大学化学, 2021, 36(1): 2008002-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202008002

专题

基于工程认证的化工原理教学改革与实践

曾嵘,, 任玉, 杨世芳, 刘建文, 王凯, 党雪平

Teaching Reform and Practice of Chemical Engineering Principles Based on Engineering Certification

Zeng Rong,, Ren Yu, Yang Shifang, Liu Jianwen, Wang Kai, Dang Xueping

通讯作者: 曾嵘,Email: rongzeng@hubu.edu.cn

收稿日期: 2020-08-1   接受日期: 2020-08-24  

基金资助: 教育部产学合作协同育人项目.  201801081017
湖北大学教改项目.  201956

Received: 2020-08-1   Accepted: 2020-08-24  

Abstract

From the perspective of training engineering talents, this paper analyzed and summarized the main problems existing in the classroom and laboratory teaching of chemical engineering in colleges and universities. In order to meet the requirements of engineering certification, we discussed the teaching reform and put forward some effective measures from three aspects of the classroom and laboratory teaching, as well as the engineering consciousness training.

Keywords: Engineering certification ; Chemical engineering principle ; Teaching reform

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曾嵘, 任玉, 杨世芳, 刘建文, 王凯, 党雪平. 基于工程认证的化工原理教学改革与实践. 大学化学[J], 2021, 36(1): 2008002-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202008002

Zeng Rong. Teaching Reform and Practice of Chemical Engineering Principles Based on Engineering Certification. University Chemistry[J], 2021, 36(1): 2008002-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202008002

“工程认证”也称为工程教育认证,它起源并发展于美国,是指专业认证机构针对普通高等学校所开设的工程类专业教育所实施的专门性认证。由于工程认证是培养新一代的国际化应用人才的标准与保障,因而备受国内外的高等教育界的重视。开展工程认证是我国提高工程教育质量的重大举措,是实现工程教育和工程师资格国际互相认可的重要保障措施[1]。通过开展工程认证,可以推动我国工程教育改革,提高工程教育质量,增强工程教育人才培养对产业发展的适应性,为我国结构转型培养优秀的工程技术人才[2]

随着中国经济的不断发展,全球经济化是大势所趋,在新经济的时代背景下,各行各业对人才的需求量迅速增长。但是,我国每年培养的工程型人才的数量远不能满足社会日益增长的需求。因此,工程认证不仅是工程教育改革的必然趋势和内在要求,也是各高校促进专业建设、提高人才培养质量的契机。在工程认证体系中贯穿着一个中心理念,即:以目标为导向、以学生为中心、注重持续改进,这也是各大高校在工科专业教育中所必须遵守的指导思想和原则。就化学工程领域来说,化工原理是化工学科体系中的核心课程,是一门从自然学科到工程学科的过渡学科,它对培养新经济形式下的工程型人才,具有重要的意义。现今人与社会的关联越来越紧密,由于在工程技术领域所遇到的工程问题越来越复杂,解决这些问题需要更高层次的人才,因而对人才的要求也随之提高,以往的课程教育体系已无法满足当前工程认证的标准和要求。

目前,高校的化工原理课程教学主要存在以下三个方面的问题:(1)理论教学方面:教材内容体系不够完善,授课时长不足;教师教学方法过于单一,师生沟通不够;学生的依赖性强、自控力差;课堂纪律懒散、态度不端正;课程反馈不真实,考核体系有待提高。(2)实验教学方面:师资力量不足,软件跟不上;实验教学体系不够完善;教学涉及到的实验种类偏少,缺乏层次;实验排课不合理;实验报告抄袭严重,成绩评定缺乏公平性。(3)其他因素:学生工程意识、安全意识缺乏,创新能力不足。上述这些问题的存在导致了学生对理论知识的理解较模糊,综合运用能力较差。另外,学生在实验过程中缺乏独立的思考、探索和实践,非常依赖教师。学生的动手能力和创新能力得不到锻炼和提高,无法满足当前工程认证的要求。

化工原理课程教学是化工人才培养的重要环节,对课程进行改革是满足工程认证要求的必要途径,只有通过教学改革才能更好地培养符合国际要求的应用型人才。本文针对在化工原理教学中存在的问题,分别从理论教学、实验教学和工程意识培养三个方面提出了教学改革的措施。

1 化工原理理论教学的改革

1.1 设立网络教学平台

针对教材内容体系不够完善,授课时长不足,以及学生的依赖性强、自控力差的问题,可设立网络教学平台来辅助师生。教师在平台上传每个章节的课件、视频和相关的动画演示。视与听相结合的视听教学给学生带来不一样的体验,能够提高学习的效率[3]

课前,教师可使用网络教学平台要求学生进行预习,并提供不同特点的短视频供学生选择,视频内容以碎片化的知识点为主。学生在每部分可选择一个视频,简单了解每部分需要掌握的知识重难点,看完后完成相应的思考题,如:质点的含义是什么?粘性的物理本质是什么?通过这种方式让学生对要上的课程有一定的理解,明确心中的疑问并激发学习兴趣。课上,教师选择重点章节进行细讲,通过引进先进设备,如交互平板,教师可以直接在PPT的界面上对重点内容进行标记,课后将有笔记的PPT上传到平台,方便学生理解公式和查看课堂重点。部分不作为重点的教学内容,教师可要求学生在网络平台了解学习,以此弥补授课时长不足的问题。同时,教师还可通过网络平台及时了解学生的学习状况,达到监督的效果,课堂上再进行点评。课后,学生可以利用平台进行复习、记笔记等。除此之外,在平台里可以设置讨论组,交流学习经验,方便师生进行沟通,及时解决学生学习上的疑惑。教师还可以在平台里布置作业,设置一些选择与判断对错题,让学生直接在上面进行提交。通过平台记录学生答题的正确率,方便教师了解学生的学习效果,及时答疑解难,应用题和计算题则还是写在纸上然后统一收。

1.2 丰富教学手段

传统教学中教师的教学方法过于单一,师生沟通不够;部分学生的学习态度不端正、课堂纪律懒散。笔者通过引入案例教学、动画教学和思维导图等多种教学手段以改变上述状况。丰富的教学手段可以激发学生的学习兴趣,端正其学习态度,使学生能更好地接受新知识。

引入案例教学:选择合适的案例,或从工程案例中提炼出实际问题,在课堂上以学生为中心,引导学生学习探索,加强互动,有问有答。将工程中遇到的实际问题引入到课堂上,通过这个方法可以让学生了解学习化工单元操作的目的与意义,并引导其思考及内化知识。教师要选择与课本内容密切相关的例子,如:第一章的流体流动中涉及管路的计算,在开始授课的时候,就可以提出如何设计一个运输管道,要考虑到哪些参数?在第三章的干燥章节开篇时,可以先引出干燥的含义,再向学生提出问题,比如干燥有哪些常用的方法?在第四章传热章节开篇时,先提出热的传播有哪三种途径?再引入保温杯的例子,保温杯的保温原理是什么?利用和防止传热的例子还有哪些?通过选择合适的生活和工程实际案例能够活跃课堂气氛,使学生可以很好地接受知识,将其带入学习的氛围中,对新知识充满好奇。

引入动画教学:在课堂中加入化工设备的动画演示,可以让学生直观地观察设备运行时的整个过程。在了解设备的结构和工作原理之后,学生通过观看动画带给他们视觉上的冲击,可增加课程的趣味性,提高学生的学习兴趣,不再死板地记忆相关的概念和知识点。图 1为U型换热器的动画演示图,再现了U型换热器的运行过程。

图1

图1   U型换热器的动画演示图


引入思维导图:思维导图将文字和图片结合起来,由一个中心关键点引发出次关键点,次关键点再引发其他的关键点,由此形成一个大的知识网,将难以理解的抽象概念转为直观的图文[4]。这样学生可以直观地看到每个知识点之间的联系,可以通过右脑活动去激活左脑去读取相关知识[5]。每个人对知识的理解不同,书本的内容都是统一的,却无法消除学生间的差异性。通过让学生自己学做思维导图,让他们根据自己的理解去领悟知识,将零散的知识点有机地结合起来,同时培养了他们自身的概括能力与发散性思维,并且方便后期复习的时候更全面地把握知识结构和思考问题。思维导图可以手绘或者使用软件绘制,本文中的思维导图是采用WPS来绘制的。图 2为流体流动的思维导图,由第一章的流体流动引发出7个子标题,再分别列出各个部分的重点。

图2

图2   流体流动的思维导图


1.3 完善考核体系

传统的理论课程考核,无法科学地评判学生的理论学习效果以及知识的内化程度。以学生为中心,建立符合工程认证标准的考核体系,改变传统的课程考核方式,就是要使学生重点关注学习的过程而不只是考试的结果。期末成绩的比重过大会造成学生临时抱佛脚的现象,通过考前突击、背公式记笔记来应付考试。为了避免这一现象的发生,让学生能够踏实、认真地对待化工原理课程的学习,需要对课程的考核体系进行相应的调整。我们将该课程的理论总成绩评定分为三个部分:平台成绩、平时成绩和期末成绩。

表 1为化工原理成绩考核的分值计算图,图中所示的考核方式较为全面,包括了线上考核和线下考核两大部分,然后按每项得分的百分比计算出总成绩。这样就迫使学生不再只专注于考试本身,而是更注重课程的学习过程,同时加强对理论知识的学习及内化,这无疑也是对学习不自觉学生的一个约束与指引。

表1   化工原理成绩考核的分值计算表

考核方式占比内容分值每项得分总分
线上平台30%线上预习与思考题
线上学习与作业
40
60
总分值*30%每项得分相加
平时成绩30%出勤率
课堂测试
线上作业
思维导图
10
20
35
35
总分值*30%
期末成绩40%期末考试100总分值*40%

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2 化工原理实验教学的改革

2.1 改善教学条件

师资力量不足、软件跟不上是个比较严重的问题,与学生的学习关系密切,因此对教学条件的改善尤为关键。

要加大资金的投入,扩大实验室的规模,同时做好实验室的安全管理,保证仪器设备的质量,并定期进行安全检查。将部分实验室设立为开放实验室,全天候开放,供学生随时进行设计性的实验,同时对他们进行相关的实验室安全操作培训。

加强师资建设,增加实验指导教师的人数,将每组实验学生人数控制在3–4人,让学生与教师能够更好地沟通,以便及时纠正错误。可组织带实验的教师到企业的生产车间进行实地考察、学习,提高其自身的实践能力。同时“引进”一些有丰富实践经验的技术人员给学生讲解工程实例,让学生树立工程意识和观念。

实验教学中运用多媒体技术和多功能软件可以模拟实验的操作过程,教学效果往往会事半功倍。引入仿真实验,它可以直观地展示所要操作设备的内部结构和操作流程,让学生对实验的原理与流程有一个比较完整的概念[6]。学生可以通过观看仿真实验的演示视频来了解实验的具体步骤,还可以自己学习用仿真实验软件来模拟现实的实验操作,以此来加深对实验的理解。此外,教师还可以通过动画来演示操作不当带来的结果,以此来警示学生并加深他们的印象。

2.2 改进教学体系

根据工程认证的要求,在化工原理实验课程中综合性设计实验的安排不得少于一定比例。针对教学实验涉及到的实验种类偏少、缺乏层次的问题。需要在原来必做实验的基础上增加实验种类,同时采用多层次教学,先从验证性实验到综合性实验,最后是设计性实验,循序渐进,让学生对化工原理的实验从模糊到完整的转变。以基础实验为切入点,增设如板式精馏塔的操作与回流比调节的实验,在过滤实验中应用正交试验法和均匀设计法等综合性实验。实验结束后给学生讲解数据的处理方法,或者给他们提供一个数据处理的模板让其自学。在设计性实验中,教师应引导学生自己查阅资料、独立地设计实验的方案、科学预测并合理分析实验的结果。

在实验教学中,工程认证要求学生能够正确地采集、整理数据,并将所学数学、自然科学和工程科学的基本原理有机联系起来,对实验结果进行关联、分析、解释并获得合理有效的结论[2]。教师须将工程观点融入到实验教学中,在实验开始前给学生布置一些思考题,现场验证学生的预习成果。实验过程中,引导学生注重实验的每一步操作,要求记录必要的操作步骤及实验现象,学生完成实验后详细处理其数据,交由教师批改。教师及时查看实验报告,寻找其中的错误,再让学生回顾实验操作和数据处理过程,引导其思考并改正错误。通过上述训练能帮助学生提高分析问题、解决问题及数据处理的能力。实验结束后,教师还可增加提问的环节,设置一些学生容易忽视但却是实验成功的关键问题。例如,在二氧化碳吸收实验中,在开启二氧化碳总阀门前,为什么要先关闭减压阀?这样既提高了学生的听课效率,也可引起学生的思考。

2.3 完善考核体系

教师课后批改实验报告时,常常发现部分学生抄袭严重,因此根据实验报告来评定成绩相对缺乏公平性。完善考核体系需要使其不仅能反映学生对这门课的掌握程度与学习能力,同时还能鞭策一些自我管理能力不佳的学生。我们将实验成绩评定分为:平时成绩、设计性实验成绩、实验报告成绩和笔试成绩。

其中平时成绩分为课前预习、考勤、实验操作的评分。为避免同组内学生实验数据雷同的问题,教师在检查他们的实验数据时,要求每组内的学生采用不同的数据来进行处理和作图,还要给出其数据处理过程的计算示例,以防止“同组同报告”的现象。图 3中列出了化工原理实验成绩中各项所占的比例。

图3

图3   化工原理实验成绩中各项的占比


一套完善的考核体系对于课程的学习能起到很好的督促作用,通过考核评分来培养学生的学习习惯,使他们更注重学习的过程而不是结果,由总成绩也可以得到学生学习情况的反馈[7]。我们再根据学生成绩的反馈结果适当地调整考核体系,不断地完善考核方法,调整其中各项所占的比例。这是化工原理实验教学改革中的一个重要环节,将有助于教学效果的提升,并对应用型人才培养起到积极的推进作用。

3 培养学生的工程意识

传统的化工原理课程教学结束后,学生普遍缺乏工程意识、安全意识且创新能力不足,因而不能够达到工程认证的要求。为改变此现象,可引入并学习OBE (outcome based education,成果导向教育)的教育理念,如设置化工设计大赛,开设讲座等。

OBE是基于学生学习成果的教育模式,要学习OBE的教育理念,学校应该明确工程认证下培养人才的标准。要培养学生的工程意识,就要明确学生要学什么,为此应该如何去做。教师基于工程认证的要求提出对应的问题,在教学过程中有意识地引入相关的工程实例,让学生带着问题去学习,为寻求问题的答案而进行深入的探索,最后成功地解决教师所提出的工程问题。通过这一模式,让学生潜移默化地具有工程意识,逐步学会将书本上的知识运用到工程实际中去。

每学年设置一次化工设计大赛,有兴趣的学生可以组队参加,每组4位学生配备一位教师带队比赛。学校与一些企业进行合作,选题可以来源于校企合作项目或是教师科研课题、挑战杯等。教师与学生选好题之后,学生为主,教师为辅,根据设定的工艺条件和物性参数,运用Aspen plus流程模拟软件建模、分析化工设备的操作状况,并对整个工艺流程进行优化,以验证设计方案的可行性。

还可以开设讲座,邀请一些化工专家或技术人员来学校举办讲座或对实验项目进行指导。学院还可以设立公众号,发布一些关于化工技术前沿方面的信息,或常见的工程问题的解决方案等。此外,在学生认知实习与生产实习期间,可以通过给他们做化工安全生产的相关知识培训、适当地增加实习的时长,让学生有机会深入现场了解化工生产的整个工艺流程,以及化工单元操作的实际运用,这样才能真正地做到理论与实践相结合。

以上这些措施都可以加强学生工程意识的培养,提高他们的团队合作、管理能力,这也是工程认证所要求学生必备的能力。此外,学生有了工程意识后,会更积极主动地去学习化工专业的相关课程,并在书本之外储备更多的专业知识与技能,更加符合工程认证的要求,成为专业型工程技术人才。

4 结语

化工原理是化工学科中一门重要的专业基础课,它是连接化工类其他专业课程的纽带,同时也是相关工科专业所必修的一门基础课。化工原理课程内容丰富、涉及的知识面广,学生要熟练掌握具有一定的难度,同时其解决工程实际问题的能力还有待提高。基于工程认证的要求,笔者提出了化工原理理论教学、实验教学及学生工程意识培养三个方面的改革措施:丰富教学手段和改善教学条件来进一步提高该课程的教学效果;通过引入思维导图,让学生对零散的知识点有一个全面性的认识;以学生为主体进行教学,根据细分专业的不同,对化工原理课程内容进行适当精简,选择性地重点讲解;课堂教学与网络课程平台相结合,再搭配科学合理的考核系统等。这些改革措施的实施将使高校的化工原理教学效果得到显著提升,提高学生各方面的能力,为社会培养出更多高质量、高要求的工程应用型人才。为满足工程认证的要求所进行化工原理的教学改革是一个长期的过程,需要师生之间密切配合,实现教与学的相互促进、共同进步,才能培养出能够解决工程实际问题的应用型人才。

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