新工科视域下化工专业理论和实验教学协同创新模式研究.pdf

第25卷第2期2023年4月Vol.25 No.2Apr.2023安顺学院学报JOURNALOFANSHUNUNIVERSITY新工科视域下化工专业理论和实验教学 协同创新模式研究张秋云 程劲松 马 娟 邓陶丽 张玉涛（安顺学院化学化工学院，贵州 安顺561000）摘 要：在新工科”的大背景下，结合实践经验，针对当前理论与实验教学中存在的问 题，从化工专业教学计划制定、实验教学条件、虚拟仿真平台使用、考核评价体系以及教学 反馈和师资队伍建设等方面，对理论教学和实验教学协同创新模式进行了探索，以期改变现 有问题，促使学生的实践动手能力、工程设计能力、知识应用能力、解决实际问题能力和创 新能力得到全面提升，构建适用于化工专业教学的理论和实验教学协同创新模式。关键词：新工科；理论一实验教学协同；化工专业中图分类号：G6 42 文献标志码：A 文章编号：1 6 73-9507（2023）02-01 1 6-05随着社会经济的高速发展，为顺应行业发展 的新需求，新工科概念于2016年被首次提出，此 后教育部积极推进新工科建设，从“复旦共识”“天大行动”到“北京指南”，新工科的教育理念及 内涵越来越明晰口一幻；2017年教育部发布的教 育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通 知文件中提出各高校要积极开展新工科的研究实 践活动，深化工程教育改革，推进新工科的建设与 发展，以培养大批多元化、新兴卓越工程科技人 才。地方政府也印发了相关文件提出强化学生创新 精神和实践能力培养，促进实践训练与学科前沿、行业标准对接。在新工科背景下，各地高校特别是 地方高校需顺应新时代的发展，积极推动教学理念 和教学方法改革，努力提高人才培养质量。在众多工科专业中，化学工程与工艺专业是工 程性和应用性较强的传统工科专业之一页，它的历 史可追溯到1958年的基本有机合成和无机物（本 科）专业，并于1998年教育部颁布的本科专业目 录中正式整合为化学工程与工艺专业（简称：化工 专业）。化工专业经过几十年的发展，具有如下特 点：（1）化工专业课程体系中实践教学课程较多,这就需要具备较多的实践教学和仪器仪表知识（如 化工专业培养方案中设置的化学反应工程、化工设 计、仪表及自动化等理论课程）；（2）化工专业所 涉及的领域多，不仅包含化学分析、化学合成等传 统化工领域，还涉及材料、能源、环保、食品等领 域；（3）化工专业实践性强，需要的校企合作多,因此，需要更多的化工企业及相关领域企业参与到 化工专业人才培养中；（4）化工专业与化工企业和 国民经济及人们生活息息相关，其专业成果实用性 强。通过以上特点可以看出，化工专业在推动我国 化工行业发展的同时，也形成了各具特色及专长的 人才培养模式。但在化工教学中，其理论教学和实 验教学各具教学特点，且存在工程性、设计性、综 合性实验的开设，如何协调创新理论课和实验课之 间的协同作用，做到以学生为中心是值得思考的，也是非常重要的；同时，重视理论课对实验课的指 导作用，使学生由浅层学习，加上动手过程，引导 学生向广度和深度学习也是值得探讨的。因此，为 适应新时代化工专业新工科建设要求，笔者结合自 身教学实际，从化工专业教学计划制定、实验教学 条件、高效使用虚拟仿真平台、考核评价体系以及 教学反馈和师资队伍建设等方面，对理论教学和实 验教学协同模式进行了尝试，旨在培养学生的实践 创新能力和解决实际问题能力，提升化工学科的学 生培养质量，为新工科的建设注入强劲推动力。1当前理论与实验教学中存在的问题在化工专业教学计划中，实验课学分占总学分 收稿日期：2023-01-1 2基金项目：2022年贵州省高等学校教学内容和课程体系改革项目“新工科视域下应用型高校化工专业实践教学模式的 探索与实践”（2022252）；2022年贵州省级“金课”“虚拟仿真实验教学一流课程”（序号：87）。作者简介：张秋云（1989-），男，贵州盘县人，教授。研究方向：固体催化材料制备、创新创业教育。程劲松（1974-）,男，贵州安顺人，讲师。研究方向：复合材料制备、创新创业教育。116 安顺学院学报2023年第2期20%左右，且实验课是学生在学校将理论与实际相 结合的方式之一旳，但部分地方高校对在新工科背 景下化工专业的建设理解不够深入，更多地重视理 论教学的传授，而轻实践教学，不能很好地将理论 与实践教学有机融合，阻碍了化工专业教学质量的 提高，不能支持学生创新能力的提升及工程实践能 力的培养，最终不利于化工应用型人才的培养。针 对此，就目前化工专业理论与实验教学中存在着的 一些问题（图1）进行了分析。不一致考评机刪考评机刪 羊一羊一#优匸理论与#优匸理论与|宜验载学中|宜验载学中 存在的问題存在的问題教学力式教学力式实雉按舞图1当前化工理论与实验教学中存在的问题1.1 理论课与实验课教学进度不一致由于实验时间和条件的限制，特别是地方高 校，实验课与理论课的教学进度不尽一致。就笔者 所在高校来看，有些课程的理论课和实验课是安排 在同一个学期，但出现了理论知识还未教学而相应 实验项目已经在进行了，这可能导致学生朦朦胧胧 地完成实验后都无法掌握其实验原理；有些课程理 论课和实验课是分别安排在不同的学期进行，如 化工原理安排在第三学期，而化工原理实验 安排在第四学期，且进行教学的任课教师也不相 同，这样虽然能够保证在学习理论课的基础上进行 实验教学，但由于任课教师的不同，知识的侧重点 也不一样，结果可能使实验原理与理论知识的内容 不能相互匹配，学生只能在有限的实验时间内重新 学习理解；另外，由于学习理论与进行实践相隔时 间较长，不利于学生在实验操作过程中将实验过程 与其理论有机联系起来，更不用提及学生是否能够 通过实验发现问题或者自行设计创新实验了，如与 化工原理课程相关的化工生产仿真实验安 排在了第六学期，与理论教学的时间相隔长达三个 学期，可能导致实验过程中学生对化工仿真实验感 到陌生，学生不愿多花时间去关注化工生产仿真实 验的各单位操作特点，只会按照系统给出的生硬操 作步骤完成实验任务，久而久之，实验成效就难以 得到保障；从上述分析可以看出，教学中若出现以 上两种情况都可能使理论课和实验课难以协同配合 达到其课程教学目标。1.2课程教学方式有待完善当前地方高校的课程教学多为传统的课堂讲 授，任课教师仅一味地在课堂上把基本理论及发展 趋势讲解得过于详细，很少给学生留下自主学习的 余地，也缺乏对学生学习的监督。对于实验教学,课前教师已把实验目的、原理以及实验过程等都展 现在黑板上，大部分学生都是按照课前实验讲义及 黑板所述“照方抓药”，而无自己的认识和思考,长期下去会导致学生对实验课失去兴趣，认为实验 课仅仅是简单完成课程任务。另一方面，实验课都 是规定在有限的时间内完成，且实验的步骤和结果 都是实验讲义早已设计好的，这使得学生的思路被 教师牵着走，无法有效培养学生的逻辑思维和实践 能力，最终无法发挥实验课应有的作用，对理论知 识的掌握并没有得到巩固和拓展。如化工仿真实 验中多组分精憎仿真操作实验，学生均按照实验 讲义流程按部就班地操作，虽均能较好完成实验过 程，但学生确没能通过实验加深对精僧的原理的掌 握。为此，如何以高效的方式将学生的思维切入实 验教学中并和理论知识进行“连接”成为亟待解决 的问题。1.3 实验资源缺乏通常，开展实验的仪器数量都是达不到要求 的，很多地方高校都不能做到一人一台实验仪器进 行实验，实验只能分组进行。就笔者所在高校,物理化学实验、化工原理实验、化工专业实验所开 展的每个实验项目的实验仪器都在13台左右,无法满足一人单独完成一个实验项目,多数安排为 两三人一组进行实验，多则可能达到5人一组进行 实验，这无法保障每位同学都能参与到实验当中。同时，部分实验仪器使用时限较长，较为陈旧，无 法满足更新的教学需要；即便更新了相同实验项目 的仪器，但由于仪器是在不断更新换代的，和原有 仪器不匹配，这也给教学上带来一些问题。另外，由于实验仪器的匮乏，理论课上部分抽象和复杂的 原理无法形象直观地展现给学生，这也使得学生不 能更深入地掌握知识。1.4课程考评机制单一目前，大部分理论课的最终考评主要以期末考 试成绩为主，学生平时在课堂表现、阅读课外文 117 安顺学院学报2023年第2期献、自学相关理论、完成课程论文等方面并未得到 充分的体现；而实验课的最终考评主要依据每次实 验后提交的实验报告，学生实验过程中动手操作能 力、原始数据记录情况、自主探究情况等并没有纳 入考评范围，导致部分学生对实验课程敷衍了事,认为简单完成实验报告的撰写就算完成学习任务 了。长此以往，实际的实验教学效果就达不到以能 力导向输出的人才培养原则。2理论教学与实验教学协同创新模式探究基于以上化工专业课程教学中存在的问题，可 以看出，理论教学和实验教学的创新融合对于提升 教学效果、满足新工科背景下化工人才的培养至关 重要。为此，笔者从自身从事化工专业理论和实验 教学的角度出发，对理论教学与实验教学协同创新 模式进行了探究，以期适应新形势下的高校教学。2.1制定新的教学计划一般情况下，实验课的课时都比理论课课时 少，实验教学仅是理论教学的补充。在理论教学和 实验教学的创新融合下，就需要重新制定新的理论 课和实验课教学计划。另外，由于多数情况理论课 和实验课的任课教师不同，教学计划也不尽相同，这时就需要教研室开展教研活动，讨论教学内容,并对课程中陈旧与重复的教学内容进行删减或合 并，对开展的实验项目进行必要的论证，根据培养 目标，设定一定的比例的验证性实验、综合性实验 及自主设计性实验，适当增加一些前沿实验，制定 出理论与实验统一的教学计划，使得基本理论与实 际应用有机结合，并更有效的培养学生的创新和动 手能力。2.2 理论课与实验课互补式教学理论课与实验课互补式教学能有效提高教学效 果，但互补式教学不仅仅是教学内容上的互补，还 表现在教学时间安排上以及实验方式上。那如何从 教学时间和实验方式上保证理论课与实验课的互补 性呢？这就需要授课教师在课程开始前有个总体的 统筹安排，如具体授课内容有哪些，每部分内容教 学时间是多少，对应的实验项目开展时间又是多少 等。另外，实验课前任课教师的讲授也很重要，任 课教师要告诉学生即将进行的实验与理论课中哪些 知识点相关，同时又涉及那些延伸的知识，通过实 验需要验证什么原理或预期能得到什么样结果等 等，给学生留下一定的思考空间。例如化工原理课 程中的离心泵性能知识的讲解，授课前明确学习目 的，告诉学生该部分知识学习后，学生要自行设计 实验进行离心泵性能的测定，在实验进行前，又引 导学生回忆所学理论知识，然后结合理论知识，让 学生明确通过离心泵性能测定能得到什么结果，在 化工生产中又有什么应用。通过这种方式，可以较 好地实现理论课与实验课互补式教学。2.3加大投入，改善实验教学条件在实验硬件条件上，地方高校应以国家、省市 实验示范中心建设为契机，在国家相关政策下，加 大实验室建设经费投入，增加新设备改造旧设备。另外，在实验软件上，学校应大力引进优秀博士和 博士后到学校任教，而新任职的教师可先安排到实 验室熟悉实验教学工作，指导12学期的实验课 程，而后再担任相应理论课教学。长此以往，可打 通理论和实验的课程教学，形成良好的教学氛围。2.4 加大虚拟实验系统和网络平台的使用高效使用化工仿真实验室，能有效完成化工原 理理论课和实操的并轨，避免现实中实验安全存在 的隐患、耗时长、实验成本高，存在物料浪费现象 等问题。现商家开发的各种化工仿真实验系统内涵 丰富，功能上包含仿真系统前端设计、试错案例处 理仿真及协同生产仿真实操（如图2所示），实验 教学内容与学习目标的层次逐步深入，并配套仿真 实施在线评价与管理系统，便于任课教师对过程质 量监控与教学考核；同时，还可通过互联网进行在 线仿真实验，与其他高校学子进行学习交流。另 外，随着大数据技术的高速发展，以及计算机和智 能设备的普及，线上学习受到越来越多的关注，学 生可借助学习机、平板电脑、手机等智能设备打破 时间及场所的限制，自主选择学习时间和地点，提 高课下的学习效率。为此，学校可配套完善网络教 学平台（如优慕教学平台、学堂在线、超星等），整合相关教学视频、教学文件、教学习题等数字化 资源，形成多元化专业教学资源在线课程群，并推 广使用，这样就可通过一台智能设备使教师与学生 之间、学生与学生之间不受时间和空间的限制，得 到更及时更详细的点对点辅导及学习交流，加深对 理论知识的理解。最后，也可尝试将网络教学平台 与化工仿真实验系统结合起来，促进理论教学与实 践教学更好地融合。例如，学生可以在线观看化工 原理实验中多组分精憾的教学视频和操作视频，掌 握什么是多组分精憎？结合化工分离工程理论课所 学的知识再次深入学习多组分精僧分离的基本原 理，在学习理论知识的基础上通过化工精憎过程虚 拟仿真实验初步掌握实验操作，通过线上操作发现 问题并解决问题，对于学生在操作中不熟悉的知识 和操作可以在线反复学习及反复实验，随后再进入 118 安顺学院学报2023年第2期实验室进行现场实验操作，这样的教学过程不仅提 高了实验教学质量，还可使学生更加牢固地掌握多 组分精傳过程的基本原理和实验操作，为学生进入 企业实习打下了坚实的基础，也能显著提高学生运 用所学知识解决化工过程中一般工程问题的能力,满足新工科应用型人才培养的需要。忻丸实验锻学引导的跟率统前端设计案剩设计-1仿真实鴉变操故障除试帶案例彷真实聲模拟婪匪创新 焉核系焼图2虚拟仿真实验教学体系2.5考核评价体系多样化就笔者高校化工专业教学计划开设情况来看,80%的同一课程的理论课与实验课是单独开设，这 就不可避免导致课程考核的单一且不一致为 此，若将两门课程合为一门课程，那该门课程的考 核可由理论水平和实验水平两部分构成，且每部分 还可以按照教学特点细化考核点，如图3所示的实 验课程评价方法，最后两部分按照一定的比重权重 加权后得到最终的考核成绩，这样的考核机制对学 生来说会更全面的、更能评价学习情况。当然若不 能将理论和实验融合，那也可以考虑考核评价体系 的多样化，如可引入课程论文、小设计、文献综 述、调查报告、课堂口试、期中考核等多种形式,给学生提供一个多样化学习环境，使其在对理论知 识融会贯通的基础上可以有自我质疑和表达的机 会，也可以在多种形式中采取学生自评和互评、师 生互评的方式进行多元化考核，有效避免学生单纯 记忆知识以应对考试，而是对课程考核形式产生积 极的兴趣。因此，多样化的考核评价体系既注重结 果又注重过程，既注重理论知识又注重操作技能,切实按照专业培养方案中的毕业要求从问题分析、个人和团队、沟通、终身学习等方面综合评定课程 开展情况。莪豊操禅最充属It紀3驱）平时周绸柑吟）卜厂 娈坐预习报总话）H卖昭掇告撰耳情况OM%）T 質驶肿耶和关盘识（诂）質驶肿耶和关盘识（诂）鰹末考试成绩C3D旳一 富君占讨他实吟摆柞攻敷瞅处艸刖关图3实验课程成绩评价方法2.6教学反馈在加强理论教学和实验教学的创新融合的同 时，学生反馈和教师反馈是不可忽略的，那如何能 够准确得到教学反馈呢？在理论与实验的教学过程 中，任课教师应加强与学生的交流，记录下来教学 中存在突出问题，并在教学后期对学生进行了匿名 问卷调查，这样每_轮教学下来，就能够梳理教学 中存在的各种问题，通过教研室研讨对其讨论后提 出解决方案并应用于下一轮教学，这样就能在良性 循环中不断完善理论与实验教学方法，也能缓解了 理论和实验课的脱节现象，提高教学效果。2.7加快师资队伍建设拥有一支高水平师资队伍是人才培养质量的重 要保证。首先，由于多数情况下理论课任课教师与 119安顺学院学报2023年第2期实验课任课教师不同，这就导致理论与实践衔接得 不好。若能在安排任课教师时，将理论课任课教师 同时安排于教学实验，使得理论教师与实验教师充 分配合，让理论知识在实验开展前能够再一次清晰 地呈现在学生眼前，有助于更好地开展实验；同 时，两位任课教师也能在实验过程中共同辅导学 生、监督学生，为学生解答理论或者实验上的各种 疑惑，促使学生在学习中及时掌握知识，提高理论 课教学效率与质量。其次，地方高校应制定相关文 件，加快引进高水平的教师参与教学，同时积极鼓 励教师组建团队参加全国高校教师教学创新大赛，提高其教学水平；地方高校也可聘请具有丰富实践 经验的企业工程师作为外聘教师参与教学，将他们 的实践经验带入课堂传授给学生，这样不仅可以增 加学生的知识面，还能更切合实际地让学生学习理 论结合实际。最后，地方高校也应该大力支持任课 教师在教学的同时申报各级各类科研课题，这不仅能 让任课教师将自己的科研课题融入平时的理论和实验 教学中，更深入地让学生理解理论是如何指导实践 的；也能促使更多的学生参与到任课教师的科研课题 中，着重的培静生的实践动手能力与创新能九结语本文针对当前理论与实验教学中存在的问题，就化工专业教学计划制定、教学方法的改进、实验 教学条件改善、虚拟平台的推广使用、考核评价体 系、教学反馈及师资队伍建设等方面进行了一些探 讨，旨在为专业培养方案的修订提供参考；同时,也促进理论教学与实验教学的融合，构建新的教学 体系与考核评价体系，激发学生学习的主动性、积 极性及创造性，促进学生知识、能力和素质的全面 协调发展，制定适应新工科背景下应用型人才培养 模式，使课程教学既做到“授之以鱼”，又“授之 以渔”，从而提升教学效率、提高人才培养质量。参考文猷：1 蒋东霖，邵丽颖，丁颂.面向新工科的机械设计制造 及其自动化专业实践教学体系改革研究 J.长春卯范大学 学,2022(4):1 51-1 53.2 郑玉航，宋海涛,夏朝辉，等.适应靳工科建设餉测控 工程专业实践教学体系探索 J.高教学刊，2022(14):49-53.3 王迎春，吴雁，颜文斌，等.应用型人才培养模式下化 工专业实践教学改革探索 J.中国现代教育装备,2019(9):84-86.4 李国栋，于得海,王慧丽，等.靳工科背景下轻化工程 虚拟仿真教学建设 J.高教学刊,2021(29):57-6 0.5 李学慧，胡润丰，吴正舜.理论与实验相结合促进所 学知识的理解与应用：以化工精馅实验为例 J.当代化工研 究,2022(8):1 39-1 42.6 胡毅,王好仁.大学物理理论课与实验课整合餉探索 与实践 J.汉江师范学院学报,2018(3)：114119.7 古凤灵，宋永海，汪莉.理论与实验教学融合的分析 化学教学模式初探 J.山东化工，2020(22):1 6 41 6 5.Research on the Collaborative Innovation Mode of Theoretical and Experimental Teaching of Chemical Engineering Specialty from the Perspective of New Engineering ZHANG Qiuyun CHENG Jingsong MA Juan DENG Taoli ZHANG Yutao(College of Chemistry and Chemical Engineering,Anshun University,Anshun 56 1 000,Guizhou,China)Abstract:Und er the background of emerging engineering,and combined with practical ex perience.Aiming at the problems ex isting of the theoretical and ex perimental courses,the collaborative innovation mod e of theoretical and ex perimental teaching is stud ied from the aspects of teaching plan formulation,experimental teaching cond itions9 use of virtual simulation platform,assessment and evaluation system,teaching feed back and teacher team construction of chemical engineering specialty,so as to change the existing problems.In ad d ition,it can also promote stud ents practical ability,engineering d esign ability,knowled ge application ability,practical problemsolving ability,and innovation ability to be improved,and constructing establish a collaborative innovation of theory and ex periment teaching suitable for chemical engineering specialty.Key words：new engineering；collaboration of theory and ex periment teaching；Chemical engineering specialty(责任编辑:王德红)1 20