基于OBE理念的化工类专业人才工程设计能力培养体系构建

杨仲年，许兰娟，张丽娟

滨州学院化工与安全学院，山东 滨州 256603

工程设计能力是化工类专业人才必须具备的核心素质和能力。在工程教育认证标准以及化工类专业教学质量国家标准[1]中，均明确要求重视学生工程设计能力的培养。同时，OBE (Outcome-based Education)的理念在越来越多国家[2–5]和地区[6]得到推广。根据Spady[7]关于OBE的定义：教育系统的组织和运行应以确保学生在学习生涯结束时有获得成功的能力为出发点。即，学生的学习成效(产出)是衡量教育质量的重要标准。因此，为确保学生具有良好的工程设计能力，应该以具备工程设计能力为产出目标，来开展人才培养体系建设工作，服务于新时代化工类专业人才培养。

2012年以来，我们根据工程教育专业认证中关于工程设计能力的有关要求，在分析原有培养体系不足的基础上，从课程体系优化整合、教学条件建设、教学模式改革和人才培养质量监控等几个方面，以化学工程与工艺(以下简称化工)专业为例，开展了工程设计能力培养体系建设的探索，也取得了一些收获：OBE的理念较早贯彻到专业建设工作各方面，如课程体系优化和人才培养质量监控等；较早地在同行中建成了虚实结合、高度接近真实生产企业的校内实习实训中心，除了专业实习实训外，还依托它开展了多门课程的教学模式探索和改革；建设了一支工程实践经验丰富的双师型专业教师队伍；毕业生良好的工程设计能力得到了同行、业界的普遍认可。

1 原有工程设计能力培养体系存在的问题

通过对在校生、毕业生以及任课教师进行调查，结合与其他高校交流的结果，发现原有的工程设计能力培养体系建设存在几个方面的问题：

(1) 设计类课程教学与工程实践脱节。设计类的相关课程，讲授内容偏重理论，陈旧、单一，设计训练偏重计算、绘图等辅助技能，与工程实践脱节，不利于学生的设计能力培养。而学科竞赛作为理论教学与实践教学融会贯通的载体，覆盖的学生范围不够，无法有效发挥作用。

(2) 实习实训工作效果不理想。由于化工生产过程物料、工艺均具有较高的危险性，大部分化工企业不愿接收学生到生产现场进行专业实习，尤其是动手操作。学生实习一般以企业参观和校内实训为主，而大部分高校没有完备的校内实训条件，学生很难将实训内容与工程实践相结合，工程实践和工程设计能力培养受到严重制约。

(3) 师资队伍缺乏相应工程背景。按照化工与制药类及相关专业工程教育认证标准规定，从事本专业教学(含实验教学)工作的80%以上的教师应有3个月以上的工程实践经历。讲授安全、环保和设计等课程的教师应该具有较丰富的工程实践经验。然而，作为新建本科院校，本校教师以45岁以下青年教师为主，50%以上的教师为全日制硕博士毕业后即进入学校任教，缺乏培养学生工程设计能力所需的实践经验和行业背景。

(4) 缺乏有效的评价体系。以往对学生工程设计能力培养大多从课程教学出发，强调课程体系和教学内容的设置，以及教学方法和教学手段的运用，而不重视评价体系的建立，因而不能对培养效果做出科学、有效的评价，也无法根据评价结果对教学过程进行改进。

2 工程设计能力培养体系架构

根据OBE理念，学生取得的学习成果(学习产出)是进行教学设计和实施教学的唯一目标[8]。实施OBE教育模式一般有三个步骤：定义学习产出(明确培养目标和毕业要求)、实现学习产出(教学活动设计与实施)、评估学习产出(毕业要求达成度评价)[9,10]。

针对原有工程设计能力培养体系存在的问题，我们遵循“定义学习产出–实现学习产出–评估学习产出”这一思路，结合工程教育专业认证要求，开展了化工专业人才培养体系的探索与实践，形成了图1所示的工程设计能力培养体系架构。

图1 基于OBE理念的工程设计能力培养体系架构

2.1 定义学习产出

在工程教育认证通用标准的12条毕业要求中，明确要求毕业生能够针对复杂工程问题设计解决方案，设计满足特定需求的系统、单元(部件)或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，同时还要考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境保护等因素。

我们在制定化工专业培养目标与毕业要求过程中，从国家社会及发展需要、行业产业发展及职场需求、学校定位及发展目标、学生发展及家长校友期望四个维度出发，通过问卷调查、访谈等多种形式征集了社会各界意见，在此基础上对毕业生工程设计能力相关的预期学习产出做了描述，如表1所示。

2.2 实现学习产出

根据OBE理念，所有教学活动均应围绕预期学习产出(Intended Learning Outcomes，ILOs)来开展。为此，我们主要从课程体系设置、教学条件配备、教学模式改革等三个方面进行了探索，以培养学生的工程设计能力。

2.2.1 课程体系建设

根据表1中的指标点，形成了图2所示的以工程设计能力为目标产出的课程体系。

表1 对毕业生工程设计能力的要求

图2 以工程设计能力为目标产出的课程体系

根据对表1中四个指标点支撑的强弱程度，我们将相关核心课程的内容进行了调整和优化，使得课程体系更合理，对指标的支撑更精准、充分。同时，与2015版培养方案相比，2019版中工程实践与毕业设计(论文)学分在专业总学分中占比由原来的21.3%提高到了24.1%，以强化学生在工程设计方面的实践动手能力训练(指导学生完成具体设计作业时，积极鼓励师生真题真做)；调整增加了化工原理和化学反应工程等核心课程的内容、学时和学分，确保学生在工程设计方面具有扎实的理论基础，如图3所示。

图3 2015版(左)和2019版(右)培养方案中相应课程的学时学分变化(括号内为学时/学分)

2.2.2 教学条件配备

2.2.2.1 实习实训中心建设

受行业企业特点影响，化工专业学生在实习过程中多以参观为主，很难得到动手操作的机会，从而很难将所学知识或设计作品与生产实践联系起来，势必影响学生工程观念和工程设计能力的培养。为此，我们努力建成了校内化工实训中心。

实训中心从功能和布局方面，如图4所示，与行业企业真实生产情况高度接近；分配实习任务时，参照企业的岗位设置和管理体制安排实习岗位和职责，并按照生产班组制、师傅带徒弟模式进行；实习过程中，从开车到停车，要求学生动手调节设备和管件的开关和阀门，记录完整的生产过程中获得的工艺技术参数，学会根据数据分析工艺参数变化的原因和规律，使学生能够获得来自生产一线的实践经验和数据。这为培养学生的工程观念和工程设计能力提供了良好的条件保障。

图4 实训中心平面布局图

目前，实训中心已拥有乙酸乙酯生产线、虚拟仿真机房和软件等大型生产装置和软件，总价值超过900万元。部分设备和软件及明细见图5、图6和表2所示。中心自投入使用以来，承接了认识实习、生产实习、化工专业实验、化工过程仿真等多门理论和实践课程，受到了校内外广大师生和员工的广泛认可。尤其是2020年新冠肺炎疫情期间，拥有校内化工实训中心这一独特优势，加上部分视频和仿真，有效解决了疫情防控背景下难以开展校外实习的问题。

表2 化工实训中心主要设备明细表

图5 (a) 甘油催化加氢制丙二醇装置；(b) 盐类化工生产装置；(c) 乙酸乙酯生产装置；(d) 管路拆装实训装置

图6 全套炼油工艺3D仿真软件

2.2.2.2 师资队伍建设

学生的工程设计能力培养，要求教师队伍有相应的实践经历和指导能力。

目前，讲授化工专业核心课程的26名全职专任教师中，有8名是引进的企业高级工程师。这些企业高工中，具有博士学位6名，国家一级注册建造师1名，国家注册监理工程师1名，具有国家质检总局颁发的射线和超声波检测二级资格证1名。这些教师实践经验丰富，对于指导学生从事工程设计方面的学习驾轻就熟。依托化工学院理事会，我们还聘任了20余名企业专家作为兼职教师，能够做到及时掌握行业动态，更好地服务于高水平应用型人才的培养。

注重强化教师的入职培训和继续教育。除开设教学名师讲座、举办公开课、观摩课和职业规划辅导等专题活动外，尤其对教工增加了在行业企业顶岗锻炼的要求，以增加其企业一线工作经历，从而有利于学生的工程观念和工程设计能力培养。根据学校《中青年教师顶岗锻炼管理暂行办法》，近年来，教师到规模以上企业单位顶岗锻炼30余人次，到天津大学、浙江大学等高校完成访学研修(如化工热力学、化工过程控制及实验、工程设计等)和课程进修(如化学反应工程、化工设计等) 20余人次，很好地保障了教工的整体教学能力和素质。

2.2.3 教学模式探索

2.2.3.1 实践教学

在化工专业实验教学过程中，更多是提供任务目标要求、提供实验原理和工具书，让学生自行制定实验方案、教师指导修改后进行实验，并就得到的实验结果、结论进行检查反思实验方案的科学性，以鼓励学生的自主性和创新性。专业实习实训，主要依托校内实训中心的大型生产装置和仿真软件完成；参照企业的岗位设置和管理体制安排实习岗位和职责，推行生产班组制、师傅带徒弟模式；要求学生在实训中敢于动手操作，认真记录工艺技术参数，并与理论推算结果对照，将来自生产一线的实践经验和数据与学生所学知识建立深刻的联系。

如在乙酸乙酯生产线进行实训时，制定了与企业相近的管理层级和岗位职责要求，按照分工，针对8个不同的岗位分为2–3个生产班组，在学生统一着装、完成入厂教育后，进入这8个岗位，开始对乙酸乙酯生产进行开车、运行、巡检，对样品进行采集化验、中控监控等。期间，通过调整生产条件、优化流程、模拟设置故障点等，培养学生对生产实践过程的分析问题和解决问题的能力。现场装置区安装全方位摄像头，方便中控室监察现场情况、及时下达指令，过程操作可以清晰考核，学生感觉身临其境，实训效果非常理想。

充分发挥实训设备作用，积极支持学生参与各类学科竞赛。如全国大学生化工设计大赛和山东省大学生化工过程实验技能竞赛等，学生的设计思路、推算甚至真实物料量可在实训装置上试运行一遍，有助于学生更全面地认识工业流程的复杂性，培养学生系统思考、团结协作的能力，让学生作品更接近生产一线，完成一些真正具有现实意义的工程设计。

2.2.3.2 理论教学

为提升设计类理论课程的教学效果，我们推行现场式讲授，将部分设计类理论课内容安排在实训装置前完成，效果明显。

以化工设计课程为例，在教学过程中，充分利用盐化工、乙酸乙酯等实训装置(如图7所示)，让学生站在实训装置前，了解工艺过程，学习装置上各类设备的结构、布置、选型原则、管道的连接、阀门的操作以及各类仪表的原理等，这对学生学习掌握化工设计内容有很大帮助；在此基础上，布置设计大作业，比如以乙酸乙酯直接酯化法工艺为基础进行设计，选择乙醇、乙酸为原料，固体酸为催化剂进行乙酸乙酯生产工艺设计，4–5个同学一组，完成设计报告。经过这样的设计训练后，学生由被动接受知识慢慢转化为自主学习，对工厂整体的了解更加深刻，工程思维和工程意识得到强化，工程观念也牢固建立起来。教学工作，也实现了从以教师为中心，向以学生为中心的转变。

图7 依托实训装置讲授化工设计等理论课程

2.3 评估学习产出

OBE要求将学习产出的定义、实现与评估三个方面有机结合，从而构成教育质量持续改进的闭环[11,12]。因此，我们在理论课程学习、考核、课程设计、毕业设计以及学科竞赛等多个环节均设置了相应的评价体系，如图8所示。

图8 学习产出评价体系设计

首先，在理论课程考核过程中，采取过程性评价与终结性评价相结合的方式。过程性考核成绩根据测验、作业、讨论、项目及课堂表现等情况综合评定，并将过程性考核成绩在总成绩中的占比从30%提高到40%–50%。而终结性评价虽仍以卷面考试为主，但在命题过程中不断加大设计类应用题的比例，以实现对学生工程设计知识和工程设计能力的综合考核。以化工原理课程为例，给出了课程的评价过程和方法，见表3。

表3 化工原理课程评价表

其次，在课程设计、毕业设计、实习等各类实践课程中，采用教师评价、小组互评相结合的方式，对过程和结果进行统筹考核，以考查培养目标和毕业要求的达成情况。以“化工原理课程设计”为例，考评中将过程考核和结果考核相结合，如表4所示。课程开始时，将设计任务书和评分标准一并告知学生，让学生明确具体的要求；教师定期进行检查指导，给出平时成绩；提交作业后，除了学生的计算书和设计说明书，还进行小组答辩和提问，考查学生参与程度及掌握程度，提出改进意见；最后，教师根据平时表现、作品、答辩、小组互评等情况评定学生的最终成绩。

表4 化工原理课程设计课程评价表

第三，积极鼓励学生参加各类创新创业大赛，实现专业在校生全覆盖。近五年来，学生参加全国化工设计大赛、山东省大学生化工过程实验技能竞赛等，获得省部级以上奖励30余项，获批国家级及省级大学生创新创业项目30余项；还有学校委托本专业组织的各类学科竞赛等，能够实现在校生的全覆盖。这些项目均为团体项目，对于培养和评价学生团队协作能力、安全、健康、法律、文化和环境保护意识等，具有不可替代的意义。以山东省大学生化工过程实验技能竞赛选拔赛为例，评价指标如表5所示。

表5 基于山东省大学生化工过程实验技能竞赛的选拔赛的学生成绩评价表

3 人才培养质量监控体系

3.1 教师教学质量监控

首先，教师教学质量评价中，由评教改为重点评价学生的学习产出。每一门课程的教学目标，应该是由人才培养目标决定的；而每一门课程能够支撑的指标点组合在一起，应该能够实现毕业能力的全部标准。正是基于此，我们对课程教学质量的评价，重点在于评价课程教学目标的达成情况，即学生的学习产出，具体见表6。这一项在教师教学质量评价中，占比达到70%，另外还有领导、督导组和同行评价等三部分，都按照10%的比例计入总成绩。对于课程目标达成度低于60%的情况，视为教学质量不合格。

表6 课程教学质量/效果评价中改进部分

其次，多措并举，培育质量意识和精品意识，建立教师业务水平和能力提升机制。第一，构建专业教学质量监控体系，如图9所示，明确教学各项工作流程和质量标准。同时，针对教学各环节出台相关标准、管理办法等文件40余项，由校院二级督导组严格监督执行。第二，鼓励学习，与时俱进，积极向广大教师介绍或引进先进经验、理念和技术。近年来，派人参加全国范围教学研讨/培训会30余人次，邀请专家来校完成教学工作报告20余人次，组织教学观摩课5课时/学期，试运行题库系统和在线考勤系统各1个，均取得了很好的效果。目前，教师承担国家级课程建设项目1项、省部级8项；参加教学比赛，获得省部级奖励3项、校级奖励20余项；承担省部级教研项目3项，发表教研论文20余篇；拥有省级教学名师3人，等等。第三，积极支持校院二级督导组独立开展工作，使用好督导检查的结果。督导工作的定期检查，一般在期初、期中和期末；随机抽查，则可以根据工作需要，针对特定环节、特定课程和特定人群进行，两种形式互为补充，以确保能够及时掌握教学工作情况，能够及时做出调整和应对。对于督导检查结果，在评优选先和职称评定等工作时会作为重点参考；对教学态度不认真、质量不合格，或发生教学事故的教师，根据教学工作和课堂教学准入暂行办法，除进行通报、个别谈话外，甚至会在一定时限内取消其课堂教学资格。所有这些，保障了多年来教学质量稳步提升，人才培养工作逐步平稳推进。

图9 专业教学质量监控体系示意图

3.2 人才培养质量监控

毕业要求达成度作为教学评价的主要标准，是衡量高等学校办学水平的重要指标点，对于持续改进教学工作、提高本科教学质量具有显著的促进作用[13]。评价方法分为直接评价与间接评价。

直接评价主要基于课程达成情况分析法，即以课程考核材料为主要评价依据，将每项毕业要求指标点划分到支撑课程，并根据课程对毕业要求的支撑度赋权重，由课程的达成度评价结果计算出毕业要求达成度。直接评价又可以包含过程性评价和终结性评价两部分。如图8所示，理论课程的过程性评价包括测验、作业、讨论、项目等环节，占比达到40%–50%，而终结性评价包括知识和能力等内容，如表3案例所示；课程设计、毕业设计、实习等实践类课程，评价内容里增加了分析解决工程问题、团队协作以及法律、安全、环保等要求，则采取过程中教师随机抽查、终结时教师评价与小组互评相结合的方式，考查培养目标和毕业要求的达成情况，如表4案例所示；各类学科竞赛多为团体项目，过程性评价主要针对团队协作和设计能力等，终结性评价主要依据作品完成情况和获奖情况等，同时加大了创新能力、法律、安全、环保和社会伦理等方面的要求，如表5案例所示。在坚持过程性评价与终结性评价相结合的基础上，加强督导检查，能够及时了解某一课程在某一时段学生的学习效果，及时了解该课程目标和毕业要求的达成情况，及时掌握本专业的人才培养质量，及时根据行业发展动态和需求做出相应的调整和安排。

间接评价是指针对毕业生、用人单位和第三方机构的问卷调查法，侧重调研受访者对毕业要求各项能力重要性的认同程度以及毕业生在这些能力上的达成情况。在做完这一评价后，可以比较清晰地确定影响培养目标达成的不足之处，然后做到持续改进。

以我校化学工程与工艺专业2017届毕业生为例，尽管2017届毕业生的12个毕业要求达成度均大于毕业要求达成标准阈值，但学生在毕业要求3 (设计/开发解决方案)得分较低(0.71)，且毕业要求5(使用现代工具)的间接评价值低于直接评价值，这说明毕业生在这方面的能力有待提高。针对这些问题，根据企业专家反馈的意见，本专业教学指导委员会制定了整改措施，对课程体系设置进行相应的修订。如将专业必修课程中的化工原理、化学反应工程、化工设备机械基础等课程的学时数进行了增加，增设化工制图课程，将实践课程化工过程设计修改为工程设计并增加了学时。同时鼓励任课教师采用如案例式、专题式等多样化的教学模式，积极指导学生参加化工类学科竞赛，提高学生运用所学知识进行设计开发的能力，学习使用现代化学工程工具和信息技术工具，解决复杂化工问题，并在在化工设计开发中体现创新意识。通过以上改进措施，本专业2019届毕业生的毕业要求3达成度增至0.78，毕业生和用人单位对毕业要求5的满意度也有很大提高，专业教师的教学水平及效果有了显著改善，这些措施也对本专业未来的发展有很好的指导意义。

4 培养成效分析

五年来，化工专业学生在校期间发表学术论文20余篇，授权专利近20项，获得省部级以上学科竞赛奖励30余项、市厅级学科竞赛奖励近200项，获批国家级及省级大学生创新创业项目30余项；近三年毕业生学位授予率90%以上，初次就业率95%以上，本科生考研升学率均高于40%，如图10所示。根据第三方评价数据，化工专业学生毕业后发展情况良好，进入化工生产企业和设计单位工作的学生中多半已经成长为高工及管理人员；部分继续深造的同学硕士毕业后进入企业研发中心或设计单位，用人单位对毕业生素质和能力满意率高于90%。根据麦可思公司2019年针对用人单位对本专业毕业生个人素质能力满意情况调查发现，毕业生良好的工程设计能力获得行业的广泛认可，结果如表7所示。

表7 用人单位对本专业毕业生个人素质能力评价调查表

图10 学生培养成效相关数据

5 结语

多年来，在学校大力支持下，化工专业积极开展教学研究和改革，先后获准山东省卓越工程师教育培养计划试点专业、山东省高水平应用型立项重点建设专业(群)、山东省一流专业等标志性项目，专业建设取得了一定的成效，也获得了同行的认可。针对工程设计能力培养这一关键问题，我们认真分析原因，积极吸收OBE理念，构建了一个包含课程体系建设、教学条件配备、教学模式改革、人才培养质量监控等内容的人才培养体系；运行几年结果表明，该体系在服务化学工程与工艺专业学生工程设计能力培养方面效果明显。这也为同类院校的相关专业建设提供了积极的借鉴和参考。

致谢：感谢化工等专业的同事们在专业建设和改革方面做出的积极探索和努力！