以競賽為驅動項目為依托的化工設計基礎課程教改研究

范崢　牛夢龍　盧素紅　劉菊榮　申志兵

[摘 要]在工程教育專業認證的大背景下，化工設計基礎課程作為化工專業教育核心課程，堅持以全國大學生化工設計競賽為驅動來充分挖掘學生潛能，采用化工設計項目作品展示方式全面推動學生專業綜合能力培養，并基于虛擬仿真實驗教學平臺、化工過程實景仿真實訓裝置以及現代化工設計手段開展豐富多彩的特色課程改革研究，以達到不斷激發學生學習動機、優化課程考核方式、提升課程教學質量的目的。

[關鍵詞]化工設計基礎;課程改革;化工設計競賽;項目作品展示;虛擬仿真實驗教學平臺

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

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

全國大學生化工設計競賽作為國內級別最高、參賽隊伍最多、影響力最大、認可度最高的全國高?；ゎ惐究粕鷮W科競賽活動，迄今已經成功舉辦了十四屆，在發展化工專業學生的自主創新思維、培養其獨立思考能力、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，全國大學生化工設計競賽的題目涉及的領域極為廣泛，從對二甲苯清潔生產、丙烷資源化利用到廢氣深度脫硫，不一而足，這不僅要求學生在短時間內靈活掌握并綜合運用大量的化工專業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，全面評價和衡量這些因素對化工建設項目的影響和制約，并基于化工產品全周期、全流程成本構成做出合理的工程管理方案與經濟決策分析[5]。

正是著眼于化工設計基礎課程和全國大學生化工設計競賽題目在知識內容、知識深度、知識體系甚至知識架構上存在共通點，本課程充分結合自身特點，以全國大學生化工設計競賽為驅動，通過積極鼓勵學生將課堂知識不斷轉化為項目成果的辦法，按照功能導向原則對教學方式、教學手段、考評方式等進行系統改革，并進一步整合教學內容，及時吸收本學科領域的最新科技成果，從而有效強化學生的學習能力、實踐能力、創新能力以及綜合素質，全面助力創新型應用工程技術人才培養，以期從根本上回答學生應該如何培養、課程體系應該如何構建、教師應該如何教學這些高等教育的本質問題。

一、化工設計競賽驅動學生在學習中不斷突破自我

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

所謂學習動機是指激發個體進行學習活動、維持已引起的學習活動，并使其學習行為朝向一定目標的一種內在過程或者內部心理狀態。學生一旦在學習自覺性與學習主動性上建立了正反饋型的學習動機，就會迸發出極大的學習熱情，表現出堅毅的精神并積極付諸實際行動。然而，建立正反饋型的學習動機并非易事，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部條件的影響，同時又受到家庭環境、社會評價、教師榜樣作用等外部條件的影響。因此，如何有效激發學生的學習動機成為引導學生自我激勵、自我突破、自我成長與自我提升的不二法門。

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

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

針對上述問題，全國大學生化工設計競賽在設計任務書中特別指出，所有設計作品都必須堅決貫徹“生產必須安全，安全為了生產”的指導思想，從提高裝置的安全性出發，根據化工防火防爆設計規范，采用新的安全技術和安全設計辦法，并盡可能采取切實可行的清潔生產技術，從源頭上減少對環境的不利影響。這是因為，對于化工設計實際工作來說，安全評估和環境評估對于項目具有一票否決權。同時，化工設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項目的影響和制約。除此之外，為了確?；ぴO計在經濟上合理，全國大學生化工設計競賽還要求參賽選手根據調研獲得的經濟數據對設計方案進行經濟分析與指標評價，了解化工建設項目工程預算費用的構成、工程概算的編制以及工程投資與產品成本的估算。因此，全國大學生化工設計競賽作為化工設計基礎課程的有益延伸和重要補充，既準確彌補了課內理論學時有限所帶來的不足，又同時使學生得以通過第一視角的方式親身體會到化工從業者及化工生產企業應該承擔的相應責任和義務，對化工專業學生畢業要求的達成起到了舉足輕重的作用。

二、依托化工設計項目作品展示推動學生綜合能力的培養

項目作品作為化工設計基礎課程的最終教學成果，是考驗學生熟練、靈活運用相關專業知識解決生產實際問題能力高低的試金石。由于化工設計項目作品不但涉及內容較廣，而且其深度還應達到可行性研究要求，因此，這對于任課教師和學生都是不小的挑戰。設置項目作品展示環節的目的一方面在于進一步落實以學生為中心、以成果為導向、不斷持續改進的工程教育專業認證理念，另一方面在于協助任課教師有效利用師生互動機會，通過現場引導、糾錯、補充、歸納等辦法對授課過程中可能存在的薄弱環節進行查漏補缺，不斷提升專業競爭力和人才培養質量。

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

三、以虛實結合方式進一步提高課程教學質量

化工設計基礎課程教學過程中經常遇到的一個問題是學生缺乏對化工設計標準規范特別是其細節的了解和掌握。例如，車間設備布置設計不但需要最大限度地滿足工藝生產及設備維修的要求，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經濟指標先進、合理與節能等要求創造條件。此外，還需要考慮其他專業對本車間設備布置的要求并為車間的發展留有余地，這對于初次接觸化工設計的學生而言無疑是一個巨大的挑戰。盡管在學習化工設計基礎課程前，學生已經系統完成了化工原理、化學反應工程、化工設備機械基礎等先修課程的學習，但是，部分學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、清醒的認識，這是因為上述課程通常是以目標產品為導向、以單元操作為基礎、以設備功能為依據進行知識體系構建的。雖然此辦法對于學生快速建立學科基礎概念簇益處頗多，但是往往會在無意間割裂了工藝與工藝、工藝與設備、設備與設備之間的內部聯系，從而直接導致學生在處理復雜化工問題時無法在短時間內準確、有效地調用所學專業知識。

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平臺的優勢，在深度運用課程核心知識點的基礎上，積極開展沉浸式情境教學，讓學生的感知更加細膩、立體、生動，并基于授課班級學生的具體學情，通過特定的預設問題積極引導學生進行自主性、探索性學習。學生在反復實踐中提煉真知，采用更加科學、理性的態度和思維進一步探索隱藏在化工設計標準規范后的具體原因。這是因為：第一，示范性虛擬仿真實驗教學平臺可以有效幫助實現真實條件不具備或難以完成的教學功能，可以幫助解決硬件條件難以不斷改善與學生學習需求不斷提高之間的矛盾，利用計算機網絡的便捷及軟件模型的真實可靠，面向學生構建可視化的管理平臺，使任課教師與學生的交互性更強，突出學生的學習主體地位。第二，示范性虛擬仿真實驗教學平臺作為培養實踐能力的最直接、最有效的載體，其主要作用就是引導學生將所學理論知識與實際相結合，協調好傳統理論教學與學生工程能力培養的關系。第三，在學生利用示范性虛擬仿真實驗教學平臺進行虛擬仿真實驗過程中，教學平臺的試錯和容錯機制發揮了極為重要的作用。它們不僅可以保證學生在任課教師的指導下有足夠的時間和精力來分析、探索、實踐和改進實驗結果，同時還能夠對多次實驗的關鍵數據進行準確地提取、合并、深入挖掘，找出實際操作中可能存在的薄弱環節并及時整改。其改進結果可以作為下一次實驗的基礎和依據，幫助形成“學習—實踐—再學習—再實踐”的良性循環。

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，我校先后購置了具有典型煉油化工和煤化工標志性特征的常減壓催化裂化綜合生產實訓裝置和煤制甲醇綜合生產實訓裝置兩套化工過程實景仿真實訓裝置，用于加強學生在生產實習、化工過程控制與操作等方面的技能培訓等。操作化工過程實景仿真實訓裝置使學生不僅能領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化操作，完成工廠現場無法完成的環節，從而為學生將來開展設計、工程實踐打好基礎。

除此之外，任課教師還主動發揮各自的科研專長，密切結合國內外化工市場的最新發展動向，融合基于計算機科學與技術的化工設計要素，向學生穿插介紹現代化工設計手段，使學生體會到現代化工設計被應用于實際生產的自豪感和滿足感，最大可能地激發學生學習的內驅力。

四、結語

為了在化工設計基礎課程中不斷提高本專業學生的設計能力，更好地適應工程教育專業認證的要求，任課教師以全國大學生化工設計競賽為契機，以化工設計項目作品展示環節為抓手，借助示范性虛擬仿真實驗教學平臺、化工過程實景仿真實訓裝置以及現代化工設計手段，將化工設計競賽的項目任務與所授課程的知識有機結合起來，培養學生運用所學知識進行工程設計的自主學習、自主創新能力，進而提高學生的專業綜合素質。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 唐偉偉，李玉峰.《化工設計》課程教學改革[J].廣東化工，2020（13）：219-220.

[2] 李玉美，張秀玲，王志剛，等.專業認證背景下化工設計課程工程素質培養探索[J].內蒙古石油化工，2020（5）：73-74，93.

[3] 伍水生，蘭東輝，鄧繼勇.新工科背景下化工設計課程教學改革研究[J].吉林農業科技學院學報，2020（2）：112-114.

[4] 劉作華，劉鑫婷，魏順安，等.化工設計競賽對課程的改革意義及其未來發展方向[J].廣東化工，2020（9）：198-199.

[5] 黨亞固，章鵬，費德君，等.搭建教競聯合平臺，深化化工設計課程教學改革[J].化工高等教育，2020（1）：100-103.

[6] 黃燕青，陳輝.淺談全國大學生化工設計競賽對學生綜合能力培養的促進作用：以廣東石油化工學院為例[J].化工高等教育，2020（3）：103-108.

[7] 范崢，牛夢龍，黃風林，等.工程教育專業認證背景下化工專業課程教學改革研究[J].大學教育，2019（12）：48-51.

[責任編輯：龐丹丹]