工程教育认证背景下化工原理教学模式的改革与创新

吴志国 杨宗政 曹井国 武莉娅 王春虎 郝庆兰

（天津科技大学化学工程学院，天津 300457）

随着社会经济的快速发展，对高素质工程人才的要求越来越高，传统的教学模式已经不能满足现代工程教育的需要[1]。现代工程教育的核心理念是以人为本，以学生为中心，关注学生的学习产出，是基于成果的教育（Outcome Based Education简称OBE）。OBE理念从1994年在美国教育界正式实施起，很多国家教育系统都进行了不同层面的推行和实践。为了推进工程教育改革、促进工程教育的国际互认、培养与国际接轨的中国工程师，中国工程教育认证协会提出了工程教育专业认证的质量标准要求，强调三个中心理念：产出导向的课程设计、学生为中心、持续改进的质量保障体系。我国于2016年6月正式成为了《华盛顿协议》的成员国，工程教育认证工作在我国多所工科类院校广泛开展，OBE理念也逐渐被广大教育工作者所认可和采用。

化工原理课程是大化类专业的专业基础课。它在基础课与专业课之间，起到承前启后的基础性作用。化工原理课程不但工程实践性强，需要学生学会解决实际工程问题，能够理论与实践相结合，而且该课程有着较强的理论与综合性，旨在培养学生的综合应用能力。基于以上化工原理课程特点，学生在接触这门课后，存在着学习兴趣和动力不足，缺乏理论联系实际能力等问题，普遍学习效果较差；另一方面，随着社会、企业对工程人才的实践能力提出更高要求，传统教学模式已经不能满足现代工程教育的需要，使教学模式改革迫在眉睫。教学模式改革首先需要在理念和教育导向上都要发生转变。本文将以化工原理课程教学模式改革中的几个要点为例来加以说明。

一、深刻理解工程教育理念在课程教学中的应用

以OBE理念为核心的工程教育体系主要由3个闭合循环组成，分别是校外循环、校内循环和课内循环，如图1所示。校外循环通过与应届毕业生座谈、对往届毕业生调查以及校外有关方面参与的社会评价机制，及时了解毕业生对自身能力的期望和社会对人才培养的需求，对本专业培养目标、毕业要求的达成情况进行评估，推进本专业的持续改进；校内循环是通过对教学全过程质量评价及效果反馈，促进教学活动和毕业要求的持续改进；而与教学活动有关的课内循环主要是通过对教学过程各个环节的不断提升来实现持续改进。3个循环体现了工程教育的实质，也充分反映了OBE理念，三者环环相扣，成为了一个密不可分持续改进的体系。校外循环提出要求，校内循环制定目标，课内循环则是具体地实施教学过程来实现目标和达成毕业要求的过程。因此，课内循环作为具体的实施步骤起着重要的基础性作用。

图1　OBE理念为核心的工程教育的持续改进机制

课内循环的教学活动过程主要包括了教学目标、课程内容、课程教学和课程评价等环节。如何在教学活动过程中不断完善和持续改进，实现真正的以OBE理念为核心的现代工程教育，就要改革传统的教育模式，实现新的课程教学模式的转变，如表1所示。教师需要改变“教”与“学”的模式，从传统的“以教为中心”改为“以学为中心”，改进教学目标，调整设计教学内容，采取灵活的教学手段和方法，从而来提高学生学习的兴趣和学习效果，逐渐使学生能够自觉学习，并能在教师的引导下不断提高学习的能力和个人素质，完成毕业要求的达成。进行“教”与“学”的模式改革要先从“教”改起，引导学生参与教学过程，形成良好的互动，促进“教学相长”，逐渐地达到“教”、“学”两方面互相促进、共同改变的目的。

表1　工程教育创新教育模式与传统模式的对比

二、合理改革课程教学模式

1.教学目标的改进

在工程认证教育背景下，化工原理的课程目标要满足学生毕业要求达成。因此，教师应尽力建立毕业要求与课程目标的联系，通过课程教学逐步达成毕业要求。首先，在毕业要求指标点中重视基本知识、基本原理的学习。所以在化工原理理论课学习中不仅是要注重各单元操作知识的学习，还要注重理解领悟化工原理的精髓——“三传”规律。将“三传”的基本理论及其相互联系贯穿到各单元操作中，系统地理解课程内容和正确地应用化工原理解决实际工程问题至关重要。其次，在毕业要求指标点中，要求学生具有对化学工程与工艺生产过程中的单元操作设备进行复杂工程问题分析和解决的能力。所以，在制定课程教学目标时就不能使学生只局限于会进行单一单元操作的设计型问题的分析处理，而应使学生能处理较为复杂的操作型问题或者由多个单元操作并行的复杂工程问题。此外，课程除了要培养学生具有扎实的科学基础、深厚的化工基础理论专业知识，能够在化工等相关领域从事科研、设计、开发和管理等工作的专业人才，更要培养具有良好的人文素养、团队精神和广阔的国际视野的专门人才。只有将以上教学目标做出相应的改进，才能符合毕业要求的达成。

2.教学内容的调整和设计

任课教师在指导学生学习化工原理的过程中，以课程目标作为出发点，需要将单元操作设计、计算和设备选型等诸多工程能力以及具备一定人文素养的毕业要求融入相关章节，从而需要进行传统教学内容的调整和设计。

针对学生基本知识、原理掌握不够扎实的问题，需要转变观念，以学生为中心。要深入浅出联系实际阐释理论问题，这就需要将书本上枯燥乏味的原理或公式通过设立新的情境，设定易于互动的教学环节来达到，学生听得有兴趣，教师讲得更生动，利于学生通俗易懂地学习知识、激发学习兴趣的目的。例如，在流体流动章节的教学中，复杂管路的分析是其中的一个难点，可以引导学生通过观察宿舍中多个水龙头出水量随用水高峰的出现而发生流量大小变化来理解分支管路中流量分配的特征，并可结合家庭装修中水管的合理选择和铺设等具体问题来理解流体流动阻力的概念；为了加深学生对于伯努利方程的深刻理解，可以列举和请学生互动讨论生活实例来说明能量转换的道理，比如飞机能够起飞的原理，足球运动场上运动员为什么能够踢出香蕉球。

要培养学生解决复杂工程问题能力，可以将化工原理的基础理论着眼于目前最新的设备设计和计算中，这也将成为课程教学新的落脚点。随着新的工艺和装备不断涌现，在新的工艺设备设计中，通过应用化工原理的基本原理和研究方法进行具体分析和推导，介绍设计所要遵循的规范性、创新性以及优化设计的必要性，使学生既了解典型设备工作原理和特点，又能关注到新设备的发展及其在化工设计中的应用。例如，“蓝藻水华应急打捞装置”本来是教师最新的科研项目成果，该装置包含了流体流动及输送机械、过滤、离心沉降等多个单元操作。该项目综合多个单元操作的联合使用，涉及到了工艺间的组合设计问题和工程计算问题，把该项目中的设备以多媒体形式展示给学生，并启发学生思考其中的原理和涉及的计算问题可以训练学生处理复杂工程问题的能力。

针对课程目标中要达到加强学生人文素养、团队观念等方面培养的目的，在教学过程中，不但要培养学生的工程观点，也要通过工程案例剖析或介绍工厂实际情况的方式，在潜移默化中向学生传递工程技术人员应有的职业道德和社会责任的信息。例如在讲述吸收单元操作时，工程设计中要考虑到废热以及吸收剂的回收利用问题，说明作为工程设计人员不但要设计出合格的单元操作设备或过程，也应具有社会责任感，尽量做到节能、环保。

通过以上化工原理教学中内容的调整和教学设计能够使化工原理内容做到既注重深厚系统的化工基础理论及专业知识，又与时俱进地扩展或外延教学内容，同时注重人文素质培养，从而为培养出能够在化工领域从事研究、工程设计和新技术开发的专业人才打下坚实的基础。

3.教学方法的灵活运用

教学方法是教学内容的载体，如何更好地承载教学内容，更容易让学生接受，并能够融会贯通是一直以来化工原理教学方面的难题。教育工作者做出了很多尝试和努力，也得到了一些卓有成效的成果和经验[2-3]。大量新的教学方法手段不断涌现，使传统的教学方法和模式发生着巨大的变化，如互动式教学法、问题启发教学法以及项目驱动教学法等等。不论何种教学法，都在进行着传统的课堂上以教师为中心向学生为中心的转移，改变了传统的以课堂教学传授知识为目标的教学模式，而替代为以学生学习和体验为主题，从而提高了学生学习的自觉性和主动性。

笔者在教学过程中就尝试了项目驱动法[4]，并且取得了良好的教学效果。项目驱动教学法以学生为主体，将复杂实际工程问题设置于项目之中，学生在主动完成项目过程中，不但强化了对化工原理理论知识、基本原理学习，而且培养了工程观念和团队合作能力。在教学活动中，合理选择项目是化工原理项目驱动教学的关键，不但要兼顾提高学生学习兴趣，也要能够达到培养学生工程实践能力与提升综合素质的目的，并且要注意因材施教。针对化学工程与工艺专业，设计了经典的项目“精馏回收乙醇-水混合物系中的乙醇”，为化工原理课程设计做了铺垫；针对生物化工专业，设计的项目为“萃取法提取葡萄籽中的花青素”，为后续的生物分离工程专业课的学习打下了基础；针对环境化工专业，设计了“二氧化硫尾气的吸收法脱硫”项目，从而将环保理念与典型吸收单元操作相结合。以上所述项目设计均与学生专业相结合，培养学生运用理论知识解决专业实际问题的能力，也为学生后续课程学习奠定了基础。学生不但从知识能力层面得到了巩固，也达到了锻炼学生的组织能力，交往能力，表达能力以及团队合作的能力，并培养学生具有工程技术人员应有的职业道德和社会责任。因此，项目驱动教学法作为重要的教学手段很好地体现了工程教育理念，在化工原理教学中表现出较好的应用效果和实践价值，值得进一步地借鉴和推广。

4.教学效果评价方法的多样化和有效性

课程考核既是对教学效果的评价，也对学生学习起到督促和导向作用。优化考核方法应从专业认证的要求出发，明确课程的教学目标，以教学目标确定考核的内容。在明确考核内容的基础上，课程考核应能够做到全方位、多层面地评价课程教学效果。首先，常规的笔试形式采用简答、计算等多种题目型式，主要考核基础理论知识和基本原理的理解和应用。其次，课程成绩评定参照平时成绩，平时成绩可以体现在作业完成情况和学生在学习过程中的表现，可布置一些相关的小论文写作来拓展能力。再次，也可以尝试采用适合不同教学方法的多种考核方式，如前文提到的项目驱动教学法就可以采用答辩、汇报、成果展示等形式，从而能够将工程实践能力纳入考核成绩的评定中去，其中还包括了沟通能力、合作精神、职业道德、创新思维等方面的考察，但是这方面学生能力不易量化，考虑可以通过自评、互评和投票的方式来体现。此外，还可以鼓励学生参加相关兴趣团体活动，参加大学生相关专业竞赛如化工设计大赛等，并根据学生取得的成果及掌握的知识能力情况适当给予课程评价。最后，根据多层面、全方位的评价体系，综合给出课程的总成绩。教学评价方法多样化有利于使成绩能真正反映出学生对该门课程的掌握以及能力提升情况，以及满足毕业要求的达成情况。

三、结束语

通过工程教育专业认证，可以明确工程教育专业质量的国际标准和基本要求，促进高校和专业突出特色和优势，还有利于发现高校相关专业教学过程中的薄弱环节，促进科学规范的教学质量管理和监控体系的建立。同时，开展工程教育专业认证工作能够与国际注册工程师制度相衔接，也是注册工程师制度实施的前提和基础，能确保学生在国际就业市场享受同等对待[5]。

为了达到认证的要求，实现真正的以OBE理念为核心的现代工程教育，课程教学模式改革势在必行。本文以专业认证为导向，将化工原理课程作为实例，提出了如何开展符合工程认证的教学模式改革的建议，以期为探索如何根据专业认证的相关要求来开展课程改革提供借鉴。