新工科背景下化工专业化工设备机械基础课程建设探索

李帆帆 , 李延勋 , 万亚萌 , 高晓强 , 于 毅

(1.河南工程学院 化工与印染工程学院 , 河南 郑州 450007 ; 2.郑州大学 化工学院 , 河南 郑州 450001)

随着社会经济的高速发展和新工科背景下高等教育内涵式发展,我国本科教育事业迎来了前所未有的挑战。如何培养出创新型、应用型等高素质复合型新工科人才,成为化工专业创新发展所面临的关键问题。

在过去的几十年,化工类专业一直是与高新技术关系最为密切的工科专业。而在推进化工专业持续蓬勃发展的过程中,如何培养出创新型、应用型等高素质复合型新工科人才是所要解决的关键问题。在众多化工专业课程中,化工设备机械基础课程是一门尤为重要的专业核心实践课程,是综合性的化工机械类技术基础课,其涉及的化工知识面较广,且工程实践性较强。通过对化工设备机械的基础理论和工程实际应用案例的介绍,可有效培养工科学生的动手实践能力,激发其工程意识,引导其创新思维等。因此,在新工科背景下,以新工科人才培养理念和目标为契机,着手对化工设备机械基础课程教学进行系统的课程建设探索具有重要意义。

1 传统教学中存在的问题

①传统教学中,往往是教师主动式教学,学生被动式学习,这种“灌输式”的学习方式,缺乏对学生主动性学习能力的培养。②学生的工程观念较为欠缺,科学观不足,对工程知识的掌握较为肤浅,创新意识不够。③学生对化工设备及其要求知之甚少,对化工设备的结构和工作原理等内容难以理解。④缺乏实践经验,培养方案与产业相脱节,国际竞争力培养不足。⑤评价方式不合理,传统的考核方式采用的是终结性评价,通过试卷成绩硬性考察对课本知识的记忆,忽略了实践能力和创新精神,这种考核方式并不能全面、客观、科学地评价学生的学习质量和效率。

2 化工设备机械基础课程建设

2.1 借鉴OBE工程教育理念和模式培养新工科人才

成果导向教育(Outcome-based Education,OBE)作为一种先进的教育理念是国内外高校进行教育改革的核心理念,该理念紧贴现阶段社会的需求,不仅要求学生对课本理论知识的有效消化吸收,而且更深层次地注重学生最后所取得的学习成果。课程结束后,教师根据学生是否掌握应有的专业知识、拥有实际工程的操作能力、具有化工人才的自身素养等方面,全面合理地制定教学和评价方式,确保培养出符合社会需要的新工科人才。因此,OBE理念非常符合应用型人才培养要求。然而,以教师为主体的传统教学模式着重教授书本基础理论知识,实践教学环节欠缺,学生的实际操作能力较弱。该教学模式与学院“地方性、应用型、工程化”的人才培养严重不符。相比传统教学模式,OBE理念则是以学生为中心,需改变原有的传统灌输式教学模式,将其转变为对话式课堂,即以教师辅助授予知识和学生主动吸收知识的方式进行。目前,启发式、案例式、研讨式等教学方式已逐渐被有效推广,这些开放式教育逐步引导学生发出疑问、将被动学习转变为自主学习,同时适当地结合生活实例辅助教学。比如,在讲外压圆筒的设计时,提出问题:“上一章节有关内压薄壁容器的设计原则回想一下是什么?那么如果是外压容器,设计原则会有哪些不同之处?”既温习了前一章节的内容,又引出即将学习的新问题,可起到积极引导学生思考和发现问题并切入分析问题的能力。

2.2 合理制定教学大纲

依据专业培养方案,围绕OBE教育理念,从宏观和微观角度进行合理设计教学大纲。在宏观层面上,培养方案的设计通常是以社会经济发展对本专业人才的需求状况及趋势为导向,进而制定与之相契合的培养目标、课程体系及毕业要求。微观层面上,基于培养方案的要求。制定相应的能反映课程目标的教学大纲,并选择对应的教学内容,设计合理可行的教学过程。

2.2.1明确培养目标

明确化工设备机械基础在整个化工课程知识框架中的地位,强调该教学内容在社会工作岗位中的实用性,采取精炼学习要点、从基础理论步入实践操作、层层递进的方式完善课程教学内容,实时掌握并传达最新知识动态、化工工程上的各项最新标准以及化工企业的最新发展动态。如该教材内容主要包括化工设备材料、化工容器设计和典型化工设备的机械设计三大部分,化工设备材料部分是以工程力学为基础,主要讲解材料力学,简要概述静力学,可紧密结合化工原理课程中的立式精馏塔或吸收塔进行授课;而对于化工容器设计篇章,则是以薄膜应力理论为基础,简要概述外压容器设计,主要针对工程中常用的内压薄壁容器设计进行精讲,并强调强度计算,其目的是重点突出整体设备的设计理念,即从内外压筒体和封头等主要部件的设计及制造,到法兰、支座、垫片、接管、凸缘、人孔和手孔、视镜等容器零部件的选用与设计。

2.2.2加大实践性教学改革力度

化工专业是工科中具有很强实践性的专业,规划科学合理的实践性教学环节是满足社会人才需求的关键。而传统教学重理论知识的教授,实践教学部分所占比重较小,因此在保证学生能够得到扎实理论知识的前提下,可将实践教学课时适当增加,压缩理论教学课时。比如,化工专业学生较少用到有力矩理论和弹性力学理论,在教学过程中对其进行简单介绍即可。其次,可把课堂上教授的化工设备理论内容插入课程设计的实践教学环节,让学生在实践中体会如何选择合适的化工设备材料,如何设计内外压容器的结构参数,如何选型化工设备等。这种将理论教学和实践教学相结合的教学改革,既能够突出教学重点,又能实现培养学生工程应用个人能力的目的。

2.3 改进教学设计模式和方法

应用型本科教育已由原来的空谈理论和不能解决实际问题的理论研究逐步转型为以教学实践为核心的“深水区”。改进教学设计模式和方法亦显得迫在眉睫。基于深刻理解OBE理念,充分掌握企业人才需求,并以学生毕业应该具备的理论知识、实践能力和专业素养等方面为依据,明确化工设备机械基础课程在化工学科中的重要性,保证学生的课程成果输出。

2.3.1培养创造能力

在授课过程中要求教师积极开发学生的思维。比如,在理论课堂上推导出内压薄壁圆筒及封头的厚度计算公式后,可引导学生思考如何确定外压容器的厚度计算公式、如何确定公式中的参数,与内压容器的不同之处有哪些等,提高学生分析解决问题和查阅资料的能力。

2.3.2启发式、探究式、参与式多种教学模式相融合

该课程内容复杂,涉及化工设备的方方面面,其理论性强、计算公式多且繁琐、设备图形抽象不易理解,因此在理论课堂上,教师可采用多媒体展示化工设备的工作动态图及其受力状态,并结合板书推导计算公式,利用翻转课堂的教学模式达到上课过程中生动形象且直观准确的效果。此外,教师可穿插一些有趣的课堂小实验,帮助学生更深地理解一些理论性的力学概念。比如在学习几种约束应力时,可让学生观察日常生活中有哪些约束的应力,不仅提高了学生的学习兴趣,且能进一步加深对理论概念的理解。在学习材料性质时,可鼓励学生进行一定范围的社会调查。比如在市场中找寻材料的铭牌,并通过查询国标对其性能做出评估,以此作为选择商品的参考依据,做到学习与生活密切联系,达到提高学生学习主观能动性的目的。

2.4 理论与实践结合,开辟第二课堂

化工设备机械基础课程涉及工程力学、化工原理及机械设计等多门学科内容,主要介绍了典型化工静设备的机械设计基础、原则和方法,属于工程实践性比较强的课程。该课程的成果输出为典型化工设备的设计,然而工程上每个化工设备均拥有各自独特的立体结构,如果只开展课本知识的抽象讲解,学生很难深入理解和融会贯通,仅仅停留在课本的字面意思,与工科学生的培养目标背道相驰。因此,在设计教学环节时,实践部分占据着举足轻重的地位,它是培养学生工程能力和创新思维的最佳途径。因此,为充分实现实践教学最大效益,在教学过程中要理论联系实践,开辟第二课堂,防止出现理论教学与实践教学脱节。

2.4.1多方面培养学生的应用能力

化工专业的课程实践环节可包括三部分:①课程设计。在该设计过程中,可将化工设备机械基础各章节知识点串联,提高学生的逻辑思考能力,解决在完整设备设计过程中遇到的实际问题;②化工专业实习。例如大一下学期的专业认识实习和大四上学期的毕业实习,学生通过真实经历化工生产过程,不仅能更加具体形象的认识设备结构,也能全面理解和把握设备设计过程中影响各参数选择的因素,教师有必要将这类实践性强的课程具象化以达到辅助学生理解理论知识、激发专业兴趣、培养创新思维意识的目的;③参加专业比赛。在专业教师的指导下,通过参加化工设计大赛,过程装备实践与创新大赛等,将所学专业知识加以应用和提升。因此,将课程设计、各类化工专业实习、专业比赛相结合,学生可扎实积累专业知识,全方位提升并掌握专业能力。教师通过指导专业竞赛,一方面可进一步加强实践能力;另一方面也根据积累的典型教学案例,不断调整教学方法,以竞赛促教学,提高技能教学的有效性,实现“以赛促教,以赛促学,以赛促改”。

2.4.2协调理论教学与实践教学间的关系,实现无缝衔接

通过将教学内容、工程实践、课题项目三者紧密结合,扩大学生的视野,开拓学生的创新思维,努力使其达到高阶认知。课程认识实习安排时间要得当,学生对本专业有了一定认知之后方可进行实习。实习结束,实习报告需及时提交,教师必须对其及时点评,激发学生的学习积极性。课程结束后,利用两周时间进行课程设计,任务内容为设计一种典型化工容器。设计结束,教师需及时安排学生进行答辩,以此巩固课堂上所学的理论知识。

课程设计内容的合理性决定了实践教学效果,基于工程项目导向的课程设计将化工设备机械基础课程与化工专业应具备的知识、能力、素养等培养目标全部深度融合至教学过程中。课程设计的选题一般来源于工程或教师科研项目,选题应符合教学基本要求,题目应具有一定的综合性、设计性,难度和工作量要适当,学生在规定的时间内可完成设计,并得到系统的工程综合训练,从而提高学生的工程素质。此外,做到使每个学生都有一个选题,确保学生从选题、查阅资料、设计、修改、出图、撰写提交课题报告等一系列实践活动中得到充分锻炼。

2.5 改革和完善课程评价方式

在新工科背景下,为培养高素质复合型新工科人才,需要改革传统的评价方式。根据经验,诊断性评价和过程性评价有机结合的科学评价方式颇有成效,评价内容可由课堂出勤率、平时作业、小组研讨和实践项目、期末考试四项构成,贯穿整个教学过程,评价标准为百分制,≥60考核通过,<60不通过。①为了保证公平性,各项内容的成绩占比可由教师和学生共同商议决定,做到真实反映学生的成果输出。②平时作业不局限于书本课后习题,也可以是开放题,比如观察生活中应用到哪些化工设备零部件,将知识运用到生活中去。③小组研讨和实践项目有利于考察学生对基础知识的掌握情况、查找课程资料与收集信息的能力、问题分析与解决能力、创造性思维能力、团队成员之间协调合作能力等,考核结果可由学生自评、组成员互评、教师评价三部分综合评定。④期末考试采用试卷模式,但考试内容需涉及理论知识和工程实践两方面,既考察学生对基础知识的掌握情况,又体现学生的综合运用能力。改革教学评价方式突出了过程教学的重要性,促进了学生的全面发展。

3 结语

新工科建设体现了工程教育改革新方向,为适应社会经济的高速发展和高等教育内涵式发展,培养出创新型、应用型等高素质复合型新工科人才,有必要对化工设备机械基础课程建设做出探索。因此,从借鉴OBE工程教育理念和模式、合理制定教学大纲、改进教学方法、开辟第二课堂、改革课程评价方式等多方面,实现理论联系实践,推进学生知识、思维、能力的综合提升,使学生在教学过程中学以致用、以用促学。