基于新工科理念的化工设计课程改革与实践

赵升云 范荣玉 吴方棣 谢文菊 孙兴

摘 要：为适应新产业、新经济对高素质复合型“新工科”人才需求，以工程能力和综合素质培养为主线，融入过程模拟与优化、仿真式案例化教学、化工设计竞赛等实践环节，推进了化工设计课程改革，形成了理论教学与创新应用相结合、课堂学习与课外竞赛相结合的全过程、多环节、一体化的教学体系，着力培养学生的工程设计和实践创新能力。

关键词：新工科；化工设计；课程改革；实践

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）23-0136-03

Abstract： Engineering ability and comprehensive quality training are highly valued in order to meet the demand of fostering high-quality compound "new engineering" talents in new industries and new economy. Process simulation and optimization， simulation case teaching and practice of chemical design competition are integrated into the reform of chemical engineering design courses.A whole process， multi-link and integrated teaching system has been formed， which combines theoretical teaching with innovative application， classroom learning with extracurricular competition. Students' engineering design and practical innovation capabilities are well-trained.

Keywords： new engineering； chemical engineering design； course reform； practice

新时代推动了新经济的发展，新经济发展呼唤“新工科”建设。2017年以来，教育部启动和推进了新工科研究与实践项目，为地方性应用型高校适应区域经济发展和产业转型升级提供了新的发展机遇和改革模式。武夷学院作為国家产教融合发展工程应用型高校和福建省示范性应用型本科高校，深入学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想，坚持以本为本推进高等教育“四个回归”，打好提升质量、推进公平、创新人才培养机制的攻坚战。武夷学院把“新工科”建设作为引领高等教育改革的有力抓手，用实功、出实招、求实效，以只争朝夕、时不我待的精神积极推进适应区域经济发展的应用型新工科建设。其中，化工工程与工艺专业是学校推进生物资源利用专业群建设的重要转型专业之一。

为适应新经济发展和新工科建设需要，学院将《化工设计》作为应用型人才培养体系改革的重点课程进行建设和示范，组建了“过程控制与工程设计”教学团队，按照“理实一体、虚实结合、工学融合”的三阶段化工人才专业培养路径，不断强化学生的工程实践、设计与创新能力。

一、构建一体化课程体系

化工设计类课程不仅有化工原理、化工工艺学、化工机械设备基础、化工仪表及自动化、化学反应工程、分离工程等专业课程，还有环境工程、化工安全与环保、工程核算、计算机辅助设计等课程，这些课程相互独立又相辅相成：有的注重专业基础知识，有的注重工艺设计，而很多的理论知识和设计规范都是化工设计类课程的必学内容[1]。传统的化工设计类课程以理论教学为主，课堂学习单调枯燥，学生很难将理论知识用于实处，在提高学生专业素养和培养实践能力方面存在很多的不足；冗余的课本知识，造成了教学教育资源的浪费，也给学生带来一定的学习压力。

课程团队在对教学资源进行不断整合优化的基础上，将理论教学和实践环节有机结合，将理论教学内容整合为设计内容与程序、工艺流程设计、化工工艺计算、车间设备及管道布置设计、化工安全与环境保护、工程概算与技术经济六个单元模块，注重强化Aspen Plus工艺流程模拟与Auto CAD等计算机设计软件应用。在此基础上，建设了《化工设计》精品资源共享课程在线开放课程资源，拓展了化工设计竞赛平台，实施仿真式、案例化实践教学，构建了“课内课外、理实结合、竞赛提升”的全过程、多环节、一体化的课程体系（如图1），为学生创造更多的实践和锻炼的平台和机会，促进学生工程设计和实践创新能力的提升。

二、融入仿真实验教学

当前的化工设计类课程以课堂传授灌输为主，主要的教学方式是课堂教学，学生学习方式被动单一，学生缺乏自主探究、交流合作的机会；教师负责教，学生负责学，学生只能跟随教师学，复制教师讲授的内容，学生参与课堂的积极性不高；学法单一、过程单一，理论性太强，枯燥又乏味，容易使学生丧失了学习的主动性、自主性和创造性。

强调以学生为中心的工程教育理念，依托省级绿色化工技术虚拟仿真实验教学中心教学资源，利用虚拟仿真技术改革教学方法与手段，采用“做中学，做中教”教学模式，将实践教学引入到理论教学中，又可将理论知识用于实践，充分发挥学生主观能动性，调动学生讨论研究和自觉学习的积极性[2]。

学院建设了绿色化工技术虚拟仿真实验教学中心，构建了化工单元仿真、工艺模拟与优化、化工过程控制、典型化工厂3D虚拟仿真实习、化工安全虚拟仿真体系和合成樟脑生产半实验虚拟仿真工厂等虚实结合的仿真实验教学体系，全部对学生开放，可实现在线、离线操控。学生在具体化工设计过程中，可通过模拟软件进行操作与实体仿真设备相结合，针对不同化工单元过程或工艺流程，运用仿真系统模拟优化具体工艺参数。如化工分离过程的精馏过程，可通过运用虚拟仿真技术DCS控制系统，动态模拟精馏段的温度控制，以及回流量、馏出液量及塔内蒸气量的调节变化情况，能使学生将模拟结果进行实际验证，加深对工艺过程和参数变量对运行效果影响的理解，亦可进一步用于指导工艺设计。通过虚实结合方式，更加贴近真实化工生产工艺，实现模拟与仿真的零距离对接。进一步激发了学生的工程设计兴趣和主观能动性，收到理论教学难以实现的直观模拟仿真效果。

三、融入学科设计竞赛

化工设计竞赛，不仅要求学生能综合运用化工热力学、化工原理、化学反应工程、分离工程等专业理论知识，还要能熟练使用Aspen Plus、CAD等计算机软件；对学生的工程实践能力、工艺设计理念，特别在新工艺、新设备、节能降耗等方面的创新思维能力提出了更高的要求；对学生的团队协作精神、吃苦耐劳和坚忍不拔的毅力也提出了更为深刻的要求。

设计竞赛是联系课程教学与实践创新的有效手段，是激发大学生学习动力的有效载体。近年来，依托化工设计竞赛平台，推进“以赛促教、以赛促学、以赛促育”的教学改革成为高校化工类专业教学改革研究的重点，通过竞赛过程可以促进师生深入交流，完成理念和意识上的创新和专业技术的成长，实现由大学生向工程师的角色转变[3-6]。学院每年组织开展大学生科技节竞赛活动，其中化工设计大赛成为培养学生工程素养和创新能力的固定竞赛项目。竞赛以项目为载体，参赛团队5人一组，团队成员分工协作完成项目的可行性分析、工艺流程设计、物料及热量衡算、设备选型、车间设备及管道布置设计、环境保护设计等设计内容，还要综合应用Auto CAD、Aspen Plus、CADWorx等计算机设计软件，完成工艺流程模拟优化，PID/PFD工艺流程图、车间设备管道平剖面布置图和三维工厂设计等设计图纸，通过现场答辩汇报、设计文件评阅等考核方式，评选出优秀作品予以表彰。学院2016年第一次组队参加全国大学生化工设计竞赛，连续3年参加该赛事，取得良好的实战效果，获得全国化工设计竞赛二等奖三项。融入学科竞赛的化工设计模式，有利于提升化工类专业学生的理论分析能力、工程实践能力和综合分析能力，更有助于培养学生团队协作精神，提高解决复杂工程问题能力和创新应用的综合能力[7]。

四、融入企业案例教學

党的十九大报告提出要实现高等教育内涵式发展，“深化产教融合，校企合作”。高等教育改革与发展的实践证明，应用型高校的转型升级必须遵循开放办学的基本理念，走“产教融合、校企协同”的道路，促进教育、人才、产业、创新的相互融合。依托产业结构升级和新产业发展，面向未来建设高水平应用型高校[8]。深化产教融合，校企合作，推进协同育人，是地方性高校应用型人才培养模式改革的重要举措，对培育经济发展新动能也具有重要意义。

在新时代、新经济、新产业背景下，学院在“因产业而生、因行业而长、因专业而新”的办学过程中，深刻体会到推动产教融合、校企合作的重要内涵。近年来，学院积极推进生物产业学院和应用型专业群建设，加强与企业合作，让学生所学理论知识与企业实践结合起来，让学院和企业的设备、技术实现资源共享、优势互补，提高教书育人的实效性，提升应用型人才的培养质量：先后开办了青松班、永晶班、华塑班等校企联合培养班，一些经验丰富的企业专业人员作为兼职教师走进课堂，一批具体真实的企业设计案例融入教学资源，同时企业还提供实习基地、设备和原料，参与学生实训训练。如福建青松股份有限公司的合成樟脑生产工艺，福建永晶科技有限公司的氟化工及氟新材料生产工艺成为化工设计课程教学的重要案例资源。课程团队采用理论教学与企业案例相结合的授课方式，校企双师同上一门课，校内教师侧重于专业理论教学，企业教师侧重于单元案例教学。从项目前期工作、工艺路线选择及流程确定、关键控制变量和设计参数选取，到设计图纸点评等教学内容，案例教学终贯穿于整个化工设计课程教学全过程。融入企业真实项目的案例化教学方式的改革，改变了以往设计阶段各自独立，缺乏项目设计整体性和系统性等问题，同时也有利于弥补校内教师的工程意识缺乏和设计经验不足等问题。对比传统理论教学方式，案例教学让学生更容易接受，更积极参讨论交流，有助于学生巩固、加深课堂所学知识，使自己真正融入到设计过程中，增强实际工程应用的能力。加强校企合作，深化产业融合，有利于应用型高校培养高素质人才，有利于企业吸收高校产出的人才和科学知识提升自身产业的市场竞争力，更有利于形成校企合一，产教结合，校企共进，互惠共赢的良性教育模式[9]。

五、促进创新创业教育

《化工设计》作为化工专业一门重要的专业技术课程，是把一项化工过程从设想变成现实的一个建设环节，课程内容涉及多门学科的知识，例如新工艺新技术新产品开发、工艺过程模拟与优化、计算机辅助技术、设备选型、市场分析、工程经济和安全环保等相关专业知识，其工程实践性、专业综合性和创新系统性较强[10]。在化工设计过程中融合了多方面的知识，想要提高学生的化工设计能力，就必须让学生能够将所学的理论知识融会贯通，通过本课程的教学和实践环节一体化训练，开展创新创业训练等方面提供良好学习的平台，理论知识可以用诸于工程实践，有助于培养学生的工程素质，提高专业核心能力。

2015年，学院的《化工设计》课程被列入福建省高等学校精品资源共享课（创新创业教育与专业教育融合类）立项建设，是促进专业教育和创新创业教育融合的较理想的专业核心课程。几年来，通过推进产教融合专业群课程资源案例库建设，不断丰富和完善本课程的创新创业教育资源。同时，全面开放绿色化工技术虚拟仿真实验中心工艺设计实验室、工程技术研究中心和院士工作站等创新平台，学生积极参与教师科研课程和服务产业项目开发，结合开展毕业设计、科技竞赛和创新创业项目训练，全方位培养学生的创新精神、创业意识与创新创业能力，收到了良好的实践创新效果。

六、结束语

经济事业的发展推动教育事业的发展，教育事业的发展又反过来促进经济进一步发展。教育事业的蓬勃发展需要不断的教学改革，而作为教育教学改革重要内容之一的课程改革则是一个漫长而复杂的过程。化工设计课程的教学改革应结合地方产业，课堂理论知识联系实习实践、生产实践，以服务地方产业为目标，以培养学生的工程实际能力和自主创新能力为出发点，以社会企业需求为依据，在培养与时俱进的高素质“新工科”人才的同时，带动学院完成应用型转变。

参考文献：

[1]史鹏，杨昕，李凌飞，等.项目式教学改革在化工设计类课程群中的应用[J].化工设计通讯，2017，43（11）：137.

[2]王淑波，彭琳.以培养学生核心能力为目标的化工设计教学改革与实践[J].广东化工，2018，45（1）：314-215.

[3]姚运金，陈浩，魏凤玉，等.依托化工设计竞赛平台促进创新型人才培养[J].化工高等教育，2017（6）：10-13.

[4]李勇刚，张宏，张爱华，等.基于学科竞赛模式的“卓越工程师教育培养计划”研究[J].中国校外教育，2017（11）：15-20.

[5]薛丽君.大学生化工竞赛对化工专业课程教学改革的促进作用[J].当代化工研究，2017（8）：62-63.

[6]肖瑞瑞，杨伟，鞠彩霞.基于地方普通本科高校向应用型转变要求的化工设计教学改革与探索[J].广东化工，2018，45（1）：222-223.

[7]张运华，袁颂东，闵捷.全国化学设计大赛对化工专业教学改革的促进[J].广州化工，2018，46（7）：144-145.

[8]夏建国.深化产教融合加快建设高水平工程应用型大学[J].中国高等教育，2018（2）：25-26.

[9]崔艳明.应用型高校校企合作研究[J].经营与管理，2018（1）：157-160.

[10]刘垚，韩志慧，钱永，等.适合应用型人才培养的《化工工艺设计》课程的教学方法和措施[J].广东化工，2018（2）：220-220.