学生多元化角色培养：化工热...学融合式教学模式改革与实践_阳庆元.pdf

年月 第 卷 第期 作者简介阳庆元（），男，教授；张心怡（），女，本科生；冯璇（），男，本科生；刘志平（），男，副教授；刘清雅（），女，教授。通信作者阳庆元，：。基金项目：北京化工大学 化工热力学 本科教材建设项目（）。学生多元化角色培养：化工热力学融合式教学模式改革与实践阳庆元，张心怡，冯璇，刘志平，刘清雅（北京化工大学 化学工程学院，北京 ）摘要 基于化工热力学课程教学改革现状，文章探索了基于工程案例分析的融合式教学模式的应用。以化工热力学中能量平衡和火用平衡计算的知识点为例，教师选取历届全国大学生化工设计竞赛优秀作品中的工程案例，通过课堂理论知识讲授、课后工艺流程分析及措施优化，以小组研讨答辩的形式实施教学改革，引导学生从学习者、设计者等角度深入思考，进而培养学生的多元化角色。教学实践表明，这种基于工程案例分析的融合式教学模式对提高课程教学效果和培养复合型卓越工程人才大有裨益。关键词 教学改革；化工热力学；工程案例分析；多元化角色培养 ：，（，）：，：；年以来，我国积极推进新工科建设，不断探索工程教育改革的新模式、新经验，并提出了“问产业需求建专业，问技术发展改内容，问学校主体推改革，问学生志趣变方法，问内外资源创条件，问国际前沿立标准”的新工科建设理念。新工科建设项目是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的，为高等工程教育改革探索提供了一个全新的视角。在此背景下，高校除了完成理论课程教学外，还应该关注学生工程思维和综合素养的培养，形成面向工程、项目驱动、能力培养、创新发展的教育理念。化工热力学是化工类专业的主干核心课程，主要讲解热力学基本概念和方法在化学工程中的应用，是一门理论性与工程性兼备的课程。化工热力学基本理论为化学反应、分离过程中物质及能量的合理利用提供指导，具体体现在化工设计、生产实习等实践环节中。但是，由于其抽象的理论，学生认为该课程是“一大堆的数学符号，没完没了的数据，无穷无尽的计算”。可见，该课程的工程内涵在教学过程中未能得到充分体现。因此，结合新工科人才培养理念，在教学中回归课程本质并充分发挥其面向工程实际的关键作用，是化工热力学课程建设亟待解决的核心问题。一、国内外化工热力学课程教学改革现状针对化工热力学课程教学改革，国内外相关领域的同行已经进行了一系列有益的探索与实践。文献调研发现，改革创新想法表现为实施启发式教学和注重课程知识的综合应用，着重点在于培养学生的学习兴趣和分析与解决实际问题的能力。麻省理工学院材料科学系的 教授在化工热力学课堂上经常组织小型研讨会，要求学生在实践中学习与创新，以强化学生的思维能力；浙江大学陈新志教授等通过 软件辅助教学，在激发学生学习兴趣的同时，提高学生的工程应用能力；南京工业大学曹健等开发“故事教学法”，列举大量与化工热力学原理密切相关的生产生活实例，引导学生透过现象看本质，深刻感受化工热力学的魅力；天津大学夏淑倩教授等以芳烃抽提工艺为典型案例，围绕化工热力学课程中的相平衡知识点，在课前准备、课堂讲授分析、课后研讨等几个环节中详细设计了案例教学过程，培养学生的创新精神和实践能力。上述实践表明，采用案例教学法将理论与实践紧密结合，可以极大地提高课堂教学效果。虽然化工热力学课程的创新性改革应注重回归工程实践，但是当前的研究和实践中很少提及系统性的案例分析教学实施方案，让学生以策划者的角色完成从无到有的实践做得并不充分，因此不足以起到激励学生掌握化工热力学理论知识应用的作用。同时，国家产业结构的升级对工程人才的综合素质提出了更高的要求，而上述课程教学改革成果多局限于学生学习层面，其改革导向可进一步深化。因此，我们基于前人的实践工作，进行了教学改革探索。二、以多元化角色培养为导向的课程改革总体思路（一）聚焦人才培养目标，确定课程改革的指导方向一直以来，国内外高校基于成果导向教育（，）等人才培养理念实施课程教学，并致力于推动人才培养目标与时俱进。我们通过深入研究中国工程教育专业认证协会发布的 工程教育认证标准（版），结合麻省理工学院、斯坦福大学及加州大学伯克利分校等一流院校的人才培养实践，总结出化工专业人才培养的核心目标：能够有效地应用专业知识解决实际工程问题（专业化）；考虑社会、环境、经济和安全等因素，并表现出高标准的职业道德和责任感（社会化）；鼓励学生自我提高，成为终身学习者（个性化）。这种“三化合一”的人阳庆元，等 学生多元化角色培养：化工热力学融合式教学模式改革与实践才培养目标，能够适应社会发展的需要。近年来我国高校的工科人才培养目标也逐渐向个性化、专业化方向发展，开始呈现多类型、自主性的局面。因此，我们在全面分析、充分借鉴的基础上梳理改革思路，在培养目标的维度上突出创新实践、追求卓越、交流合作等新工科人才的核心素养，确立了包含主动学习者、工程设计者、创新探索者、团队建设者的“四位一体”多元化角色培养目标，明确了课程改革的指导方向：在课程设计中赋予学生不同角色，并针对不同角色应具备的核心素养进行相应的教学任务安排，使多元化发展的思想贯穿始终，最终培养具备国际竞争力的高素质复合型卓越工程人才。（二）优化课程方案，推动教学内容创新如果将化工热力学课程改革比作修建高楼大厦，那么人才培养目标就是设计蓝图，而具体的课程改革方案就是主体承载结构。我们在课程改革中贯彻实施“成果导向、以学生为中心、持续改进”的教育理念，逆向设计教学过程，促进案例分析教学的动态化完善与人才培养质量的持续性提高。同时，我们借鉴其他高校的经验，选取贴近产业发展需求的全国大学生化工设计竞赛题目作为案例，并对工程案例分析的具体实施过程进行了优化。融合 理念的课 程 改 革 思 路 如 图 所示。图融合 理念的课程改革思路在理论准备阶段，我们改进了工程案例分析的纵向结构。教师在确定并发布案例分析任务后，给学生预留足够长的时间查找资料，并同步讲授相关的知识点。将学生自主探索与教师课堂讲解相结合，可提高学生听课的目的性与专注度，同时能避免理论与实践脱节的问题。在学生实践阶段，我们注重以学生为本，明确学生在工程案例分析中的主体地位。教师在教学中不设置过多的实践规则，给予学生足够的操作空间，只针对相关计算与分析问题给出提示，以保障学生有充足的思考空间。在能力强化阶段，我们引入工程软件辅助课程教学。教师在教学中大量使用 模拟软件，凸显化工计算软件的效用，使工业流程模型立体化、清晰化，以提高学生的知识综合运用能力。在成果考核阶段，我们完善了考评制度。考核采用多导师评价方式，来自不同领域的导师（包括化工热力学课程教学组和化工设计指导教师）从不同维度考查学生的能力，以确保评价的公正性、综合性。项目完成情况纳入课程考评体系，以激励学生高质量完成任务。在反馈改进阶段，我们建立了学生反馈机制。教师在实践教学结束后开展调研，了解案例教学的效果，注重倾听学生的意见，并据此不断完善课程改革思路。三、基于工程案例分析的融合式教学模式构建在教学改革思路的指导下，结合多年的教学体会，我们以学生多元化角色培养为导向，以工程案例分析为依托，构建了理论结合实践的融合式教学模式，其框架如图所示。（一）优化案例选择在实践教学中，所选用的工艺流程案例应具备以下特点：来源于工业生产实际，具有可行性和合理性；紧密结合化工热力学课程教学内容，覆盖面广；具有衔接作用，便于引导学生面向丰富的实际工业生产，探寻工程设计的魅力；具有现实性，能反映化学工业发展的时代需求。综合上述考虑，我们选择 年第十四届全国大学生化工设计竞赛的主题“以碳五烷烃为原料制备非燃料用途的化工产品”作为工程案例分析内容。碳五馏分的资源化利用契合国家“双碳”目标下的绿色发展理念，可以使学生树立节能环保意识。我们选取北京化工大学“破浪济沧海”队设计的异戊二烯合成及精制工段，包括碳五分离工段、正戊烷异构化工段、异戊烷脱氢工段，这部分内容的教学有助于学生初步了解当代石油化工中重要产品的生产原理，为后续专业课程的学习打下基础。阳庆元，等 学生多元化角色培养：化工热力学融合式教学模式改革与实践图融合式教学模式框架（二）实施案例分析实践教学主要围绕有效能量计算与分析展开。学生需选定工段分组合作，对流程进行物料、能量、熵及火用的计算，分析能量利用效率，提出节能措施并进行验证，最终提交项目报告、个人报告，并进行 汇报展示。主动学习者工程案例分析将理论与实践相结合，要求学生集中运用热力学第一、第二定律及其他知识点，完成各个操作设备的计算与分析。在教学过程中，教师要充分调动学生的学习主动性，引导其自主完成知识的整合与应用。例如，学生需要用稳流体系的能量平衡方程计算进出控制体系的能量，并验证能量守恒定律：（）（）实际流程中包含换热器、精馏塔、离心泵、反应器等多个操作设备，涉及各种流体流动情况，因此该环节的分析任务可考查学生对方程（）中各个参阳庆元，等 学生多元化角色培养：化工热力学融合式教学模式改革与实践数物理意义的理解能力和对具体问题的分析能力。在进行熵与火用的计算时，学生会发现进出控制体系的熵和火用并不相等。这是因为，能量平衡方程建立的基础是热力学第一定律，仅反映了能量的数量守恒；而熵与火用的计算引入了热力学第二定律，熵产生和火用损失反映了过程不可逆导致的能量质量不守恒。将繁杂的知识点立体、直观地呈现给学生，有助于提升学生的学习兴趣，促进学生对知识点的理解。工程设计者工程案 例 分 析 需 要 学 生 大 量 反 复 地 使 用 软件查看工艺流程和流股数据。在利用 软件对实际生产流程进行模拟的过程中，学生可以从工程设计者的视角熟悉工艺流程并深入理解设计要点，同时建立工程思维。实际的工艺流程复杂烦琐，参数的微小改变往往会产生很大的影响。通过调节参数，学生能够意识到统筹全局的重要性，进而形成认真负责的态度和安全至上的意识。此外，工程案例分析的重点之一是确定如何最大化地减少能量损耗。学生尝试从能量利用的角度去思考流程的不足之处，并将自己的创新想法用 软件进行模拟验证，为他人的工艺流程注入自己的设计思想。这样的实践过程可以极大地提升学生的工程设计能力，激发学生对化工设计的兴趣，为他们参加后续的全国大学生化工设计竞赛打下基础。创新探索者培养学生创新思维的关键在于使学生树立积极探索的意识并为学生提供自由思考的空间。在传统的化工热力学教学中，学生的主要任务是完成课堂习题。这种教学方式的弊端在于，学生往往会照抄例题的解题思路或者直接等待老师解答，从而导致思维的僵硬固化和学习的惰性积累。在工程案例分析中，学生需要根据实际情况寻找解决方案，利用自己的知识储备做出正确的判断。这样的方式虽然增加了学生出错的概率，但会使学生在反复碰壁与思考改进中获得长足的进步。在案例分析实践中，我们充分释放学生的自主操作空间，鼓励他们提出丰富且新颖的设计思路。碰壁与改进之间的良性循环，最大限度地发掘了学生的创新潜能，重构了学生的思维方式，促进创新思维成为学生个人发展的核心竞争力。团队建设者良好的团队合作精神是建设优秀团队的必要前提。合作的基础是沟通与表达，在工程案例分析过程中，我们鼓励学生通过积极与他人沟通来表达自己的观点，并理性倾听他人的建议，以提升自我表达能力。学生在进行辩证思考的同时，也增强了人际交往的灵活性。另外，由于工程实践具有很强的综合性，我们注重小组成员的多样性，鼓励组织能力较强、写作水平较高、逻辑思维敏捷等各有所长的同学组队，这样组内成员可根据实践任务和个人能力的匹配度明确自身定位，形成良好的合作关系，保证工程案例分析顺利进行。在完成任务的过程中，学生会 逐 渐 形 成 对 其 他 成 员 的 信 任 感 和 认 同感，以及对整个团队的依赖感，进而以集体利益为重，更好地进行团队合作。（三）完善保障机制建立相应的课程保障机制，对于实现新模式下教学方式的转变非常重要。为提升融合式教学模式的实施效果，我们以科学的考评和实时的反馈为保障举措。在传统的教学模式中，课堂讲授共 学时，总评成绩由平时作业成绩（）和期末考试成绩（）构成。在新的教学模式下，我们保留了 学时的课堂讲授，对总评成绩的构成进行了调整，调整后的平时作业占、平时课堂表现占、工程案例分析占、期末考试占，这样可以更加全面地考核学生的学习效果和学习过程。针对工程案例分析，我们从 汇报展示、项目报告撰写、个人报告撰写三个方面综合评定学生成绩（见表），其中 汇报展示所需学时从课程总学时中分配，项目报告与个人报告撰写则由学生利用课余时间完成。在进行课程实践的同时，我们通过学生问卷调查，了解新模式的实施效果。此外，我们还计划在下次课程大纲修订时继续优化工程案阳庆元，等 学生多元化角色培养：化工热力学融合式教学模式改革与实践例分析在总评成绩中的占比，以进一步凸显其重要性。这种考评与反馈相结合的课程保障机制，为改进融合式教学模式提供了依据，有助于提升教学效果，最终实现课程教学目标。表工程案例分析的评分细则分数 分 分 分 分 分知识运用与问 题 解 决（）理 解、熟 练 运用 知 识，计 算 全面 且 准 确；提出建设性的改进措施并成功实践对 知 识 的 理解、掌 握 及 计 算不 够 全 面；提出创新性的改进措施知识理解不透彻，完 成 基 础 的计 算 任 务；提出 相 应 的 改 进措施知识理解不透彻，计 算 出 现 较大 的 误 差；改进措施不具备可行性未 理 解 知识、未完成基础计算任务；无 改 进措施 汇 报（）表 达 自 信，节奏 把 控 精 准；制作美观大方吐 字 清 晰，节奏 把 控 良 好；制作简洁明了落 落 大 方，节奏 把 控 良 好；制作清晰准确略 有 紧 张，节奏 把 控 较 差；制作不够清晰言语不清，节奏把控差；制 作混乱项目报告撰写（）主 题 明 确，主次 分 明；格 式标准，内容翔实主 题 明 确，详略 得 当；格 式标准，内容全面主 题 较 明 确，有 详 有 略；格式 正 确，内 容 基本涵盖偏 离 主 题；格 式 存 在 错误，内容不全主题模糊；格式混乱，内容不全个人报告撰写（）组 内 贡 献 度 大，个 人 参 与 度 高，积极思考组 内 贡 献 度 较大，个 人 参 与度高组 内 贡 献 度 一般，基 本 完 成 个人任务组 内 贡 献 度 较低，个 人 任 务 完成质量较低组 内 贡 献 度低，不能完成个人任务四、融合式教学模式实施效果反馈（一）问卷调查结果基于融合式教学模式，我们在化工类专业 级的个班开展教学活动，并进行问卷调查。问卷包括 道单选题、道多选题和道填空题，填写人数共计 人次。问卷调查结果如图所示。有 的同学表示工程案例分析促使自己掌握了化工热力学知识；有 的同学认为工程案例分析对化工热力学课程学习有很大帮助；还有许多同学在团队合作能力、了解课外图基于工程案例分析的融合式教学模式改革在促进学生培养方面的作用阳庆元，等 学生多元化角色培养：化工热力学融合式教学模式改革与实践知识、学习等方面有所收获。可见，融合式教学模式对学生学习的帮助是多方面的，对于学生的综合素质培养起到了促进作用。我们进一步了解了学生在工程问题分析、困难问题解决、优秀团队建设等方面的收获，发现学生能以不同的角色进行灵活思考。如图所示，学生的工程设计能力得到了极大的提高，有 的同学对实际工艺流程有了更加清晰的认识，有 的同学表示愿意积极学习更多的化工生产流程。同时，的同学能够通过上网查阅资料、组内讨论等途径（见表）正确解决问题，且团队协作能力有所提高。以上结果表明，化工热力学课程融合式教学模式能够培养学生的多元化角色，促进卓越工程人才培养目标的达成。图融合式教学模式下的学生素质提升情况表学生解决案例中工程问题的途径（多选题）选项人数比例上网查阅资料 组内讨论 请教学长学姐 请教老师 不解决 （二）课程目标达成度分析为了了解工程案例分析教学在提升课程目标达成度方面的作用，我们对教学改革前后的期末考试情况进行了分析，结果如图所示。由图可知，实施工程案例分析教学不仅有助于学生在实践中学习，还有利于提高学生的考试成绩，进而有效提升课程目标达成度。化工热力学课程教学主要支撑个课程目标的达成，其中目标侧重各种计算状态函数的模型构建和使用，目标注重基于平衡方程的流动体系分析。课程质量评价报告的数据表明，在新的教学模式下，个目标的达成度均有所提高。融合式教学模式实施之前，学生（级）的课程目标和的达成度分别为 和 ；而实施之后，学生（级）的课程目标和的达成度分别提高到 和 。另外，从期末考试得分率来看，教学改革实施之后高分段（得分率大于）人数明显增加，其中得分率在 以上的学生人数占比从 （目标）和 （目标）上升到 和 。由此可知，接近工程应用的综合性案例分析教学，对于学生理解热力学概念和模型、掌握过程分析方法都有帮助。图工程案例分析教学实施前后的课程目标达成度对比分析五、结论与展望基于工程案例分析、体现学生多元化角色培养的化工热力学融合式教学模式，是推进高校课程改革、倡导多元化教学方式的一种探索。我们通过开展工程案例分析教学，融入“四位一体”多元化角色培养目标，有效提高了学生分析与解决工程问题的能力。但化工热力学课程教学改革是一个大课题，本文所阐释的融合式教学模式仅仅是面向人才培养的众多实践形式之一，或许仍有不足。在未来的教学中，我们将进一步优化和完善工程案例分析的形式与内容，同时促进实践育人模式提质增效，最终构建一套契合人才培养目阳庆元，等 学生多元化角色培养：化工热力学融合式教学模式改革与实践标的课程教学体系。我们期望以专业核心课程改革为契机，拓展高校在新时代背景下的人才培养思路，为推动高校的“双一流”建设、提升高等教育的内涵提供参考，同时服务于国家的新工科建设，为我国迎接新一轮工业革命贡献智慧和力量。（责任编辑：李丽妍）参考文献：张盈盈，杨许召，韩光鲁，等 新工科背景下 化工热力学 课程的教学改革 山东化工，（）：刘红梅，韩永萍，侯春娟，等新工科建设背景下制药工程专业化工原理教学创新设计化学教育（中英文），（）：丁雪，宋春敏，刘熠斌，等基于工程实践能力培养的化工热力学课程教学改革教育教学论坛，（）：童张法，陈小鹏，梁杰珍，等面向工程应用 五位一体打造“化工热力学”课程 中国大学教学，（）：董一巍，殷春平，李效基，等 麻省理工学院创新型人才的培养模式与启示高等教育研究学报，（）：陈新志，张哲明，钱超用 软件辅助化工热力学教学（二）均相热力学性质推算 教育教学论坛，（）：曹健，冯新，陆小华以学生视角看化工热力学课程的教与学化工高等教育，（）：，夏淑倩，李永红工程案例在工程专业学位硕士研究生化工热力学课程教学中的应用化工高等教育，（）：钟登华新工科建设的内涵与行动高等工程教育研究，（）：李冰洋，詹逸思美国一流大学化工专业课程设置研究化工高等教育，（）：，（上接第页）参考文献：教育部关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知：教高厅函 号 ：中国 工 程 教 育 认 证 协 会 认 证 结 论 ：张凤宝，夏淑倩，李寿生 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