以竞赛为驱动项目为依托的化工设计基础课程教改研究

范峥　牛梦龙　卢素红　刘菊荣　申志兵

[摘 要]在工程教育专业认证的大背景下，化工设计基础课程作为化工专业教育核心课程，坚持以全国大学生化工设计竞赛为驱动来充分挖掘学生潜能，采用化工设计项目作品展示方式全面推动学生专业综合能力培养，并基于虚拟仿真实验教学平台、化工过程实景仿真实训装置以及现代化工设计手段开展丰富多彩的特色课程改革研究，以达到不断激发学生学习动机、优化课程考核方式、提升课程教学质量的目的。

[关键词]化工设计基础;课程改革;化工设计竞赛;项目作品展示;虚拟仿真实验教学平台

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）05-0117-03

为了更好地服务于工程教育专业认证，化工设计基础作为西安石油大学（简称“我校”）化工专业教育核心课程，以化工设计过程为主线，系统讲授了化工设计的基本内容与程序、化工工艺流程设计、物料衡算与能量衡算、化工设备设计与选型、化工车间布置设计、化工管道布置设计、非工艺设计、工程设计概算及技术经济等内容，旨在培养学生的设计实践能力和基本工程素质，使学生掌握化工设计的基本原则、原理和方法，熟悉化工设计的主要内容和程序，理解化工设计中工艺专业的主要工作内容和常用化工设计规范，实现使学生理解和掌握化工设计基础知识以及具有一定工程设计能力和一定基本工程素质的目标[1]。然而，在实际教学过程中，受到传统教学模式的制约和限制，化工设计基础课程往往要求在固定的时间和空间里完成[2]，对于学生的考查也多侧重于基础知识的掌握情况，这不仅导致授课教师疲于应付日常教学任务，同时还严重影响学生作为学习主体的创造性和主动性，造成学生工程实践能力不足，并在一定程度上影响了其毕业要求的达成[3]。

全国大学生化工设计竞赛作为国内级别最高、参赛队伍最多、影响力最大、认可度最高的全国高校化工类本科生学科竞赛活动，迄今已经成功举办了十四届，在发展化工专业学生的自主创新思维、培养其独立思考能力、强化其工程实践意识等诸多方面都起到了积极的促进作用[4]。需要说明的是，全国大学生化工设计竞赛的题目涉及的领域极为广泛，从对二甲苯清洁生产、丙烷资源化利用到废气深度脱硫，不一而足，这不仅要求学生在短时间内灵活掌握并综合运用大量的化工专业知识来进行工程化实践，同时还需要从社会、健康、安全、法律、文化等多个角度出发，全面评价和衡量这些因素对化工建设项目的影响和制约，并基于化工产品全周期、全流程成本构成做出合理的工程管理方案与经济决策分析[5]。

正是着眼于化工设计基础课程和全国大学生化工设计竞赛题目在知识内容、知识深度、知识体系甚至知识架构上存在共通点，本课程充分结合自身特点，以全国大学生化工设计竞赛为驱动，通过积极鼓励学生将课堂知识不断转化为项目成果的办法，按照功能导向原则对教学方式、教学手段、考评方式等进行系统改革，并进一步整合教学内容，及时吸收本学科领域的最新科技成果，从而有效强化学生的学习能力、实践能力、创新能力以及综合素质，全面助力创新型应用工程技术人才培养，以期从根本上回答学生应该如何培养、课程体系应该如何构建、教师应该如何教学这些高等教育的本质问题。

一、化工设计竞赛驱动学生在学习中不断突破自我

化工设计竞赛的价值在于挖掘学生的潜能，发展学生的个性，突出学生的价值，从而促进学生多元化成才[6]。全国大学生化工设计竞赛要求以团队形式参赛且每队人数不超过五人，这就意味着参赛队伍的每个队员在短短几个月内不仅需要承担多个角色的任务，共同完成从无到有、從小到大、从粗到精的化工项目设计任务，而且彼此之间还需要做好沟通协调、分工协作等工作。全国大学生化工设计竞赛经常被指导教师认为是引导、推动学生在有限时间内完成一项几乎不可能完成的任务的活动。因此，激发学生的学习动机就显得犹为重要。

所谓学习动机是指激发个体进行学习活动、维持已引起的学习活动，并使其学习行为朝向一定目标的一种内在过程或者内部心理状态。学生一旦在学习自觉性与学习主动性上建立了正反馈型的学习动机，就会迸发出极大的学习热情，表现出坚毅的精神并积极付诸实际行动。然而，建立正反馈型的学习动机并非易事，它既受到个体自身需要、年龄特点、个性差异、志向水平和价值观等内部条件的影响，同时又受到家庭环境、社会评价、教师榜样作用等外部条件的影响。因此，如何有效激发学生的学习动机成为引导学生自我激励、自我突破、自我成长与自我提升的不二法门。

由于化工设计基础课程侧重于水平达成而化工设计竞赛侧重于选拔择优，因此，为了充分调动每个学生参与化工设计竞赛的积极性与主动性，实现全动员、全参与、全覆盖，我校化工设计基础课程任课教师除了邀请本校的获奖学生现身说法，还对历年优秀作品进行深度解读与系统剖析，以帮助学生克服参赛过程中可能遇到的倦怠与畏难心理。同时，为了确保指导教师能够零距离参与化工设计竞赛指导工作，我校坚持新老结合、以老带新的原则，逐步打造了一支以化工设计基础课程任课教师为主体，多专业、多学科任课教师协同参与的专业指导教师团队。团队成员在指导过程中各自发挥专业所长和资源优势，从而使一大批年轻骨干教师的专业素养、教学水平在短时间内得到了大幅提升。

与化工设计基础课程相比，全国大学生化工设计竞赛的最终作品提交要求无论是内容上还是难度上都更加接近于“实战”，因此，后者对前者的促进作用是显而易见的。例如，化工设计基础课程在分配课内理论学时的时候会特别关注化工工艺流程设计、化工车间布置设计和化工管道布置设计等重点章节，其占比甚至达到课内理论总学时的40%，而对于非工艺设计、工程设计概算及技术经济等其他章节则往往占比较少。尽管后来为了实现该课程对工程教育专业认证中的设计/开发解决方案、工程与社会以及项目管理等毕业要求的强支撑，任课教师陆续对此课程的教学大纲进行了一系列的修订和调整，但是受限于课内理论总学时仍然无法进一步详细讲解相关内容[7]。

针对上述问题，全国大学生化工设计竞赛在设计任务书中特别指出，所有设计作品都必须坚决贯彻“生产必须安全，安全为了生产”的指导思想，从提高装置的安全性出发，根据化工防火防爆设计规范，采用新的安全技术和安全设计办法，并尽可能采取切实可行的清洁生产技术，从源头上减少对环境的不利影响。这是因为，对于化工设计实际工作来说，安全评估和环境评估对于项目具有一票否决权。同时，化工设计人员还需要充分了解社会、健康、安全、法律、文化等因素对化工建设项目的影响和制约。除此之外，为了确保化工设计在经济上合理，全国大学生化工设计竞赛还要求参赛选手根据调研获得的经济数据对设计方案进行经济分析与指标评价，了解化工建设项目工程预算费用的构成、工程概算的编制以及工程投资与产品成本的估算。因此，全国大学生化工设计竞赛作为化工设计基础课程的有益延伸和重要补充，既准确弥补了课内理论学时有限所带来的不足，又同时使学生得以通过第一视角的方式亲身体会到化工从业者及化工生产企业应该承担的相应责任和义务，对化工专业学生毕业要求的达成起到了举足轻重的作用。

二、依托化工设计项目作品展示推动学生综合能力的培养

项目作品作为化工设计基础课程的最终教学成果，是考验学生熟练、灵活运用相关专业知识解决生产实际问题能力高低的试金石。由于化工设计项目作品不但涉及内容较广，而且其深度还应达到可行性研究要求，因此，这对于任课教师和学生都是不小的挑战。设置项目作品展示环节的目的一方面在于进一步落实以学生为中心、以成果为导向、不断持续改进的工程教育专业认证理念，另一方面在于协助任课教师有效利用师生互动机会，通过现场引导、纠错、补充、归纳等办法对授课过程中可能存在的薄弱环节进行查漏补缺，不断提升专业竞争力和人才培养质量。

我校的化工设计基础课程充分结合本校办学特色与行业背景，从高素质、厚基础、宽口径的专业培养目标着手，精心设计了无机化工过程、有机化工过程、生物化工过程、石油化工过程以及精细化工过程等若干项目作品题目供学生选择，并按照知识体系模块化的原则，借鉴化工设计从业人员的专业分工与职责，将学生划分为工艺系统、管道材料、机械设备、建筑结构与自动控制等几个小组，在任课教师下达化工设计项目任务后，学生通过自由组队、随机抽签的方式进行小组队伍筹建与专业角色指定。进入设计环节后，要求各小组内部要紧密配合、各司其职，做好进度协调与资料交底工作。同时，为了鼓励学生积极发展“一专多能”，还进一步规定各小组内部应定期进行角色轮换，并在项目作品展示环节推选一名学生作为小组代表进行汇报答辩，这极大地促进了学生换位思考能力和归纳分析能力的提升，从而使学生日后无论是作为设计单位代表、施工单位代表还是建设单位代表进行技术交流都是大有裨益的。

三、以虚实结合方式进一步提高课程教学质量

化工设计基础课程教学过程中经常遇到的一个问题是学生缺乏对化工设计标准规范特别是其细节的了解和掌握。例如，车间设备布置设计不但需要最大限度地满足工艺生产及设备维修的要求，有效利用车间建筑面积和土地，而且需要为达到车间的技术经济指标先进、合理与节能等要求创造条件。此外，还需要考虑其他专业对本车间设备布置的要求并为车间的发展留有余地，这对于初次接触化工设计的学生而言无疑是一个巨大的挑战。尽管在学习化工设计基础课程前，学生已经系统完成了化工原理、化学反应工程、化工设备机械基础等先修课程的学习，但是，部分学生对于化工过程可能涉及的空间和时间概念仍然缺乏必要、清醒的认识，这是因为上述课程通常是以目标产品为导向、以单元操作为基础、以设备功能为依据进行知识体系构建的。虽然此办法对于学生快速建立学科基础概念簇益处颇多，但是往往会在无意间割裂了工艺与工艺、工艺与设备、设备与设备之间的内部联系，从而直接导致学生在处理复杂化工问题时无法在短时间内准确、有效地调用所学专业知识。

为了有效解决上述问题，任课教师充分利用示范性虚拟仿真实验教学平台的优势，在深度运用课程核心知识点的基础上，积极开展沉浸式情境教学，让学生的感知更加细腻、立体、生动，并基于授课班级学生的具体学情，通过特定的预设问题积极引导学生进行自主性、探索性学习。学生在反复实践中提炼真知，采用更加科学、理性的态度和思维进一步探索隐藏在化工设计标准规范后的具体原因。这是因为：第一，示范性虚拟仿真实验教学平台可以有效帮助实现真实条件不具备或难以完成的教学功能，可以帮助解决硬件条件难以不断改善与学生学习需求不断提高之间的矛盾，利用计算机网络的便捷及软件模型的真实可靠，面向学生构建可视化的管理平台，使任课教师与学生的交互性更强，突出学生的学习主体地位。第二，示范性虚拟仿真实验教学平台作为培养实践能力的最直接、最有效的载体，其主要作用就是引导学生将所学理论知识与实际相结合，协调好传统理论教学与学生工程能力培养的关系。第三，在学生利用示范性虚拟仿真实验教学平台进行虚拟仿真实验过程中，教学平台的试错和容错机制发挥了极为重要的作用。它们不仅可以保证学生在任课教师的指导下有足够的时间和精力来分析、探索、实践和改进实验结果，同时还能够对多次实验的关键数据进行准确地提取、合并、深入挖掘，找出实际操作中可能存在的薄弱环节并及时整改。其改进结果可以作为下一次实验的基础和依据，帮助形成“学习—实践—再学习—再实践”的良性循环。

同时，为了进一步达到“以虚促实”“以实带虚”“实虚相长”的最终目标，我校先后购置了具有典型炼油化工和煤化工标志性特征的常减压催化裂化综合生产实训装置和煤制甲醇综合生产实训装置两套化工过程实景仿真实训装置，用于加强学生在生产实习、化工过程控制与操作等方面的技能培训等。操作化工过程实景仿真实训装置使学生不仅能领悟到单元操作的核心，而且能进行模拟和控制可能的工艺及优化操作，完成工厂现场无法完成的环节，从而为学生将来开展设计、工程实践打好基础。

除此之外，任课教师还主动发挥各自的科研专长，密切结合国内外化工市场的最新发展动向，融合基于计算机科学与技术的化工设计要素，向学生穿插介绍现代化工设计手段，使学生体会到现代化工设计被应用于实际生产的自豪感和满足感，最大可能地激发学生学习的内驱力。

四、结语

为了在化工设计基础课程中不断提高本专业学生的设计能力，更好地适应工程教育专业认证的要求，任课教师以全国大学生化工设计竞赛为契机，以化工设计项目作品展示环节为抓手，借助示范性虚拟仿真实验教学平台、化工过程实景仿真实训装置以及现代化工设计手段，将化工设计竞赛的项目任务与所授课程的知识有机结合起来，培养学生运用所学知识进行工程设计的自主学习、自主创新能力，进而提高学生的专业综合素质。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 唐伟伟，李玉峰.《化工设计》课程教学改革[J].广东化工，2020（13）：219-220.

[2] 李玉美，张秀玲，王志刚，等.专业认证背景下化工设计课程工程素质培养探索[J].内蒙古石油化工，2020（5）：73-74，93.

[3] 伍水生，兰东辉，邓继勇.新工科背景下化工设计课程教学改革研究[J].吉林农业科技学院学报，2020（2）：112-114.

[4] 刘作华，刘鑫婷，魏顺安，等.化工设计竞赛对课程的改革意义及其未来发展方向[J].广东化工，2020（9）：198-199.

[5] 党亚固，章鹏，费德君，等.搭建教竞联合平台，深化化工设计课程教学改革[J].化工高等教育，2020（1）：100-103.

[6] 黄燕青，陈辉.浅谈全国大学生化工设计竞赛对学生综合能力培养的促进作用：以廣东石油化工学院为例[J].化工高等教育，2020（3）：103-108.

[7] 范峥，牛梦龙，黄风林，等.工程教育专业认证背景下化工专业课程教学改革研究[J].大学教育，2019（12）：48-51.

[责任编辑：庞丹丹]