萬 鑫 王 敏 趙 爽 曹春艷 宋志國

（渤海大學化學與材料工程學院 遼寧錦州 121000）

“化工基礎”是一門針對化學與應用化學等理科專業(yè)開設的專業(yè)基礎必修課，是運用高等數(shù)學、物理、物理化學的基本原理來研究和分析化工生產(chǎn)中“三傳一反”的基本原理、典型設備、工程思維與研究方法的學科，涵蓋化學、石油、輕工、生物、環(huán)保等行業(yè)，是一門實踐性很強的課程，實現(xiàn)了從自然科學向工程科學、理論到實踐的過渡[1]。隨著經(jīng)濟與科技的飛速發(fā)展，滿足高層次人才培養(yǎng)要求，強化理科學生的工程教育也逐漸受到各高校重視[2]。

一、化工基礎課程教學存在的問題

本課程采用了清華大學編著的《化學工程基礎》國家級規(guī)劃教材，包括典型化工單元操作與化學反應工程兩大模塊。主要講授流體流動與輸送、傳熱、精餾、吸收等單元操作以及化學反應器等相關內(nèi)容[3]。根據(jù)目前高校人才培養(yǎng)模式的改革思路[4]，本?；瘜W專業(yè)的教學課時根據(jù)新版培養(yǎng)方案的調(diào)整進行了普遍下調(diào)，但是該門課程教學內(nèi)容涉及面廣、公式多且復雜，基本原理的應用部分所占比重很大，由于課時限制，無法更為細致地對知識點進行講解。例如，方程的推導，該過程不僅能使學生對基礎知識點進行融會貫通，還可以培養(yǎng)學生的工程思維能力、邏輯思維能力，對后續(xù)典型設備的計算與選型也能打下良好的基礎。此外，理科學生在前修課程的培養(yǎng)過程中，學習側重點也多是理論知識的傳輸，缺少實踐經(jīng)驗，這方面能力的缺乏在化學專業(yè)的學生中體現(xiàn)更為明顯，他們通常很難將所學的基本原理很好地與工廠生產(chǎn)實際聯(lián)系在一起，特別化工典型設備的計算與選型等存在諸多問題。

作為一門較為傳統(tǒng)、理論知識框架很成熟的課程，傳統(tǒng)教學模式較為單一，主要以教師講授為主，課堂采用多媒體輔助教學，內(nèi)容主要圍繞單元操作的設計型與操作型計算展開，公式繁多，學習過程也非?？菰铮瑢W生學習的積極性明顯不足，對基礎知識的理解與掌握遠遠不夠，很難熟練地應用理論知識解決工程實踐問題。因此，激發(fā)學生學習的主觀能動性、培養(yǎng)學生的工程思維以及理論聯(lián)系實際的能力同樣成了本課程亟待解決的重點問題。

近年來，基于“OBE”理念即成果導向教育成了我國各高校人才培養(yǎng)模式改革的主流[5-8]。在工程教育專業(yè)認證的背景下，本校為了更好地貫徹“OBE”教學理念，在全校范圍內(nèi)對各專業(yè)的培養(yǎng)方案、教學大綱及考核方式等均進行了相應調(diào)整與修正，旨在實現(xiàn)以學生為中心的教育理念，教學重點由教師的“教”向學生的“學”進行轉變。但目前仍處于改革初期的摸索階段，對于化工基礎課程來說，傳統(tǒng)教育模式仍占比較大，教師在授課過程中的重點仍多以傳授知識為主，這與以學生達到預期學習成果為導向的目的還有差距。

二、化工基礎課程教學模式的改革與探索

1.基于化學化工虛擬仿真實驗教學中心的課前預習模式

渤海大學化學化工虛擬仿真實驗教學中心是依托遼寧省應用化學省級高校重點學科和應用化學省級重點實驗室組建而成的。學生在虛擬仿真教學平臺上，可以自主進行化工基礎虛擬仿真實驗的預習、操作練習、實驗方案設計等[9]。此外，中心還提供了與生產(chǎn)實際緊密相關如現(xiàn)代智能化工廠VR（虛擬現(xiàn)實）教學體驗系統(tǒng)、甲醇合成工藝3D虛擬現(xiàn)實仿真、丙烯酸甲酯生產(chǎn)工藝3D虛擬現(xiàn)實仿真等項目。

化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，化工單元操作以及化學反應器的知識貫穿始終，例如壓縮系統(tǒng)需要的輸送管路、輸送設備以及各種閥門，合成車間需要的換熱設備，吸收塔、產(chǎn)品精制車間需要的精餾塔等。學生無論在課堂還是課下都很難接觸到真正的化工廠，理科專業(yè)學生實訓課的安排以及認識實習等場所均有所限制，也可能會涉及高危的生產(chǎn)環(huán)境[10-12]，那么對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程僅靠想象來完成顯然是不夠現(xiàn)實的，學生也很難做到把課上所學的基礎知識與實際聯(lián)系起來，理論聯(lián)系實際的能力無法得到鍛煉，工程思維也很難得到培養(yǎng)。

近年來，VR技術即虛擬仿真技術在諸多領域得到了實踐運用，已有部分高校將該技術應用到教學和科研過程中[13-14]?！盎瘜W化工虛擬仿真實驗教學中心”的現(xiàn)代智能化工廠VR教學體驗項目，通過高度工業(yè)化、信息化和智能化三個維度，還原了現(xiàn)代化工廠的發(fā)展現(xiàn)狀。其中包括了產(chǎn)品生產(chǎn)、智能儲運、調(diào)度指揮以及污水處理等方面的內(nèi)容。學生可通過VR眼鏡跟隨系統(tǒng)通過任務引導，完成化工廠各生產(chǎn)車間的參觀，一方面，學生身臨其境全面體會了化工生產(chǎn)過程，熟悉了化工生產(chǎn)工藝車間、車間里的各種設備、加深了對即將學習的化工單元操作以及反應器的理解，也能大大提高學生學習的興趣與積極性；另一方面，也可以降低大型實訓設備的運行成本與操作帶來的安全風險。

為了有效地建立化工基礎課前預習體系，將中心平臺提供的甲醇合成工藝3D虛擬現(xiàn)實仿真項目與理論教學進行了融合。學生課前通過化工虛擬仿真實驗平臺，進入到工藝流程軟件中進行實操預習。但整個操作學生如果僅僅通過提示進行操作，各工藝流程中，各車間所需要的操作時間均較長，需要不斷地對生產(chǎn)工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)，盡管可以根據(jù)提示完成操作，但學生始終處于比較被動的狀態(tài)，且也很難懂得如此操作的原因，機械性的操作與學習并不能加深學生對各車間生產(chǎn)操作過程的理解、對設備的理解等。因此，教師在學生預習前，首先發(fā)布任務書，針對授課內(nèi)容預先提出問題，學生帶著問題去進行虛擬仿真操作，總結在任務書中出現(xiàn)的問題并在預習結束后，撰寫預習報告向教師進行匯報，教師整理問題匯總總結，在授課過程中引導學生共同解決問題，并在課堂后發(fā)布新的操作任務，由學生獨立完成，做到鞏固知識、融會貫通。實施流程如圖1所示。

圖1 基于虛擬現(xiàn)實仿真項目的課程預習模式設計思路

教師針對本節(jié)化工基礎課程要講授的知識點，融合虛擬仿真項目中的操作，針對性地提出問題并進行發(fā)布。例如，冷態(tài)開車的進料過程中，需要人工操作的閥門種類都有哪些？閥門開度如何選擇與控制？啟動泵的順序是什么？為何啟動之前要關閉出口閥？對離心泵的特性參數(shù)有何影響？這是流體流動與輸送章節(jié)中涉及的內(nèi)容。甲醇合成車間使用的換熱器都有哪些種類？結構特點及各自用途都是什么？熱流體的選擇？這是傳熱過程與傳熱設備章節(jié)講授的內(nèi)容。向精餾塔進料時，如何控制塔釜液位高度、塔釜溫度和塔頂?shù)牟僮鲏毫?，回流操作中為何需要向回流罐中不斷打回流液？吸收塔和精餾塔用于哪些車間，主要用途分別是什么？在對精餾塔進行操作時，如操作不當會出現(xiàn)液泛等不正常的現(xiàn)象，對塔的操作性能和后續(xù)生產(chǎn)過程有何影響？合成得到的粗甲醇經(jīng)過哪些工藝過程得到了精致甲醇，在精制車間分別使用了哪些傳質(zhì)設備？用途分別是什么？這些內(nèi)容是精餾、吸收和氣液傳質(zhì)設備章節(jié)涉及的內(nèi)容。

2.基于化工設計競賽教學模式的改革與探索

遼寧省教育廳主辦的“化工設計競賽”是面向省內(nèi)各高校大學生的專業(yè)競賽，競賽中涉及化工單元操作的基礎知識、化工設備選型與計算、化工企業(yè)運行等內(nèi)容[15]，均與“化工基礎”課程息息相關。參加競賽對學生的創(chuàng)新思維能力、工程實踐能力以及團隊協(xié)作能力均有明顯的促進作用。學生參與競賽的積極性普遍較高，任課教師可在教學過程中加入經(jīng)典案例，將化工競賽設計任務引入課堂，不僅可以提高學生課堂的學習積極性，還能提高學生解決實際問題的能力。例如，某公司年產(chǎn)10萬噸MMA項目中換熱器的設計選型，涉及教學內(nèi)容包括熱交換器的傳熱機理、傳熱面積的計算、換熱過程的強化途徑以及熱交換器的選用和計算等。又比如，某電廠2000萬噸/年的含硫廢氣脫硫項目中，化工常見設備如反應器的計算涉及的氣固相催化反應模型、填料塔設備選型時需要考慮的流體力學性能評價、冷卻器設計中的管程及殼程的選擇等內(nèi)容與化學反應工程、氣液傳質(zhì)設備等內(nèi)容密切相關。教學的重心由教師講授向以學生為中心轉變，不僅可以提高學生學習的主觀能動性，還能培養(yǎng)學生的工程技能和工程思維能力。

3.基于OBE理念的化工基礎課程設計的改革與探索

OBE理念的教學模式強調(diào)以學生為主體，以培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和能力為目標，著重強調(diào)想讓學生取得什么樣的學習成果，如何有效地幫助學生取得這些成果以及如何知道學生已經(jīng)取得了這些成果[16]?！盎せA”作為一門實踐性和應用性很強的課程，在教學過程中進行創(chuàng)新教育不僅是人才培養(yǎng)的要求，也是課程自身性質(zhì)的要求。化工基礎的典型單元操作均有大量工程案例可供討論，不僅如此，在日常生活中涉及的相關案例也數(shù)不勝數(shù)，為了調(diào)動學生學習的積極性，提高學生的參與度，使教學過程更加生動有趣，教學過程中可選擇一些偏向日常生活的案例。例如，餐廳里餐具的選擇與熱導率的關系、暖氣片的形狀與熱交換的關系等。教師在授課過程中根據(jù)案例先提出問題，學生在課下解決問題，教師對學生的討論情況進行收集匯總并放在課堂上進行分享討論，學生針對出現(xiàn)的問題進行整理記錄并能獨立完成新的案例對知識進行鞏固。整個教學設計過程與課程預習模式的流程基本一致，很好地將OBE理念貫穿于教學過程的始終，學生不僅在成績方面得到了提高，在分析解決問題能力、工程思維能力等方面均得到了鍛煉和提高。

4.課程評價考核系統(tǒng)的改革與實施

課程評價體系的建立是檢驗教學效果的主要方法，以往的課程評價體系中的過程性考核部分，并不包括課前預習部分，平時成績主要由出勤、作業(yè)與課堂表現(xiàn)三部分組成，總占比為30%。然而，教師在批閱課后作業(yè)的過程中發(fā)現(xiàn)，有雷同、抄襲等現(xiàn)象，學生對平時考核顯然不夠重視，如果考前突擊復習，最后也能取得不錯的成績，但實際上他們對課程內(nèi)容的理解和掌握程度遠遠不夠，根本無法反映學生的真實學習情況，包括對理論知識的掌握程度，理論聯(lián)系實際的能力、工程思維能力等都無法得到鍛煉，也很難完成基于OBE模式修訂的教學大綱中對學生素質(zhì)培養(yǎng)的要求，因此改變傳統(tǒng)的考核方式勢在必行。

由于課前預習比重的加大，重新修訂了過程化評價的考核部分，課程的總成績組成如圖2所示。

圖2 化工基礎課程總成績考核方式

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，過程性評價和期末測試分別占比40%和60%，期末考試成績的占比由原來的70%降低到60%，加重了過程性評價的比例。過程性評價中預習、出勤、作業(yè)與課堂討論成績各占15%、5%、10%和10%，其中預習情況的側重點主要考查學生在虛擬仿真項目操作過程中的動手操作能力和自主學習能力；課堂討論部分主要考查學生理論聯(lián)系實際的能力和工程思維能力；出勤情況考查學生的學習態(tài)度；作業(yè)則側重計算分析題，除了基本計算題之外加入了與生產(chǎn)實際相結合的案例，考查了學生對知識的理解與掌握，也鍛煉了學生的綜合應用能力。新的課程評價體系，更客觀、更全面地考查了學生的學習效果，激發(fā)了學生學習的主觀能動性，提高了學生理論聯(lián)系實際的能力、培養(yǎng)了學生的工程思維和創(chuàng)新思想。

三、課程教學模式改革效果評價

經(jīng)過多年的建設與發(fā)展，化工基礎課程已經(jīng)形成了以“化學化工虛擬仿真實驗教學中心”為依托，基于OBE模式和專業(yè)競賽模式的混合式課程教學體系。本文對比了化學專業(yè)的學生近兩年化工基礎課程目標完成度的情況，如圖3所示。課程目標分別考核了學生對流體流動與輸送、傳熱、精餾、吸收等各單元操作的基礎知識與基本原理、典型設備及其計算方法的掌握情況，學生對工程學科基本研究方法和工程思維方式的掌握情況以及學生綜合運用理論知識解決實際問題的能力。

圖3 化工基礎課程目標完成度對比

可以明顯看出，學生對化工基礎理論知識的掌握程度明顯得到了提升，由2020年的71.09%提高到2021年的79.35%；對于工程思維能力的考核，2021年的目標完成度已經(jīng)高達80.91%，這是由于在課程教學過程中，引用了大量的實踐案例與理論知識相結合，極大地鍛煉了學生的工程思維方式和邏輯思維能力；學生綜合運用理論知識解決實際問題的能力也得到了很大的提高，說明學生對于化工過程涉及的實際問題可以融會貫通，鍛煉了學生分析問題和解決問題的能力。

此外，學生參加化工專業(yè)競賽的積極性持續(xù)高漲，這種將“賽”融入“教”與“學”的模式，極大地提高了學生參加比賽的興趣，同時也取得了優(yōu)異的成績。參賽學生在全國大學生化工設計競賽、全國大學生化工實驗大賽東北賽區(qū)選拔賽、遼寧省普通高等學校本科大學生化工原理大賽等比賽中取得了一、二等獎的好成績。