化工设计课程的教学改革与实践

彭 啸 吴 燕 张晨曦 李沁然 闫方友

（天津科技大学化工与材料学院，天津 300457）

化工设计是化学工程与工艺专业的主干专业课程之一，同时也是本科阶段学习中最具综合性的课程，几乎涉及了所有专业主干课的基础理论知识。课程要求学生综合运用已学过的专业基础知识，讨论化工工艺过程和设备的设计及化工厂设计问题。该课程是将专业理论与工程实践紧密结合的课程，着重培养学生利用专业知识解决实际工程问题的能力[1-2]的同时提升学生的思维能力和工程能力。

目前，化工设计课程普遍开设于各院校化工专业的高年级阶段，用以整合凝练物理化学、化工原理、化工热力学、化工分离工程和化学反应工程等先修课程的理论知识。在工程应用的场景下[3]，化工设计课程可体现复杂工程问题中化工理论的运用。所以，熟练掌握化工设计类课程对学生顺利步入生产和研究工作具有很大的帮助。

一、化工设计的课程特点及教学现状

化工设计课程的教学质量关系着工程应用型人才培养的目标与需求的达成度，同时对本专业教学发展的延展性具有较大影响[4]。但是，诸多院校专业的化工设计课程的授课情况仍有较大改善空间。主要在以下几个方面。

第一，由于与先修课缺乏衔接，且与后续实践考核的结合不够紧密，化工设计的课程基础有待进一步巩固。

第二，课程内容主要依托于教材，且教材更新频率较慢，因此课程内容急需更新和补充。

第三，虽然化工设计课程实践性较强，但课程主要依托于课堂教学的形式，且考核方式单一，教学和考核方式需要改善。

第四，为保证课程教学质量，青年任课教师的教学能力及工程实践能力[5]亟待增强。

基于以上可能普遍存在问题，在本学院及专业的教学改革和学科工程认证的大背景下，为进一步提升化工设计课程的教学质量，强化化工人才专业能力，本专业的化工设计课程需做出针对性的改革。

二、课程改革方案及实施

1.夯实课程基础

作为一门理论与工程实践相结合的课程，化工设计对教学实践环节具有较高的要求。目前，大多数高等院校的化工设计课程均未对化工设计安排工程实践课时。尽管化工设计的教学对象为高年级本科生，在先修课学习中有一定的积累，但对于单元操作的衔接、工厂车间设备布置、生产线开停车等内容，缺乏深刻的体会和感性认识，这也是造成学生缺乏兴趣、课堂吸收效率差的主要因素。在化工专业本科生培养过程中，均安排了化工生产企业的现场实习环节，以作为化工实践的重要先修课。但在实习环节中，由于各院校专业与企业的沟通成本较高，企业难以向化工专业本科生提供完备实操条件，难以保证本科在实习环节获得高质量的实习锻炼。

本专业教师下大力气夯实课程基础，不断提升原有先修课程中的实践质量，尤其是着重提升实习环节的课程目标达成质量，进而加强学生对化工设计对象的认识和理解。本专业低年级生的生产实习环节[6]是化工设计先修课中的主要支撑，同时为强化生产线、车间、工厂等设计主体在学生头脑中的客观意识[7]起到重要作用。在本专业工程认证的大背景下，本着立足新工科建设、着眼实践能力、体现工程特色的原则，本专业对化工设计这一课程的培养目标、授课内容、考核方式等方面做出了深入的优化和调整。与此同时，也为实习环节赋予了更为清晰的定位，要求学生通过参加生产实习达成以下目标：具有工程实践经历，熟悉化工品相关的技术标准、知识产权、产业政策和法律法规，了解企业质量管理体系；了解国家的环境保护和社会可持续发展相关的政策和法律、法规；能够正确理解团队的重要性，能主动与其他成员共享信息，合作共事。课程改革后，生产实习环节对学生的专业能力、工程能力[8]、团队合作能力的要求均有提升，因此可以为后续的化工设计打下更为坚实基础。此外，本专业对生产实习基地及实习环节的具体内容进行重新优化和选择。通过院系教师的不断努力，对多个实习基地进行了优选，最终确定一石化企业培训中心作为生产实习基地。该实习基地具备全套实操设备，由实际生产设备改造而成，配有全套DSC系统。在保证安全实习的基础上，可进行开/停车的实操实训以及考核。实习过程包括入岗安全培训、厂区全面参观、仿真模拟生产、教学生产线实操等环节，最终在车间技术人员的指导下完成生产线开停车实操考核。确保实践质量是化工设计先修课中最有力的支撑，能够促进学生对化工设计的主体建立更为直观、感性的认识[9]。为了强化化工设计的教学效果，在本专业毕业设计过程中，提高了工艺流程设计要求、车间平立面布置图等图纸绘制的要求。通过以上措施，进一步加强了学生的工程实践能力，形成了连续的课程的后效应，建立了“以实习创认知、以课程授内容、以毕设促应用”的良性循环。

2.完善课程内容

化工设计课程虽备受重视，但课程教学资源仍有限，教材内容覆盖面及更新速度不能满足新时代发展的要求[10]。针对上述问题，在本专业化工设计的教改过程中，课程内容作了多方面补充。首先，化工设计课程中引入设计认知实践教学。在开展章节教学内容之前，以视频的形式展示设计主体内容。其次，引入化工厂设计中的失败案例的教学。在每个重要的知识点的教学中，找到相应的失败设计的案例，强调设计失误所带来的严重后果，提升学生的危机意识，明确化工设计对于安全生产以及企业利益的重要性。最后，将部分化工设计所必须参考的相关国标纳入课程体系。国标是化工行业中最关键的指导性文件，也是学生步入相关行业工作中所需要认真研读的重要资料。化工设计相关国标内容，既丰富了教学内容，又对教材中不满足现行要求的内容进行了对比更新。例如：课程中《工厂车间布置设计》章节，课本中所涉及的内容有限，远不足以满足学生从了解到精通的需求。此外，此部分内容中的行业设计原则和国家标准会随着时间的推移发生改变。因此，本章节教学过程中，将《化工工厂初步设计文件内容深度规定》（HG/T 20688-2000）、《化工工艺设计施工图内容和深度统一》（HG 20519-2009）以及《化工装置设备布置设计规定》（HG/T 20546-2009）等国标，选定为补充教材，作为课上设计示范的依据，同时也作为课下作业的设计参考。综合以上三方面措施，化工设计课程的内容得到多方面补充，使得学生在课程学习中涉及更多的工程应用内容，工程能力和应用能力也得到了更大程度的提升。

3.改善教学方法

本专业教师对化工设计的教学方法做了深入的改革。以课程目标改革为突破口，本课程确定的课程指标点为以下几个：首先，能运用数学、自然科学和工程科学的基本知识和原理，结合文献研究，分析化工过程的影响因素，证实解决方案的合理性；其次，能够结合安全、法律、环境、伦理等现实约束条件，对设计方案进行可行性论证；再次，能够集成单元过程进行工艺系统设计，对设计方案进行优选，体现创新意识；最后，具备化学工业中的工程管理与经济学相关知识，在化学工程问题分析中运用工程管理和经济决策方法，并能在多种技术环境中应用。由此可以看出，改革后的化工设计课程对学生的基础知识、工程创新意识、工程经济决策能力等方面均有较高的要求。所以，基于以上课程能力要求，课程教学方法应做出对应的改革。

与大多专业课相同，化工设计也以课堂教学的形式为主，即传统的“老师主动教、学生被动学”的模式[11]。在此教学模式下，教师按照规定的教学内容，通过讲解演绎的方式，向学生传达需要掌握的内容，提升学生对课本上理论知识的理解效率，是目前最为普遍且相对高效的教学形式。但是不可避免的，该教育模式具备缺乏课堂互动性、学生丧失学习主动性、教师缺少内容反馈性等一系列缺点。如上所述，化工设计课程具备实践和应用属性，需要在课程讲授的基础上增添实践反馈环节。针对此问题，本专业的化工设计课程做了相应改革，即在对应章节内容的授课环节中，添加了以课堂作业为载体的互动问答模块。课堂上，完成常规讲授教学模块后，布置一简单设计任务或展示并讨论一设计案例，作为课堂作业当堂完成，而后通过课后老师评分、师生互相提问、设计评价等方法，训练并考察学生是否灵活运用该章节内容中的知识点。此外，辅以上述提到的化工行业标准等新增教辅材料作为参考文件，在培养学生思考和创新能力的同时，加强对化工设计能的规范性和合理性训练。所以，在改革教学方式的基础上，课程的考核方式也得到丰富，该课堂作业环节的评分也将作为总成绩中重要的一部分，这也意味着课程评价体系也将更加完善。

4.提升教师水平

目前，院校化工专业青年教师人数不断增加，但具备完善工程背景的青年教师的数量仍旧不能满足需求。在诸如化工设计等需要体现工程实践能力的课程中，任课教师的工程实践能力也将严重影响课程目标的达成情况。一方面从工程类课程教学的角度出发，另一方面为了优化院系内具备工程实践能力的人才结构，并弥补青年教师普遍存在的教学能力短板[3]，本专业的每位青年教师均有一位资深教师对教学能力进行辅导，使其快速适应教学工作环境并提升教学能力。在此过程中，青年教师以助教的形式参与老教师的教学过程，夯实教学基础。此外，青年教师全程参与老教师的毕业设计指导，在掌握课堂教学的基础上，增强对学生的针对性指导能力。在具备基础教学能力的前提下，全学院内参与工程实践类课程教学以及指导毕业设计的教师需参与专题学习。学院多次聘请化工生产和化工设计领域内专家以及校内自身督导，就化工设计问题进行多次专题培训。此外，为了提升青年教师的工程应用水平，要求新入职教师参加本科生专业实习实践过程，并提前接受实训基地工程师的专业指导。在全程参与实习基地走访和实习实训指导的过程中，培养了青年教师的工程实践水平。以上措施在不同层面上促进了青年教师的工程实践能力的提高，同时提升了教师的授课水平，从而保证了化工设计课程的教学质量。

三、结束语

化工设计的教学效果将直接影响学生的设计能力和工程思维，对未来国家化工行业的整体发展具有重大意义。化工设计课程的改革是适应当前经济社会发展需求和学生全面发展需要的基本保证。通过一段时间的改革实践，不仅提升了相关化工设计课程的教学效果，更是在不同层面提升了学生的设计能力、绘图能力及工程思维等能力。今后，还要不断总结改革与实践经验，继续以教学改革为手段全面提升学生的工程应用能力，达到新时代经济社会对人才质量的要求。