概念簇益處頗多，但是往往會在無意間割裂了工藝與工藝、工藝與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的內(nèi)部聯(lián)系，從而直接導(dǎo)致學(xué)生在處理復(fù)雜化工問題時無法在短時間內(nèi)準(zhǔn)確、有效地調(diào)用所學(xué)專業(yè)知識。

為了有效解決上述問題，任課教師充分利用示范性虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的優(yōu)勢，在深度運用課程核心知識點的基礎(chǔ)上，積極開展沉浸式情境教學(xué)，讓學(xué)生的感知更加細(xì)膩、立體、生動，并基于授課班級學(xué)生的具體學(xué)情，通過特定的預(yù)設(shè)問題積極引導(dǎo)學(xué)生進行自主性、探索性學(xué)習(xí)。學(xué)生在反復(fù)實踐中提煉真知，采用更加科學(xué)、理性的態(tài)度和思維進一步探索隱藏在化工設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范后的具體原因。這是因為：第一，示范性虛擬仿真實驗教學(xué)平臺可以有效幫助實現(xiàn)真實條件不具備或難以完成的教學(xué)功能，可以幫助解決硬件條件難以不斷改善與學(xué)生學(xué)習(xí)需求不斷提高之間的矛盾，利用計算機網(wǎng)絡(luò)的便捷及軟件模型的真實可靠，面向?qū)W生構(gòu)建可視化的管理平臺，使任課教師與學(xué)生的交互性更強，突出學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位。第二，示范性虛擬仿真實驗教學(xué)平臺作為培養(yǎng)實踐能力的最直接、最有效的載體，其主要作用就是引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)理論知識與實際相結(jié)合，協(xié)調(diào)好傳統(tǒng)理論教學(xué)與學(xué)生工程能力培養(yǎng)的關(guān)系。第三，在學(xué)生利用示范性虛擬仿真實驗教學(xué)平臺進行虛擬仿真實驗過程中，教學(xué)平臺的試錯和容錯機制發(fā)揮了極為重要的作用。它們不僅可以保證學(xué)生在任課教師的指導(dǎo)下有足夠的時間和精力來分析、探索、實踐和改進實驗結(jié)果，同時還能夠?qū)Χ啻螌嶒灥年P(guān)鍵數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確地提取、合并、深入挖掘，找出實際操作中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)并及時整改。其改進結(jié)果可以作為下一次實驗的基礎(chǔ)和依據(jù)，幫助形成“學(xué)習(xí)—實踐—再學(xué)習(xí)—再實踐”的良性循環(huán)。

同時，為了進一步達到“以虛促實”“以實帶虛”“實虛相長”的最終目標(biāo)，我校先后購置了具有典型煉油化工和煤化工標(biāo)志性特征的常減壓催化裂化綜合生產(chǎn)實訓(xùn)裝置和煤制甲醇綜合生產(chǎn)實訓(xùn)裝置兩套化工過程實景仿真實訓(xùn)裝置，用于加強學(xué)生在生產(chǎn)實習(xí)、化工過程控制與操作等方面的技能培訓(xùn)等。操作化工過程實景仿真實訓(xùn)裝置使學(xué)生不僅能領(lǐng)悟到單元操作的核心，而且能進行模擬和控制可能的工藝及優(yōu)化操作，完成工廠現(xiàn)場無法完成的環(huán)節(jié)，從而為學(xué)生將來開展設(shè)計、工程實踐打好基礎(chǔ)。

除此之外，任課教師還主動發(fā)揮各自的科研專長，密切結(jié)合國內(nèi)外化工市場的最新發(fā)展動向，融合基于計算機科學(xué)與技術(shù)的化工設(shè)計要素，向?qū)W生穿插介紹現(xiàn)代化工設(shè)計手段，使學(xué)生體會到現(xiàn)代化工設(shè)計被應(yīng)用于實際生產(chǎn)的自豪感和滿足感，最大可能地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力。

四、結(jié)語

為了在化工設(shè)計基礎(chǔ)課程中不斷提高本專業(yè)學(xué)生的設(shè)計能力，更好地適應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，任課教師以全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽為契機，以化工設(shè)計項目作品展示環(huán)節(jié)為抓手，借助示范性虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、化工過程實景仿真實訓(xùn)裝置以及現(xiàn)代化工設(shè)計手段，將化工設(shè)計競賽的項目任務(wù)與所授課程的知識有機結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識進行工程設(shè)計的自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新能力，進而提高學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]