“以赛促教”与费曼学习法应用于化工设计实践课程的教学改革探索

么秋香，田少鹏，任花萍，霍小平，朱艳芳

（1.西京学院电子信息学院；2.西安市先进光电子材料与能源转换器件重点实验室，陕西西安 710123）

一、化工设计实践课程教学改革的“新工科”背景

“新工科”建设是我国高等教育主动应对新一轮科技革命与产业变革的战略行动，通过加快培养新兴领域的工程科技人才，改造升级传统工科专业，主动布局未来战略，从根本上提升国家硬实力和国际竞争力。

“新工科”背景下，化工类复合人才的创新能力集中体现在工程实践活动中创造新技术成果的能力，包括新产品和新工艺的研发、新流程和新装置的设计等。化工设计是化工项目建设的重要环节，它是将一个系统（如一个工厂、一个车间或一套装置等）的技术方案、工艺过程、生产装备等转化为工程语言的过程，是一门综合性很强的学科[1]。化工设计课程是高等学校化工及其相关专业的一门专业核心课程，旨在培养学生综合运用理论知识分析和解决实际工程问题的能力，增强学生的工程意识，使学生具备化学工程师的基本素质[2]。它是科研成果转化为现实生产力的桥梁和纽带，实现了由理论到实践、由基础到专业的跨越式发展。

民办高校需要紧紧围绕国家对转型发展和应用型人才培养的要求，从理论上创新、在实践中推进和落实，积极践行“新工科”建设和“卓越工程师教育培养计划2.0”，加快专业的转型，重点突破应用型、技术技能型、创新型复合人才的培养，探索并实践化工设计课程教学改革研究。

二、化工设计实践课程的课程特点

化工设计实践课程以工艺设计为主线，详细介绍了学习化工设计工作的程序、内容、方法和步骤，包括工艺流程设计、物料衡算和能量衡算、设备的工艺设计与选型、车间布置设计及管道布置设计、设计概算与技术经济、设计文件编制以及工厂选址及总布置设计等。该课程是一门涉及物理化学、化工原理、化工分离工程、化工热力学、化学反应工程、化工设备机械基础、化工安全与环保等专业知识的综合性课程，按照化工设计规范和标准，解决从原料进厂到产品出厂中间一系列单元过程的工艺、设备、布置、管道等工程计算和工程设计问题，完成一个化工厂的完整设计过程。同时在课程学习过程中也涉及有Auto CAD制图、Aspen Plus化工工艺流程的模拟与优化、3Dmax三维建模、Lumion漫游视频展示等，因此该课程涉及的内容广泛而繁杂，学科交叉多，工程的实用性很强，同时也意味着该课程的学习难度大，难以系统掌握和应用。通过传统的课堂讲授与课下练习方法，大部分学生的学习浮于表面，仅仅是通过反复地纯粹地记忆掌握了化工设计的整个流程，耗费了大量的时间，显得非常勤奋，这个学习过程非常轻松，没有极具挑战性的环节，学习效果差，用一个形象的比喻就是没有给我们的知识链打上记忆的结，每天重复的学习，却没有通过知识链打结的形式让学习内容系统化、让知识点内化。

三、化工设计竞赛对化工设计教学的激活效应

学习是需要有挑战的，轻松的学习是达不到好的学习效果的。化工设计竞赛对化工设计教学具有激活效应，全国大学生化工设计竞赛就是这个挑战环节，它给我们的知识链打上了牢固的结。全国大学生化工设计竞赛面向全国高等院校化工专业的学生，是国内化工类级别最高、参赛队伍最多、影响最大的比赛[3]。通过竞赛，学生不仅对所学专业知识进行了系统综合，而且锻炼了工程实践能力，培养了其工艺设计理念，特别是在新工艺、新设备、节能降耗等方面的创新思维能力能对学生的团队协作精神、吃苦耐劳和坚忍不拔的毅力培养方面起到积极作用。竞赛过程的实质就是一个团队面对一个项目时，不断争辩讨论、相互学习、修正改进的一个循序渐进的过程，在这个实践过程中，要释放学生的创新潜力与活力，实现对化工设计课程内容的升华，强化工程意识和创新思维，使学生的专业综合能力得到充分提升，是一种具有激活效应的“以赛促教”教学模式。

四、MOOC在线课程的教学强化作用

2020年12月12日，中国社会科学院研究员、著名作家周国平在中国教育三十人论坛中再次强调“一切教育的本质都是自我教育，一切学习的本质都是自我学习”，尤其体现在后疫情时期的MOOC在线课程。在线教育的发展凸显自我教育、自我学习的重要性，这也是未来教育的颠覆性发展，一个大学生毕业后，决定他优秀还是平庸最关键的就是他是不是具备自我教育、自主学习能力[4]。因此要在化工设计实践课程中积极引入中国MOOC中的国家精品课程、优质课程，如化工设计、化工原理、化工单元操作、化工热力学等。通过对教育形态进行调整，可以更充分地发挥名校名师、优质教育资源的优势，减少部分线下教育者的教学水平和教学技能参差不齐的情况，尤其是像民办高校或线下教育资源困乏的地区。更重要的是，学生可以根据自己的知识结构对知识点掌握情况进行自主规划和在线学习，简单知识点快速浏览，难点内容反复学习并自纠自查自考，这样就将学习的主动权交还给了学生，让学生自己掌握自己的学习节奏。

MOOC在线课程同时也释放了线下教师的时间和精力，使教师做好“灵魂工程师”“价值引领者”“成长陪伴者”，帮助学生激发理想，树立人生目标，做“六有”大学生，保证每一个学生都获得足够的重视，实现价值塑造、知识传授与能力培养的融会贯通，全面提升人才培养质量。

五、费曼学习法在化工设计中的教学强化作用

根据理论物理学著名学者、诺贝尔奖得主理查德·菲利普斯·费曼（Richard Phillips Feynman）的学习法总结提出的学习金字塔[5]（如图1所示）显示，传统的课堂讲授学习内容的平均留存率非常低，仅为5%。新近涌现出来的在线课程开发模式：大规模开放的在线课程MOOC并没有从根本上摆脱现有的学习模式，学习内容的平均留存率依然很低，阅读及新媒体教学模式可以进一步提升学习效果，但是上述学习方式都属于被动学习，最高学习内容平均留存率仅为30%。在讨论、实践和讲授的主动学习过程中，学习内容的平均留存率一般在50%-90%，学习效果会显著提高。

图1 费曼学习金字塔Fig.1 The pyramid of Feynman learning method

在化工设计教学中实践费曼学习方法，面对设计项目时，小组内进行讨论并确定初步方案，再进行设计、计算与模拟的实践过程，在实践过程中发现问题、修改方案，再进行实践。以竞赛项目为主线，进行团队学习、主动学习和参与式学习，迫使自己从更深的层次上去理解概念，简化观点之间的关系及联系，并在项目后期进行初步传授，以PPT展示讲解的形式找到知识的边界，遇到讲不通、讲不懂的地方，抓取这些点继续深度理解。接下来整体回顾项目涉及的知识点、简化知识点。检查消化吸收的内容是否完全基于自己的理解，是否有拗口的地方，并进行不断修改。最后把前面零碎的知识点吃透，并按照自己的理解进一步精炼、简化，形成内容精炼、文字简单的思维导图。形成一个吸收知识—自我强化—传授他人的学习链。

六、以赛促教与竞赛育人协同提高学生就业能力

在学科竞赛过程中学校要培养学生的创新精神、匠心精神与实践能力，使学科竞赛在应用型人才培养中发挥更大作用，促进学生提升就业竞争力。“课程教育+实践锻炼+竞赛实战”是大学生就业教育的新格局，全方位、多层次、精细化和立体化地构建“课程+实践+竞赛”的就业教育体系将使第一课堂和第二课堂协同联动，使就业教育贯穿在两个课堂的始终。大学生化工设计竞赛这类竞赛载体侧重锻炼学生对实际工程项目的设计能力、知识综合运用能力及创新能力。团队要从工程实际的角度去思考问题，选择和设计合理的工艺条件及参数，通过实际运行的工程案例进行优化改进，形成一个完整的工艺流程。随着化工过程的大型化和复杂化，当今化工行业越来越注重学生化工设计能力的培养，现代化设计软件在化工设计工作中的占比越来越高，高效利用现代化设计软件进行厂区设计、流程模拟、校核、衡算以及图纸编绘等，可以很大程度上减少工作量，提升效率。化工设计竞赛使学生从被动学习状态变为主动探索，将现有的基础知识理论在竞赛实战中得到综合运用，显著提升学生的创新意识与协作精神，在对系统化工过程的认识方面、工程制图的制图技能和规范化程度上以及对化工类软件的实操运用上都有较大提升。通过参加多届化工设计竞赛，学生都普遍感受到化工软件的熟练使用已成为化工设计行业必不可少的一项技能。在目前严峻的就业形势之下，参加过化工设计竞赛的学生的创新实践能力和动手能力都较为突出，这也成为学生找到理想工作的一种行之有效的方法。

七、后疫情时期化工设计课程从传授知识到激荡心灵的思政建设

为全面贯彻党的教育方针，深入落实中共中央办公厅、国务院办公厅《新时代学校思想政治理论课改革创新实施方案》，按照循序渐进、螺旋上升的原则，化工设计实践课程要在教学设计、教学过程、教学层次、教学环节上步步融入德育内容，把做人做事的基本道理、社会主义核心价值观的要求、实现民族复兴的理想和责任等价值观培育和塑造“基因式”地融入化工设计课程教学过程中，润物无声，立德树人。

第一，在化工设计的课程定位和课程目标中融入化工与化工设计对推动人类社会发展与进步的重要作用，“化工新则产业新，产业强则国家强”“全球经济的发展都离不开能源科学、材料科学、生物材料等传统化工领域，它是全球经济的基础”等，激发学生的行业自豪感。第二，结合突发性公共卫生事件时期，化工企业为支援防疫工作，满负荷生产防疫急需的医疗、消毒和防护用品及其原材料，满足防疫需要。通过展示全行业对社会热点、难点问题的解决，增强学生的爱国情怀和社会责任感。第三，从科技前沿展示化工相关的关键核心技术，如：茂金属聚丙烯生产技术、第三代甲醇制烯烃技术、复合功能化车载玻璃、动力电池快充等，从而坚定学生的中国特色社会主义道路自信、文化自信，培育学生的科学精神、工匠精神等[6]。在专业课教学过程中常态化地融入思政元素，就像给课程加入催化剂一样，激荡心灵，使学生的学习目标、学习动力以及课堂气氛等出现质的变化。

八、结论

在“新工科”建设背景下，民办高校应以培养应用型、技术技能型、创新型复合人才为转型发展目标。以化工设计实践课程为例，为实现这一转型发展要求，化工设计实践课程作为一门多学科交叉和融合的综合性课程，工程实践性强，学习难度大，其教学改革的探索与实践具有典型性的示范作用。化工设计竞赛可以起到对化工设计教学的激活效应，在竞赛的实践过程中激发学生的创新潜力和活力，同时实现对课程内容的系统升华。在课程学习和竞赛过程中引入费曼学习法，起到强化学习效果和学习效率的作用，形成一个吸收知识—自我强化—传授他人的学习链。并且强调了MOOC在线课程在教育形态调整中的优质教育资源优势以及MOOC在线课程实现了学生自我学习、自我教育的学习自主权回归。化工设计实践课程能在教学设计、教学过程、教学层次、教学环节上步步融入思政元素，实现知识传授、能力培养与价值塑造的融会贯通，全面提升人才培养质量。