汪紅娣，宋艷江，周文君

(杭州師范大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，浙江 杭州 311121)

0 引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證是我國(guó)高校推行工程教育改革、提升工程教育質(zhì)量的重要手段和途徑，其目的是使人才培養(yǎng)與社會(huì)需求相適應(yīng)，進(jìn)一步提高我國(guó)工程教育的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。與傳統(tǒng)工程教育相比，工程教育專業(yè)認(rèn)證中更強(qiáng)調(diào)要求“以學(xué)生為中心，成果導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”的教育理念，注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力及創(chuàng)新思維能力[1-2]?；ぴO(shè)計(jì)課程是化工相關(guān)專業(yè)的必修課，是一門涉及多學(xué)科知識(shí)領(lǐng)域的交叉性、綜合性課程。該課程目的是培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中形成工程意識(shí)，提高學(xué)生的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，為解決實(shí)際復(fù)雜工程問題奠定基礎(chǔ)[3]，這與工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人才培養(yǎng)的核心要求(培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力) 高度一致。近年來(lái)，在專業(yè)認(rèn)證背景下，雖然教學(xué)改革的號(hào)召轟轟烈烈，但課堂改革的實(shí)踐卻冷冷清清。課堂教學(xué)是使學(xué)生能夠達(dá)到畢業(yè)要求、達(dá)成培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)[4]。然而，在實(shí)際教學(xué)過程中，化工設(shè)計(jì)的課堂教學(xué)質(zhì)量和效果卻始終不盡如意。為此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)以專業(yè)認(rèn)證理念為核心，以專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，全面深化化工設(shè)計(jì)課堂教學(xué)改革，以提高工科學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際工程問題能力為出發(fā)點(diǎn)，以期滿足企業(yè)和社會(huì)對(duì)實(shí)踐型人才培養(yǎng)的需求。

1 基于專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)分析傳統(tǒng)化工設(shè)計(jì)課堂教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 偏重于知識(shí)型課堂

傳統(tǒng)化工設(shè)計(jì)課堂由理論知識(shí)主宰，講的是知識(shí)，學(xué)的是知識(shí)，考的是知識(shí)，缺少對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目的解讀和工程設(shè)計(jì)軟件訓(xùn)練，難以使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中形成工程思維和解決復(fù)雜工程問題能力。以教材為主的課程知識(shí)往往滯后于最新化工前沿成果或脫離于工程實(shí)際問題，拘泥于教材內(nèi)容的課堂教學(xué)無(wú)法使學(xué)生了解工程設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀。其次，我國(guó)高校工科中青年教師來(lái)源單一，絕大部分都是以科研為主的高校畢業(yè)生，許多教師普遍缺乏工程設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法從工程設(shè)計(jì)層面給學(xué)生提供足夠的指導(dǎo)和案例分析，這直接影響到學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和水平[3,5]。目前企業(yè)急需具有工程設(shè)計(jì)思維，能夠熟練使用各類現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件的復(fù)合型人才。顯而易見，知識(shí)型課堂無(wú)法滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證要求具備解決復(fù)雜工程能力的標(biāo)準(zhǔn)，更無(wú)法滿足企業(yè)對(duì)復(fù)合型工科人才的實(shí)際需求。

1.2 多為灌輸式課堂

化工設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐應(yīng)用型課程，綜合性強(qiáng)，知識(shí)范圍跨度大，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜、技術(shù)難度大。傳統(tǒng)以教師講授為中心的課堂教學(xué)模式多為“單向灌輸式”教學(xué)，教師往往照本宣科式介紹教材內(nèi)容，學(xué)生要做的是聆聽、理解和記憶，教學(xué)過程成了學(xué)生“復(fù)制”知識(shí)的過程。由于教學(xué)手段單一，課堂趣味性低，缺乏師生之間的互動(dòng)性和對(duì)話性，容易導(dǎo)致前排滿座率低、課堂抬頭率低、學(xué)生參與率低的“三低課堂”[6]，使得課堂氣氛沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，這與工程教育專業(yè)認(rèn)證中以“學(xué)生為中心”的教育理念仍有很大差距。

1.3 封閉式教與學(xué)

傳統(tǒng)化工設(shè)計(jì)教學(xué)往往是以教材、教師和教室為中心的封閉式課堂教學(xué)，使得教學(xué)過程出現(xiàn)內(nèi)容、時(shí)空以及評(píng)價(jià)體系的多方位閉環(huán)，嚴(yán)重影響師生教與學(xué)的效果。內(nèi)容的閉環(huán)主要體現(xiàn)在知識(shí)局限于從教材到課件，從課程教學(xué)大綱到考試考查范圍。當(dāng)前化工設(shè)計(jì)教材偏重于概念性介紹，部分內(nèi)容相對(duì)陳舊，局限于教材內(nèi)容的教學(xué)無(wú)法使學(xué)生拓展了解工程設(shè)計(jì)的實(shí)際案例，導(dǎo)致學(xué)生工程思維意識(shí)的薄弱。加之傳統(tǒng)“平時(shí)作業(yè)+ 期末考試”的單一考核方式，一方面，導(dǎo)致學(xué)生為追求課程成績(jī)而學(xué)習(xí)，使其對(duì)課程知識(shí)的理解和掌握更局限于教材與考試大綱的狹窄范圍之內(nèi)[7]；另一方面，該考核方式無(wú)法反映學(xué)生的真實(shí)水平，無(wú)法評(píng)估學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和解決問題的能力，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的教學(xué)反饋和持續(xù)改進(jìn)。時(shí)空的閉環(huán)則體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)主要在有限空間的課堂和校園以及一節(jié)又一節(jié)有限的課時(shí)間?；ぴO(shè)計(jì)內(nèi)容繁多，課時(shí)有限，僅憑借課堂內(nèi)的教與學(xué)，難以達(dá)成專業(yè)預(yù)設(shè)的培養(yǎng)目標(biāo)。顯然，這種圍繞“教材-教師-教室”的封閉式課堂教學(xué)無(wú)法滿足工程教育認(rèn)證要求整個(gè)教學(xué)過程的設(shè)計(jì)必須圍繞培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)展開，通過多方位考核和周期性評(píng)估施以持續(xù)改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)。

2 化工設(shè)計(jì)課堂教學(xué)改革的創(chuàng)新舉措

針對(duì)上述現(xiàn)狀，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)化工設(shè)計(jì)課堂教學(xué)提出一系列創(chuàng)新改革策略(圖1)，實(shí)現(xiàn)從知識(shí)課堂向能力課堂轉(zhuǎn)變，從灌輸課堂向互動(dòng)課堂轉(zhuǎn)變以及從封閉課堂向開放課堂轉(zhuǎn)變。

圖1 化工設(shè)計(jì)課堂教學(xué)改革策略

2.1 重構(gòu)教學(xué)模塊，強(qiáng)化現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件學(xué)習(xí)，推行以賽促學(xué)的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)知識(shí)課堂向能力課堂的轉(zhuǎn)變

化工設(shè)計(jì)課程是一門綜合性強(qiáng)、應(yīng)用性廣、知識(shí)點(diǎn)分散、交叉性強(qiáng)、系統(tǒng)性差的專業(yè)課程。教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)性優(yōu)化教材內(nèi)容，重構(gòu)課程教學(xué)模塊，將其優(yōu)化為化工設(shè)計(jì)程序和規(guī)范、工藝流程模擬與設(shè)計(jì)、化工工藝計(jì)算、設(shè)備設(shè)計(jì)與選型、車間與管道布置、安全與環(huán)境保護(hù)、設(shè)計(jì)概算與技術(shù)經(jīng)濟(jì)以及設(shè)計(jì)文檔編制等8 大單元模塊，使得知識(shí)結(jié)構(gòu)更加清晰。強(qiáng)調(diào)結(jié)合多種現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)軟件，加強(qiáng)學(xué)生熟練使用化工專業(yè)軟件的能力，如工藝流程設(shè)計(jì)模塊融入流程模擬軟件Aspen plus 的入門學(xué)習(xí)，單元設(shè)備設(shè)計(jì)與選型增加智能選泵軟件、Aspen Exchanger Design and Rating 換熱器選型、SW6 強(qiáng)度校核等軟件的應(yīng)用，換熱網(wǎng)絡(luò)集成與優(yōu)化引入Aspen Energy Analyzer 的學(xué)習(xí)，車間與管道布置介紹Auto CAD、Pdmax、Sketchup 等繪圖軟件的使用。在課堂教學(xué)中，有意識(shí)、有策略地將專業(yè)理論知識(shí)和基本設(shè)計(jì)規(guī)范有機(jī)融入于各模塊的軟件教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用基本理論知識(shí)去解決分析工程問題，提高學(xué)生的知識(shí)遷移能力和綜合應(yīng)用能力。以工藝流程模擬設(shè)計(jì)模塊教學(xué)為例，結(jié)合Aspen plus 流程模擬軟件對(duì)各單元操作(流體流動(dòng)、分離、換熱、反應(yīng)等)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，適時(shí)回顧化工原理、物理化學(xué)、反應(yīng)工程等相關(guān)理論知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生如何利用基本理論知識(shí)對(duì)典型化工過程進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和故障分析。

針對(duì)學(xué)生缺少知識(shí)綜合運(yùn)用能力，工程意識(shí)薄弱等現(xiàn)狀，實(shí)行“入門指導(dǎo)＋項(xiàng)目設(shè)計(jì)+競(jìng)賽提升”循序遞進(jìn)的教學(xué)模式。由課堂教學(xué)為入門指導(dǎo)，讓學(xué)生整體了解實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的全部環(huán)節(jié)，初步掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)軟件的使用。從項(xiàng)目設(shè)計(jì)為任務(wù)起點(diǎn)，借化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽為提升紐帶，納競(jìng)賽題目為本課程考核項(xiàng)目主題，以團(tuán)隊(duì)形式展開項(xiàng)目設(shè)計(jì)。從項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)、流程模擬、技術(shù)實(shí)現(xiàn)、工藝圖紙繪制，到文檔研究報(bào)告撰寫、項(xiàng)目PPT 編制與團(tuán)隊(duì)協(xié)作答辯，整個(gè)過程以學(xué)生為主體、教師為輔導(dǎo)的模式進(jìn)行，注重能力為導(dǎo)向，而非知識(shí)導(dǎo)向。完整的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)體驗(yàn)，極大的培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)和整體觀，鍛煉了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，實(shí)現(xiàn)了讓學(xué)生真正學(xué)習(xí)知識(shí)、理解知識(shí)、活用知識(shí)以及轉(zhuǎn)化知識(shí)。學(xué)生更是通過化工競(jìng)賽的激烈角逐，尤其是經(jīng)歷現(xiàn)場(chǎng)答辯及專家評(píng)委的尖銳提問后，從心理、知識(shí)、技能上得到系統(tǒng)全面的提升與熏陶。

2.2 引入問題式、案例式和半翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)灌輸課堂向互動(dòng)課堂的轉(zhuǎn)變

引入問題教學(xué)法，其關(guān)鍵在于通過提問式、啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自主思考及探究解決問題的方法，將教師單向知識(shí)傳授的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生中心的互動(dòng)課堂。選取典型問題(以設(shè)備設(shè)計(jì)與選型中，如何合理設(shè)計(jì)與選擇流體輸送泵為例)作為課堂教學(xué)導(dǎo)入，教師發(fā)散式提出一系列更多相關(guān)問題，如泵的工作原理是什么？泵的類型有哪些？泵的性能參數(shù)有哪些？選泵應(yīng)遵循哪些原則？泵在操作使用過程中可能出現(xiàn)哪些故障？課堂內(nèi)師生采取互問互答、“組內(nèi)＋組間”討論等形式多變的課堂教學(xué)組織，將課堂從“一言堂”變成“學(xué)習(xí)共同體”。教與學(xué)過程以頻繁的師生問答互動(dòng)方式進(jìn)行，不僅活躍課堂氣氛，增加學(xué)生的參與度，還提高了學(xué)生獨(dú)立思考和分析解決問題的能力。

運(yùn)用案例分析進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容有直觀的理解，培養(yǎng)形成工程思維和工程意識(shí)。以工藝流程設(shè)計(jì)精餾塔模擬為例，通過課前資料分享和課內(nèi)視頻資料觀看，將企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)線引入課堂，讓學(xué)生初步了解實(shí)際生產(chǎn)車間精餾裝置的基本組成結(jié)構(gòu)以及實(shí)際開停車的運(yùn)行、過程參數(shù)調(diào)控和故障分析等操作過程。隨后依托Aspen plus 模擬軟件，針對(duì)某一產(chǎn)品(如乙苯/ 苯乙烯混合物) 分離精制實(shí)例，教師進(jìn)行模擬演示和學(xué)生獨(dú)立實(shí)操訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生如何利用化工模擬軟件為實(shí)際化工工藝過程解決快速計(jì)算、更新工藝流程或優(yōu)化全裝置操作參數(shù)等工程關(guān)鍵問題。

此外，基于智慧教室、學(xué)習(xí)通、釘釘群的創(chuàng)新性混合教學(xué)模式，增加智慧教學(xué)工具的使用幅度，對(duì)部分章節(jié)內(nèi)容設(shè)置新型半翻轉(zhuǎn)課堂混合式教學(xué)模式。以工藝流程模擬中的全流程節(jié)能優(yōu)化策略的設(shè)計(jì)為例，利用學(xué)習(xí)通、公眾號(hào)、釘釘群等途徑推送翻轉(zhuǎn)課堂資源，通過課堂角色轉(zhuǎn)換，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)，給予學(xué)生更多的自主探索和合作互動(dòng)的空間。隨后，教師在課堂中及時(shí)分析評(píng)估學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解不足或誤區(qū)，有側(cè)重點(diǎn)的進(jìn)行補(bǔ)充和深入講解，并解答學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中的問題。這種半翻轉(zhuǎn)課堂+即時(shí)反饋教學(xué)方式極大促進(jìn)了學(xué)生對(duì)工藝流程節(jié)能優(yōu)化的重難點(diǎn)知識(shí)理解與內(nèi)化，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

2.3 采用智慧型線上線下混合教學(xué)手段和全過程評(píng)價(jià)考核方式，實(shí)現(xiàn)封閉課堂向開放課堂的轉(zhuǎn)變

教學(xué)團(tuán)隊(duì)以開展智慧教學(xué)，拓展課堂教學(xué)的深度和維度。通過創(chuàng)建“化工設(shè)計(jì)”網(wǎng)絡(luò)課程，采取“課堂入門學(xué)習(xí)＋課外自學(xué)拓展”的線上線下混合教學(xué)手段，使教與學(xué)在時(shí)間上從課內(nèi)向課外延伸，空間上從教室向圖書館、網(wǎng)絡(luò)課堂輻射，內(nèi)容上從教材向大量參考資料擴(kuò)充，打破封閉式課堂的壁壘，實(shí)現(xiàn)向開放式課堂的轉(zhuǎn)變。不斷完善“化工設(shè)計(jì)”網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)，擴(kuò)充豐富優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，分享流程模擬實(shí)例解析視頻，更新各類設(shè)計(jì)規(guī)范文件，利用手機(jī)APP，隨時(shí)隨地補(bǔ)充相關(guān)課外學(xué)習(xí)資料；通過網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)的學(xué)習(xí)云數(shù)據(jù)和討論、留言區(qū)，使學(xué)生自由地進(jìn)行線上提問交流，讓教師及時(shí)反饋和督學(xué)；創(chuàng)建豐富的模擬實(shí)例題庫(kù)，應(yīng)用在線作業(yè)提交-互評(píng)-反饋模式，強(qiáng)化課內(nèi)外現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件實(shí)操訓(xùn)練，從而打造比傳統(tǒng)教學(xué)更為立體的教學(xué)資源庫(kù)，為學(xué)生提供更豐富的參考資料和學(xué)習(xí)平臺(tái)。

針對(duì)“化工設(shè)計(jì)”課程綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，其課程考核方式打破了傳統(tǒng)單一的期末閉卷考試方式的束縛，采用“課堂仿真模擬＋課后強(qiáng)化訓(xùn)練+工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)＋團(tuán)隊(duì)合作答辯”的綜合性考核方式，將過程跟蹤評(píng)價(jià)法與終結(jié)性評(píng)價(jià)法相結(jié)合。整個(gè)考核環(huán)節(jié)涉及學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)合作、創(chuàng)新能力和解決問題能力，以及工程設(shè)計(jì)、報(bào)告撰寫、現(xiàn)代技術(shù)工具運(yùn)用等多方面的能力。依據(jù)全過程綜合考核結(jié)果評(píng)價(jià)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的達(dá)成度與符合度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)活動(dòng)的持續(xù)改進(jìn)(圖2)。

圖2 化工設(shè)計(jì)教學(xué)改革、能力培養(yǎng)與持續(xù)改進(jìn)關(guān)系圖

3 結(jié)語(yǔ)

探索新的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，合理評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)水平并持續(xù)改進(jìn)，一直是努力的方向。基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的先進(jìn)理念，對(duì)化工設(shè)計(jì)課程進(jìn)行全方位課堂教學(xué)改革與實(shí)踐，提出了打造開放式課堂、互動(dòng)課堂和能力課堂的創(chuàng)新舉措。該項(xiàng)目的實(shí)施，極大提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)與創(chuàng)新實(shí)踐能力，取得了良好的教學(xué)質(zhì)量和效果。