以新工科理念为指导的化工设计课程教学研究与改革

王立成 ， 尹晓红 ， 范文元 ， 孙 喆

(天津理工大学 化学化工学院 ， 天津 300384)

0 前言

化工专业的学生不仅要具备扎实深厚的理论知识，还要具有多学科知识交叉应用能力、操作和设计的实践能力、工程意识和创新精神，以及国际视野和竞争意识。因此，我国高等工程教育的培养模式和课程体系急需改革。2016年，教育部首次提出了新工科理念，并先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”三个指导性文件。从“新理念”“新结构”“新模式”“新质量”和“新体系”五个方面阐述了新工科建设的深刻内涵，即以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[1-2]。为了适应新工科建设的要求，化工专业的教育模式和培养体系必须打破桎梏，改革创新，适时发展。

1 化工设计课程存在的不足

化工设计是将实验室的科研成果转换为现实化工产品的桥梁和纽带。化工设计课程是化工专业的主干课和必修课，是利用相关课程的理论知识和专业技能，确定生产采用的工艺流程，利用流程模拟软件完成工艺流程的物料衡算和热量衡算，以此为基础进行装置的选型和设计，完成装置在车间的布置和管路铺设，并对工艺的安全、环保和经济型进行评估。课程具有标准规范多、知识面广、工程实践强的特点[3]。旨在培养学生综合利用所学知识解决实际工程问题的能力，增强学生的工程意识和创新精神，具备化学工程师的基本素质和行为准则。对照新工科建设的要求和新形势下人才培养模式的变化，对化工设计课程存在的问题进行分析和梳理，发现该课程还存在一些不足。

1.1 课程思政建设重视不足，立德树人效果不突出

目前化工设计课程重心在专业知识的教学上，没有正确认识知识传授与价值引领之间的关系，不重视课程思政的引入。即使能引入一些思政教育，但没能将教学内容与思政元素灵活融合，导致思政教育亲和力不强，针对性不足，不能促进学生思想道德的提升，也降低了学生的学习兴趣，起不到“润物细无声”的效果，没有达到立德树人的更高要求。

1.2 课程内容不合理，学时压缩严重

目前的教学只能介绍化工设计的一般过程和基本原理，教授的内容是浅尝辄止，学生的学习也是“走马观花”。学时的限制导致教学内容深度不够，对于学生设计能力的提高和工程意识的培养不利。化工设计的过程是遵循国家设计规范的过程，设计过程中要查阅众多的设计规范。但目前的化工设计教学没有介绍国家设计规范，对于如何查阅和使用设计规范，如何在设计规范规定的范围内自主设计缺乏认识，不利于学生规范意识的培养和工程师素质的积累。化工设计要用到很多的设计软件，受限于学时，对于各类软件的介绍和使用不能讲授，对于后期学生的毕业设计及各种化工设计竞赛的参与极为不利。

1.3 设计实践教学不足，学生综合应用能力差

化工设计是一门涉及多学科知识交叉应用的课程，是在“四大”化学、化工原理、化工热力学、化工机械基础、反应工程、化工制图等课程的基础上，综合应用基础理论知识和专业技能，解决实际工程问题的学科。现在的化工设计教学仍是重理论、轻实践，忽略了该课程的工程性和实践性的特点。由于大多数教师缺乏工程设计经验，在授课过程中，没有案例教学的应用，不能通过实际的化工工艺设计过程讲解，阐述设计原理和工程经验，学生没有参与感，无法激起学习兴趣。课程没有配套的设计实践环节，可以让学生通过多人合作，利用所学知识亲身参与具体工艺流程的设计，各学科综合应用能力较差。

1.4 考核方式形式单一，无法反映学生综合能力

化工设计是一门实践能力要求较高的课程，理应重视对学生多学科交叉应用能力和工程设计实践能力的考核。但目前的考核方式与其他的课程无异，分两部分：一部分是平时分，主要看学生的作业和课上回答问题情况，占20%；另一部分是期末的闭卷考试，主要看学生对重要知识点的掌握能力，占80%。这种考核方式，考察的是学生的记忆能力，无法反映学生利用所学知识进行工程设计的能力，与培养学生创新意识和工程意识的教育目标不一致，也无法激发学生的学习兴趣和挑战意识，与新工科理念不一致。

2 化工设计课程改革

针对化工设计课程存在的不足，以新工科理念为指导，以立德树人为引领，强化化学工程与技术专业学生的工程意识与实践能力，培养多元化、创新型卓越工程人才，对化工设计课程提出一些改革措施。

2.1 加强课程思政建设，提升学生道德水平

化工设计课程要讲授很多工程设计实例和化工生产现状，蕴含大量的思政元素，我们在传授知识、提高学生设计水平的同时，挖掘其中的人文情怀和科学精神，引领学生形成正确的人生观和价值观。在介绍化工厂建设过程的内容时，引入一些著名化工设计工程师的感人事迹，激发学生爱国情怀和吃苦耐劳、无私奉献的精神。在介绍一些通过我国学者改进获得提升的工艺流程时，讲述研究者在科研道路上的奋勇拼搏、勇攀高峰精神，培养学生的民族自豪感和热爱科研的追求。通过介绍智慧化工园区和绿色可循环工业园区的技术和建设，让学生节约能源，珍惜自然资源，培养学生发展绿色化工、重视环境保护和与自然和谐相处的新化工理念。在讲授化工装置的选型设计环节，穿插介绍我国在机械制造业领域取得的巨大成就，培养学生的工匠精神和爱国意识。在介绍化工安全与环境保护方面的内容时，结合“3·21”响水化工企业爆炸事故、“4·17”太原化工厂爆炸事故及太湖水污染事件，强化学生遵纪守法、关爱生命、重视环境保护的意识，培养学生的工程伦理，提升职业素养。

通过具体实例的讲解，实现思政教育与专业知识传授的高效融合，使价值引领不突兀，学生接受不排斥，同时激发了学生的学习兴趣，真正起到“润物细无声”的教育效果，促进学生的思想道德提升。

2.2 增加课程学时，完善授课内容

针对化工设计课程32学时的不足，将授课时间增加到48学时，同时改革教学方法，完善授课内容。由于课程涉及的理论知识较多，而学生的工程经验不足，单纯讲授书本知识，学生的兴趣不大，知识接受起来也较为晦涩，达不到较好的学习效果。所以，在改革中，将设计理论与工程实际案例结合，通过具体案例的应用分析，加深学生的知识领悟能力，达到学以致用的效果。

化工设计过程要遵循很多的国家标准和行业规范，为此，专门拿出两个学时，介绍设计过程各个环节需要遵循的标准和规范，并对其主要内容作讲解。同时，在讲授其他设计内容时，穿插介绍标准和规范的应用。

为了弥补化工专业教师非工化的不足，专业鼓励设计院和企业专家进入课堂。化工设计课程邀请天津化工设计院、中国天辰工程有限公司、天津海水淡化所等企业的专家学者，定期为化工专业的学生讲授相关领域的研究进展和化工行业的现实状况，使学生开阔视野，了解化工企业的生产管理，为今后的科研深造、工作就业指明方向。

2.3 增设设计软件教学和仿真实训历练

完成一项化工设计需要很多设计软件的辅助，化工设计软件的引入体现了设计水平的提高。为此，化工设计课程专门拿出一些学时介绍设计各个阶段需要的辅助设计软件。对一些较为重要的软件还进行实例操作讲解。同时，学院购买了流程模拟软件Aspen Plus和50台电脑，建立了流程模拟教学室。学生在课堂学习后，再进入模拟教学室练习。通过实例教学，使学生快速掌握软件的使用方法。学生亲自动手完成一个个工艺流程模拟实例，掌握了设计软件的使用方法，加深了对化工知识的理解，也对化工生产过程有了更直观的认识。

为了使学生了解真实的化工生产过程，学院建立了化工虚拟仿真中心。仿真体系包括化工单元操作仿真、化工过程控制仿真、化工安全仿真和工艺流程模拟优化仿真。学生通过仿真体系的DCS控制系统，控制原料进料，调节操作温度、压力，优化产品质量，为今后进入化工厂实习或工作奠定基础。

2.4 加强设计实践训练，提高设计水平

为了提高学生的化工设计水平，培养学生的工程意识，在课程学习中增加了两项设计实践训练。实训一要求学生按照教师指定的生产工艺，选择合适的生产装置，按照流程的组织原则确定装置的连接方法，明确装置的操作条件，完成装置的自动控制设计。同时提交带控制点的工艺流程图和主要装置的设备条件图。实训二将学生每5人为一组，完成一种工艺流程的设计。通过Aspen Plus模拟软件，完成工艺流程的物料衡算和能量衡算，以此为基础进行装置的选型设计，车间布置设计、车间管路设计和厂区布置设计。要求学生利用Auto CAD 绘制带控制点的工艺流程图，车间布置图、车间管路图和厂区布置图。完成设计后进行答辩汇报，由每组组长介绍流程设计过程每个组员完成的工作，取得的成果，并由教师对汇报中的一些问题进行提问，组员进行解答。通过这两项设计实践训练，锻炼了学生综合应用各学科知识的能力，提高了设计水平，也培养了学生的团队意识和竞争精神，为化工设计大赛等竞赛活动奠定了扎实的专业基础。

2.5 增加考核内容，突出实践能力

化工设计课程的考核要符合新工科建设人才培养的要求，要改变以往考核形式单一，只注重记忆和应试的考试形式。加强对学生的过程考核，进行全过程学业评价，特别是学生综合应用能力和实践能力的考核。改革后，课程考核分为几部分：①平时成绩，主要是看学生的作业、回答问题情况和学习态度，占10%。②上机实习成绩，考察学生模拟软件的掌握程度和虚拟仿真的操作情况，占20%。③设计实践一的成绩，评价学生完成实训一的情况，占10%。④设计实践二的成绩，评估学生完成实训二的情况，占20%。⑤期末考试，以闭卷考试的形式评估学生对知识的掌握和应用能力，占40%。新的考核体系，突出了学科交叉应用能力和实践能力的考核，符合新工科建设的要求，更能真实反映学生的学习效果。

3 结语

新工科建设理念指导下，对化工设计课程进行深入分析和大力改革，取得了很好的成效。实践证明，通过加强课程思政建设，学生的思想道德获得很大提升，形成了正确的价值观和人生观。通过完善授课内容，增加软件教学和仿真实训，使化工设计课程更贴近设计实际，使化工专业学生更符合化工企业对人才的要求。加强设计实践训练，改革考核方式，促进了学生的学习兴趣，提升了设计水平。这些措施的实施，满足了新工科建设的要求，也将促进化工设计课程的良好发展。