《化工设计》课程改革与实践.pdf

收稿日期:2 0 2 3-4-1 3基金项目:华北理工大学课程思政优秀教学案例课程,华北理工大学校级教育教学改革研究与实践项目(编号:T-L 2 2 5 2)作者简介:陈红萍(1 9 7 0-),女,博士,河北省滦县人,教授,硕士生导师,主要研究方向:煤化工下游产品加工和环保催化剂的研究。化工设计课程改革与实践陈红萍,郭 瑞(华北理工大学,河北 唐山 0 6 3 2 1 0)摘要:化工设计 课程在化学工程与工艺专业学生工程能力、工程伦理和职业道德培养等方面起着举足轻重的作用。课程组通过对教学目标优化整合,以“化工设计竞赛”为任务驱动,工程案例和思政案例为引导的教学模式改革和过程成绩、大赛成绩和答辩成绩相结合的考核方式改革,充分调动了学生利用所学知识分析解决问题的积极性,在完成大赛任务的同时,达到知识和能力的提升,并且将思政教育在实践中升华,从而培养出具有高度使命担当意识、科学精神、工匠精神和较高专业综合素质的复合型化工人才。该课程的教学模式对其他具有工程能力培养的专业课程的教学,尤其是思政教学有参考和借鉴意义。关键词:化工设计;思政;化工设计竞赛;工程能力;教学方法中图分类号:G 6 4 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 8-0 0 7 1-0 5 立德树人是高校教育的一项根本任务,而课程思政是新时期立德树人的根本遵循1。2 0 2 0年5月2 8日教育部发布的 高等学校课程思政建设指导纲要(教高2 0 2 03号)提出“全面推进课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措。落实立德树人根本任务,必须将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体、不可割裂。要紧紧抓住教师队伍 主力军、课程建设 主战场、课堂教学 主渠道,让所有课程都承担好育人责任,使各类课程与思政课程同向同行,形成协同效应,构建全员全程全方位育人大格局”。这就要求每一门课程根据专业人才培养目标、所支撑的毕业要求和课程内容,做好整体设计,明确课程的知识能力目标,科学合理融入思政教育元素,建立思政目标,推动思政教育与专业教育有机融合2。化工设计 课程作为将专业知识应用到工程技术中的一门重要专业技术课程,在学生工程能力、工程伦理和工程职业道德培养等方面起着举足轻重的作用。然而在传统教学中,化工设计课程也像其它专业理论课程一样,以课堂讲授为主,存在“重智轻能轻德”的问题3。为了在传授学生理论知识的同时,增强其工程实践能力,树立工程伦理观念和职业道德素养,达到立德树人的目的,我们对课程的教学目标、教学模式和考核方式进行了一系列改革,并取得了一定成效。1 传统教学过程中存在问题及课堂痛点 化工设计 课程是化学工程与工艺专业的一门重要专业技术课程,课程要求综合运用化工原理、化工热力学、化学反应工程、分离工程、系统工程和化工工艺学等专业核心课程的基础知识进行化工厂(或车间)实际复杂工程问题的分析解决,并要求掌握现代化工设计的思想、方法和工具。课程以化工厂(或车间)工艺设计为核心,系统阐述了化工设计的原则、方法、设计内容和程序,以及设计过程的工程图纸的绘制。因此该课程没有新的理论知识的学习,仅仅是所学专业基础知识和专业知识在化工厂或车间工艺设计过程中的实践应用,是专业知识的综合应用,是培养学生工程能力、工程伦理和工程职业道德的核心课程。课程组在课程建设过程中,从新时代立德树人的要求出发,结合“网生代”学生学习知识的特点,遵循产出导向理念,以学生为中心,不断分析教学中存在问题并进行改革创新。课程团队对教学过程弊端分析如下;1.1 课堂教学气氛寡淡,学生学习效果差 化工设计 课程为化工厂设计内容、设计程序和设计方法的系统阐述,采用传统课堂讲授方法,则有平淡乏味,缺乏创新性和挑战度,虽然在课程17 2 0 2 3年第8期内蒙古石油化工讲授中引入主题讨论、提问、动手设计和翻转课堂等教学方法,但由于各章知识的相对独立且应用的专业知识较多,有些学生前期所学专业知识不扎实等问题,导致学生在课上提问或讨论过程中处于被动思考、应付差事的状态,难以调动学生主动分析解决问题的积极性,尤其是难以将所学知识进行关联,应用到最终工厂的设计中,导致最终的工厂整体设计能力差,考虑问题不周全等问题。1.2 考核形式单调,知识碎片化,难以全面考核设计能力由于课程各章节与工厂设计内容相关联,而具体内容表象不相关,教师讲授中各章节再以不同工段设计为例,出现了各章节知识离散,缺少核心,导致学生对所学各章节知识碎片化。最后再以仍旧是碎片知识展现的试卷考核,使学生学完课程后对各章所学知识缺乏关联和全面了解,且有些能力难以在试卷考核中体现,因此课程目标不能得到全面量化考核。所以,即使学完课程,考核达标,也难以达到课程目标所要求的对整体工厂/车间的工程设计能力。1.3 思政元素的引入片段化,对学生工程伦理、职业道德和责任担当等思政教育浮于表面,难以让所学内化为自身素质的提高。化工设计 课程是专业知识的综合实践应用,是培养学生工程伦理和职业道德的重要课程。传统教学中为增加思政教育而融入的思政案例虽然能起到一定的教育作用,但缺乏系统的关联和在实践中的思考和应用,导致学生在学习过程中仅作为案例进行了了解,但在工艺设计过程中疏于体现,使思政教育浮于表面,难以内化于心,提高自身的整体素质。2 优化课程目标,明确知识、能力与思政目标为落实立德树人的根本任务,培养具有扎实的化工专业基础知识、较高的工程能力和工程职业道德,具有高度责任感和使命担当的化工工程师,课程团队围绕工程教育认证的产出导向理念,以学生学习的产出目标为课程改革方向,根据课程的特点、专业人才培养目标和对毕业要求的支撑,对原有课程目标进行了优化整合,明确课程的知识、能力和思政目标,将知识能力目标和课程思政目标分别表述,如图1所示。图1 化工设计课程目标3“以学生为主体,以学生能力的培养为目标”的O B E教育理念的教学模式,达到学生能力的全面培养为了将课程知识在学生完成的任务推进中学习,提高学生对课程学习成就的获得感,我们借助一年一度的“全国大学生化工设计竞赛”这一方舟,将课程讲授内容与大赛内容紧密结合,过程中以工程案例深度讲解各部分设计内容及程序,深挖过程中的思政元素,引入思政案例,将知识讲授-大赛任务-思政教育有机融合,在阶段性竞赛任务完成过程中实现知识应用、能力提升和思政教育的消化吸收,螺旋推进(如图2所示),完成课程的知识能力目标和思政目标的达成,同时完成设计竞赛任务,达到立德树人的目的。27 内蒙古石油化工2 0 2 3年第8期 图2 知识讲授-大赛任务-思政教育有机融合的教学设计 具体实施措施如下:3.1 问题导向和P B L任务驱动探究式教学模式的探索3.1.1 以大赛为媒介,以赛促教,以赛促学 化工设计 课程讲授内容主要为化工厂设计的内容及程序、工艺流程设计、物料衡算和能量衡算、化工设备的设计计算及选型、车间布置设计、管路布置设计、非工艺条件设计和工程概算。而化工设计竞赛任务书要求提交资料恰为化工设计课程每一章节学习结束后能达到的设计能力所需提交的资料。因此,在课程讲授之前,要求所有学习化工设计的学生必须参加全国大学生化工设计竞赛。学生拿到设计竞赛任务书时是懵的,完全不知道任务书中要提交的这些资料如何设计,如何通过学习化工设计这门课,完成化工设计竞赛。因此在化工设计第一讲课,除了课程的介绍外,主要介绍化工设计竞赛任务书和课程目标之间的关系,详细介绍课程内容和大赛提交资料之间的对应关系,使学生知道 化工设计 这门课程学完可以干什么,可以获得哪些能力。使学生在主动完成竞赛过程中,带着疑问学习课程,带着问题来上课,较大地提高了学生学习的主动性。3.1.2 以案例引导,充分调动学生利用所学知识主动思考,培养分析解决复杂工程问题的能力化工设计课程内容是工厂工艺设计内容,而工厂设计过程中的每一个环节都关系到安全生产。化工厂安全事故是普通人心中共识的安全大问题,“谈化色变”也由此而来。因此,在每一章节的设计过程中,不能平铺直叙讲设计原则、内容和程序,而是采用对应部分的案例事故引出,让学生通过案例分析,进行归纳总结设计原则、设计内容和程序,再由教师引导拓展,给出该部分设计内容的总结归纳,同时要趁热打铁,将所学习的设计内容进行训练,通常采用课堂随堂练和课下结合大赛内容训练的形式,使学生对设计内容和方法真正学会并能根据设计要求进行工艺设计。3.1.3 翻转课堂,举一反三,进一步调动学生学习主动性,挖掘学生的创新潜力,培养学生解决复杂工程问题的创新思维和双碳意识学生以5人一组参加全国大学生化工设计竞赛,随着课程推进,学生会在设计过程中遇到各种问题,针对设计过程中与课程进度同步出现的问题,组织专门一讲课进行翻转课堂的课程讨论,以小组为单位进行小组汇报、质疑和改进。例如反应工段设计,对于1,4-丁二醇的合成工段,为强放热反应,不同组给出自己认为最先进合理的反应器。为了让大家对强放热反应工段的设计有全面了解,布置具有类似反应特点的甲醇合成及精馏虚拟仿真实验作为该部分的工程案例,学生通过虚拟仿真实验操作,了解强放热反应器的要求,需要控制的参数及能量和原料高效利用的方法。采用翻转课堂形式,抽选六组同学做自己大赛中反应工段设计的课堂的汇报和质疑答辩。学生在组织汇报过程中,通过查阅资料,总结适于该特点的反应器,并对反应热高效回用,对未反应的原料快速分离循环利用,对反应过程中可能产生的安全隐患进行分析识别,给出消除隐患的设计方案,达到设计工艺的本质安全和本质环保。学生在方案讲解汇报过程中37 2 0 2 3年第8期陈红萍等 化工设计 课程改革与实践对所设计反应器有了深入了解,考虑也尽可能周全,在质疑答辩过程中,问、答者都做到了积极思考,利用所学知识分析解决复杂工程问题的能力得到锻炼,且过程中发现学生安全、低碳、高效节能意识显著增强,课堂气氛活跃,课堂信息传递量远大于单独教师的讲解。针对大班授课过程保证公平的考虑,第二次设置分离过程设计的翻转课堂选派余下六组 讲 解。翻 转 课 堂 成 绩 以 随 堂 作 业 形 式体现。3.2 充分运用信息技术,将知识传授与思政同步,知识获得与能力提升同步,达到高效育人目的随着信息化技术的快速发展,学生成为离开不开手机电脑的“网生代”,如何充分利用网络平台推进课程目标的达成,课程组在学习通建设了丰富的网络教学资源,包括化工厂设计的相关规范和法律法规、教学参考书、设计手册、全国大学生化工设计竞赛相关资料(设计任务书、历届获奖作品、答辩视频、评分标准、参赛心得体会等)、课程知识点视频、线上讨论、工程事故案例、提炼的思政元素和思政案例等,各类教学资源供同学们线上学习和设计参考,方便了学生参赛设计时各种标准和规范的查阅,同时也引导学生设计遵循法律法规。课程团队在课程讲授中不再仅局限于课堂传统的P P T课件讲授,还引入大量的案例视频资料和国内知名院校慕课辅助学习等多种教学资源,运用学习通、腾讯等先进的教学平台开展主题讨论、抢答和问卷调查等教学活动,展开线上线下混合式教学,满足学生利用手机参与课堂学习讨论的愿望,同时也便于教师及时了解同学对课堂知识的理解和应用能力,适当调节讲课进度。3.3 通过工程案例的引入,深挖课程的思政元素,结合竞赛训练提高学生内在素养,达到内化于心,立德树人的培养目标化工设计课程的任务是完成一个化工厂的工艺设计,设计的宗旨直接影响着工厂的设计质量和该工厂建成后对地方的影响。因此,这门课对学生培养的思政主体目标是“以人为本的工程伦理观、职业道德和低碳高效环保的责任担当意识”。在各章节引入的案例中,首先强调设计工艺对操作人员、管理人员以及周边人与环境的影响,其次是设计过程中绿色、低碳、高效的设计理念。在各章节搜集整理设计不当、考虑不周的事故案例,以增强学生的工程伦理观念、职业道德和责任担当意识。以工艺流程设计过程中引入的“印度博帕尔毒气泄漏事故”为例,通过观看视频,学生讨论总结,归纳出事故产生原因:直接原因为工艺采用了有剧毒的异氰酸甲酯;间接原因是具有安全隐患的储罐应急预防措施无效。从而给出工艺流程选择的启示就是,选用生产过程和工艺流程时,尽可能选用过程中所用原料和中间产品安全无害、绿色环保的,达到工艺本质安全和本质环保;针对设计内容给出所设计设备不仅能完成工艺要求,还要做到无安全隐患,一定对所设计工艺过程进行危险性识别,并给出规避措施,树立工程伦理观念和职业道德。通过各工程事故案例不仅强化了作为设计人员的责任担当,时代使命担当、建立工程伦理观念,同时也从案例中强化了低碳绿色环保的理念。4 课程考核方式的改革探索通过丰富课程教学资源和教学方法的一系列改革,学生的专业综合能力、工程设计能力和职业素养有了较大提高。如何在课程的考核中将课程目标中除知识以外的目标体现出来,课程组对考核形式和考核内容进行了大胆地探讨。将以化工设计竞赛为媒介的教学模式顺延到课程考核与竞赛作品成绩相关联,以学生提交竞赛作品的网评成绩作为课程的期末考核成绩,完成课程内容的整体串接和考核,达到知识、能力和素质的全面考核。课程考核成绩主要包括三部分:随堂和课后作业、大赛作品和课程答辩。随堂和课后作业为课程讲授内容的及时练习和实践,作为章节知识和工程能力考核成绩,通过该部分成绩考核,及时反映学生对章节各部分知识的理解、掌握和设计能力,考核的仅仅是各章的知识点考核;化工设计竞赛作品成绩作为课程综合能力考核成绩,包括化工厂整体设计,涵盖了课程要求所有知识点、设计训练过程和训练质量的衡量,不仅包括了知识和工程能力的考核,同时也有工程伦理观念和职业道德等的专业素质的考核;课程答辩在学生完成大赛作品后进行,通过自叙和答辩形式考核每位同学的专业综合能力、承担设计任务量和交流表达能力,通过答辩过程不仅可展现学生对设计过程的投入程度,还可以增强学生的沟通和表达能力,同时可根据问题引导,考察学生的工程伦理观念和社会责任感。5 课程教学效果及教学反思5.1教学效果5.1.1 通过课程团队对课程教学进行的一系列的改革实践与探索,取得了较好的教学效果。通过以赛促教、以赛促学和赛教融合共进的(下转8 0页)47 内蒙古石油化工2 0 2 3年第8期 表3 低功耗无线钻井参数仪应用情况井号所属区域钻井周期现场预警提示率兴古x-x CH辽河油田3 29 6%苏1 0-x x-x x CH长庆油田2 79 9%陈古x辽河油田5 09 5%前x x-x x辽河油田2 69 3%Y S 1 3 7 H x x-1 0四川页岩气5 89 4%环x-x长庆油田3 69 7%5 效果分析现场试验证明,无线低功耗钻井参数仪应用,具有设备安装便捷,有效的减少了井场大范围工作区域施工。在数据处理方面更有着敏锐的反应速度,第一时间把现场施工情况反馈给公司层面。据统计,目前长城钻探工程技术研究院无线低功耗传感技术在钻井行业中开启了国内的先河,为钻井工程的安全合规管理,风险预防提供可靠保障,达到间接节省经济成本的目的,实现了本质安全。6 结论通过现场应用测试,无线低功耗钻井参数仪传感器及采集软件运行达到了设计的预期要求。具有如下优点:6.1 结构 简单,安装方 便,操作简单,避免 交 叉作业;6.2 反应灵敏,节点数据发射频率1秒每次,保证第一时间数据上传的可靠性;6.3 现场施工过程中极大的提高了钻遇特殊情况的警示作用,为整个钻井施工提供保障。6.4 根据各个数据门限设定,灵活调整危险数据临界值,以减少工程事故,减少经济损失;6.5 复杂情况时云平台数据管控得到专家组有效的决策分析,为整个作业流程增添了实质性的作用。参考文献1 张明昌,董兴国.钻井泵超压自动停泵装置J.石油机械,1 9 9 3(3):4 3-4 9.2 王伟.循环泵停泵报警装置在换热站中的应用J.城 市 建 设 理 论 研 究(电 子 版),2 0 1 8(1 7):2.3 郭勇.热洗泵憋泵报警自动停泵装置研究与应用J.化学工程与装备,2 0 1 7(1 2):1 3 8-1 3 9.(上接7 4页)教学方式,课堂气氛活跃,学生学习获得感强,提高了学生的参赛成功率。目前化学工程与工艺专业学生参加全国大学生化工设计竞赛的的成功参赛率为1 0 0%。5.1.2 以工程案例引入和与大赛结合的P B L导向式和探究式教学,使学生课堂学习专注度提高,利用所学知识分析解决问题的主动性增强,较好地提高了学生分析解决复杂工程问题的能力。5.1.3 工程案例和设计过程中思政元素的挖掘及课程中如盐入水的渗透培养,有效地提高了学生的中国特色社会主义核心价值观,树立了工程伦理观念和职业道德,并在学生提交的竞赛作品中得到了充分的体现。5.1.4 以竞赛作品网评成绩作为课程考核成绩的主要组成,形成了平时点考核、作品网评成绩面考核和答辩成绩的立体考核,达到了课程培养目标的全面考核。5.2 教学反思以竞赛任务推动课程学习的P B L导向式和探究式教学模式极大地调动了学生为完成任务,认真听讲,努力钻研,开拓进取完成任务的决心和态度;小组任务的推进也达到了学生之间互帮互助,互相督促的学习方式;思政元素融入课程知识学习的每一阶段,达到了如盐入水的立德和内化为自身素养的树人作用;点-面-立体的考核方式打破了对学生学习效果的片面考核,形成了全面立体的考核模式。该课程的教学改革取得了较好的学习成效,落实了O B E的教学理念,对具有工程能力和工程伦理与职业道德培养目标的专业课程的讲授具有一定的借鉴意义。参考文献1 张大良.课程思政:新时期立德树人的根本遵循J.中国高教研究,2 0 2 1(1):5-9.2 张大良.优化课程体系 加强课程建设J.中国大学教学,2 0 1 8(1 2):1 0-1 2+2 3.3 何禄英,刘少文,闫志国,喻发全.化工设计课程思政建设探索与思考J.化工时刊,2 0 2 0,3 4(9):5 1-5 3.08 内蒙古石油化工2 0 2 3年第8期