基于全新工程教育理念构建多层次化工原理实践教学模式

俞路　吴雪梅　潘艳秋

摘要：以培养学生创新能力为宗旨的实验教学改革，在提高实验教学质量的同时，需要进一步改革实验教学模式和实验教学体系。依据本校化工原理实验课程的特点，将全新工程教育理念引入教学环节，构建基于“CDIO”工程教育理念的实践教学体系，并提出构建多层次、多方位实验教学平台，在此基础上以“CDIO”工程理念为中心合理规划实验课内容，激发创新思维，从而加强实践课与理论课的联系。

关键词：化工原理实验；“CDIO”工程教育理念；实验教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）53-0132-02

当前各国高等教育改革中关注重点之一是如何培养符合大工程需求的工程人才。在此背景下美国麻省理工学院等四所大学共同提出了一种全新的工程教育理念——“CDIO”（构思Conceive、设计Design、实施Implement、运作Operate）。它以培养学生工程基础知识、个人创新能力、团队协作精神以及解决具体问题时的工程系统能力等四个方面为目标，以工业生产中从产品的实验室研发到过程中测试的生命周期为项目单元，在此项目培训中让学生能够以主动的、实践的、有机联想课程之间的知识体系的方式完成学习任务，是一种在课程学习过程中既强化基础知识的学习和专业理论的传授，又注重教学过程中实践的全新教学模式[1]。《化工原理》是一门研究典型过程单元操作中传递过程机理的工程技术基础课，它在基础与专业课程之间起到承上启下的作用，是我校化工类专业非常重要的课程。其目的是培养学生分析工程中遇到实际问题和解决实际问题的能力[2]，课程的培养目标与“CDIO”的培养模式相一致。化工原理课程的理论教学主要是传授各单元操作的基本原理即动量传递、质量传递、热量传递和反应过程动力学等，与之配套的实践环节则侧重培养学生对工艺过程的设计、实践、思考以及创新能力，进一步加深和巩固学生理解理论知识、提高运用知识系统化解决工程实际问题的能力和团队协作的能力等。由于该课程所研究的过程单元操作具备严格的理论基础，因而具有高度的抽象性和概括性，传统的教学方式着重于讲授各典型单元操作的基本原理，实践环节多为验证性实验，层次单一，学生缺少对综合工程能力的训练，导致“工程”观念模糊不清，大部分学生只是机械式地完成实验，普遍缺乏团队协作精神。现有的化工原理实验教学体系存在着这些不足和弊端，与近几年来国家提出的卓越工程师培养计划尚存在一定的差距。因此，针对我校化工原理的实验教学现状，从国家产业结构调整和发展战略性新兴产业的人才需求出发，引入全新工程人才培养教育理念（CDIO）开展实验课程的改革，适度超前培养设计开发工程师和研究型工程师等多种类型的工程师后备人才，从而推进我校卓越工程师培养计划的实施。

一、以“CDIO”工程理念为中心构建多层次实验教学平台

近几年来，我们对化工原理实验教学内容以及实验室建设等方面进行了积极地实践和探索，自主设计和改造完成了基础验证性、综合设计性和创新研究性等实验教学设备，成功构建了多层次、多方位的实验教学平台，为全新工程教育理念模式的实施提供了硬件保障。尝试将全新工程教育理念“CDIO”运用到设计与开发综合创新性实验项目的化工原理实验教学过程中，打破了传统课程学习过程中以课堂知识传授为主要特征的模式，将原来由以讲授为主转变为以导学为主，从被动学习知识向主动思考和创新设计成长转变。通过这个实践平台训练后，构建起在教师主导下学生为主体，将理论知识与实践操作相结合，培养学生的基本理论知识、工程实践能力和创新思维全面协调发展的教学模式。围绕以“CDIO”的各层次实验项目为中心组织课程教学内容，让学生在具体实验项目的实施过程中系统地构建相关的理论知识。为此，我们对传统的实验项目教学模式进行了重构，有四个层次实验教学平台：基础验证型实验、综合型实验、设计型实验和研究型实验。第一层次：主要为验证型实验，让学生熟悉典型化工单元操作的工艺流程，认识和了解装置中各个设备以及仪器仪表的工作原理和使用方法；第二层次：综合型实验，将多个单元设备依据一定实验任务组合起来构成多目标、一体化的实验装置进行实验操作，该项目能够把某一单元操作的重点知识系统化，通过此项实验操作培养学生综合运用所学知识的能力；第三层次：设计型实验，由教师提出题目，学生自组团队依据课题查阅文献、设计流程、搭建装置、实施实验，开拓学生的创新能力和探索精神，培养学生的综合实验设计能力；第四层次：研究型实验，以教师科研项目为背景，为那些对科研有浓厚兴趣的学生提供科研训练操作平台，让学生参与部分科学研究，激发探索新知识的欲望，增强学生的创造能力与研究能力[3]。

二、以“CDIO”工程理念为中心合理规划实验教学内容

化工原理实验中具有代表性的实验是精馏实验，该单元操作中集中了流体力学、传质、传热等重要知识点，由于实验流程可以进行多目标组合，因而我们将该实验项目作为以“CDIO”工程理念为中心来组织课程内容和课程教学，完成由综合性实验到设计性实验再到研究性实验（反应精馏）的拓展演变。实验室现有四套精馏实验装置，其中三套为板式塔，一套为填料塔，实验室备有乙醇和正丙醇两种药品，学生可以利用不同的实验装置，分别对乙醇-水、乙醇-正丙醇进行分离实验。由于实验流程可以实现多目标化，因此实验中学生可以比较不同回流比、不同进料位置、不同进料状态、不同加热功率等操作条件对各塔分离效率的影响，并将全塔效率与单板效率进行比较。另外，还可以进行同一装置不同物系分离的比较实验以及同一物系不同装置分离的比较实验。对于传统的单元操作实验指导书提供的实验方案往往比较单一，这大大局限了学生的思维模式。而在设计型实验中，学生可以通过查阅文献自主设计实验方案，由于采用的实验方法各不相同，因而在此实践过程中不但要重温已学过的知识而且还要依据出现的新问题扩充新的知识。例如对于进料位置、回流比、进料热状况、侧线出料以及加热功率等操作条件对精馏塔分离效率的影响，在传统实验中，对于每个操作条件的影响评价只在一个过程下进行验证性实验即可，设计性实验中如果学生想综合分析各因素对精馏塔分离效率的影响规律，从而得到最优工艺操作条件，就必须采用多因素化法对实验过程进行对比分析，这样就会出现课本上没有遇到的新问题，需要查阅大量的资料帮助分析和解决问题。由此可见，该项目不但将化工原理某一单元操作的重要知识点贯穿在一起，而且通过查阅文献，学生对原有知识进行了更新和扩充，在完成此设计实验的基础上，进一步与教师科研有机地结合在一起，参与到自主研究型实验——甲醇和醋酸的酯化反应精馏过程，引导学生利用模拟计算的方法初步确定最佳回流比、合理的甲醇过量程度，并通过灵敏度分析得出灵敏板的大概位置并实施实验操作，在这个训练过程中实现“CDIO”基于项目的学习和教育理念，学生把基础知识的获取以及科研能力的培养完全融入到该项目的实施过程中。endprint

三、以“CDIO”工程理念为中心激发创新思维

为了进行精品课程建设，经过多年的努力，实验室设计并加工了一系列配套优良的实验装置，同时依托学校引进人才的政策我们拥有了一支专业素养丰厚、教学质量优秀、具备团队协作精神的教师队伍。实验指导教师不同于理论课教师，他们直接与学生面对面，学生在实验过程中产生的新思路与新观念可以直接与教师进行探讨，因而需要指导教师在熟悉实验内容的基础上拓展知识体系，特别是对交叉学科以及专业研究的新动向要有所了解，只有不断进取创新的教师，才能激发创新的教育思维。为了构建基于“CDIO”工程教育理念的实践教学体系，我们对化工原理实验进行了开放式教学[4]。原来实验教学模式是四人一套装置共同完成实验内容，单独整理实验报告，现在我们改为二人一套装置协同完成实验内容，共同撰写实验报告。这种重组方式不仅避免了由于实验参与人数过多而使个别学生在实验过程中无法进行实际操作，只是站在一旁观察的现象，还能够充分调动两个学生之间的合作精神与主动性。化工原理实验需要处理大量的实验数据，学生共同编写数据处理程序完成实验报告，可以把更多的时间用于查阅文献资料、巩固专业知识、对实验过程进行深入了解并培养创新思维上。另一方面，为了能够综合、全面地对学生的实践能力做出正确评价，参照课程设计的方式以实验研究报告的形式替代卷面考核，以随机抽取实验的方式对学生进行实验技能考评，考察学生的工程实践与设计能力，培养创新意识。

四、结语

选择化工原理实验课推行全新工程教育理念是因为这门课程具备极强的工程性和实践性，并且还是化工类学生的主干课程。以多层次实验教学平台为依托，引入“CDIO”全新工程教育理念，在系统化基本理论教学的同时，全面实施学生对工程构思、设计、实施、运作等能力的培养，使学生初步具备解决分析工程实际操作问题的能力，不断实践和探索实验教学环节改革，突破我校原有化工原理实验教学模式，为卓越工程师培养计划提供更好的实践平台。

参考文献：

[1]陶勇芳，商存慧.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J].中国高教研究，2006，（11）：81-83.

[2]周锡堂，郑秋霞，邹纲明.化工原理实验教学中的几个问题[J].化工高等教育，2007，95（3）：45-47.

[3]张朝霞，吴杰颖，黄毅萍，等.研究型教学方法在化工原理课程中的应用[J].阜阳师范学院学报（自然版），2007，24（4）：84-86.

[4]李德莹，田毅红，等.化工原理开放性实验模式的研究与实践[J].广东化工，2007，34（2）：83-84.endprint