新工科背景下化工设计竞赛促进人才培养的研究

＊张秋利 陈朝阳 周军 马晶 汤洁莉

（西安建筑科技大学化学与化工学院 陕西 710055）

随着新经济的快速发展，对专业的人才特别是全能型工科人才的需求愈加强烈，而我国现在正缺少此类人才。全国高校工程教育研讨会于2017年在复旦大学举行并达成“复旦共识”，标志着中国“新工科”探索阶段的开始[1]。“新工科”注重人才的全面发展，注重多学科的交叉融合，更注重信息技术与工业发展的结合，智能化、信息化与大数据的发展突破了传统工科的思维定势及局限性[2]。“新工科”为高校专业转型发展提供了契机，为工程教育改革提供了启发。因此，在“新工科”背景下，更新教育理念和模式，优化专业人才培养方案，对人才培养的提升有重要意义。

化学工业是我国经济的支柱产业，也是基础产业，其具有十分重要的地位[3]。随着现代科学技术的迅速发展，化工行业产业发生了深刻的变化，急需新型工科人才支撑，这与“新工科”的要求不谋而合，对工程教育改革人才培养提出了新的要求，要求培养工程能力强、综合素质高的工程科技人才[4]。然而，我国化工类专业学生的设计与实践能力不足，主要表现为：重视课堂教学、轻视实践教学的教育理念没有得到根本转变[5]，毕业生进入生产单位后表现出工程实践经验不足、实际操作能力弱等，这与“新工科”的理念与内涵相距甚远。为加强工程教育，培养卓越的工科人才，教育部发起“卓越工程师教育培养计划”。为了培养大学生的创新创业理念，提高工程设计能力，实现“卓越工程师教育培养计划”目标，中国化工学会、中国化工教育协会、教育部高等学校化学工程与工艺专业教学指导分委员会联合举办了多届全国大学生化工设计竞赛[6-7]。作为全国化工设计领域规模最大与水平最高的国内赛事，其任务包括化工新产品和化工新技术的研发，新流程和新装置的设计以及新的化工厂生产过程操作运行方案等方面，对提高化工专业学生的专业素养、培养卓越工程师、拓宽专业知识、增强工程实践和创新能力等诸多方面具有积极的促进作用，这恰与“新工科”的建设目标相契合[8-9]。

西安建筑科技大学化学与化工学院的化学工程与工艺专业为了适应社会经济发展需要和企业技术创新要求，结合地方资源优势，发挥自身特长，把握行业人才需求方向，形成自己的办学方向和特色。但是在新工科建设背景下，急需结合全国化工设计竞赛，修订培养方案，优化整合主要课程及教学内容，为培养符合时代发展与产业行业要求的综合性工科人才奠定基础。

1.化学工程与工艺专业基础

化学工程与工艺系前身是我校冶金工程学院有色金属冶金教研室，1997年国家调整专业结构，学校申办了“化学工程与工艺”专业，并于1998年9月开始招生。2005年获批化学工程与技术一级学科硕士点。

经过多年发展和实践，化学工程与工艺专业形成了“能源工程技术”和“先进化工工程技术”两个专业方向；目前已经具有完善的专业培养方案，培养目标明确、课程设置合理、专业特色鲜明。拥有化学工程与技术一级学科硕士点1个，应用化学、化学工程、生物化工、工业催化、化学工艺等二级学科硕士点5个，化学工程专业学位硕士点1个。

2.化学工程与工艺专业改革背景

依据“新工科”教育的战略思想，西安建筑科技大学化学工程与工艺专业积极转变办学思路，改革办学方式，重新定位人才培养目标，增强学生创新创业能力，培养高素质复合型工程技术人才。2015年西安建筑科技大学第一次参加全国化工设计大赛，累计获得全国化工设计大赛二等奖6项，三等奖3项。为了提高学生的竞赛能力，选拔优秀人的学生参加，我校于2020年开始举办西安建筑科技大学校赛，使学生提前熟悉竞赛的全过程，包括任务下达、查阅资料、确定工艺方案、工艺设计计算、提交作品、准备答辩等，提高了学生的自主性学习、创造学习性的能力，增强了团队意识，报名人数逐年增加，竞赛水平明显提高，同时也促进了化工专业人才的培养。但是从参赛的经历中也发现了一些问题，如学生对相关的化工设计软件如Aspen等掌握不好，导致设计速度慢；学生不能综合运用所学知识，专业课程系统性的设计不完善；对很多设计标准不清楚，导致设计不规范；同时，化工专业的指导教师普遍无工程设计工作经验，结合工程实际指导学生困难。因此，为提高学生综合设计能力，提高作品的整体水平，需要在教学中针对以上问题，加强实践应用相关内容的学习，教学中补充重要的化工设计标准，增加设计软件的教学，提高软件的应用能力，同时从企业或设计院聘请具有工程实践经验的专家和相关技术人员授课，提高学生的综合设计能力。

综上所述，高等院校必须积极推进教学改革。针对我校具体情况，我们把化学工程与工艺专业的培养目标和培养方案进行梳理，结合近年的化工设计竞赛经验，并通过调研和专家指导，优化课程设置，更新教学内容、改革教学模式、实施工程案例改革教学模式，使“新的培养方案”更符合“新工科”的要求。

3.化学工程与工艺专业改革措施

(1)培养方案的修订

培养方案是一个培养专业人才的基本依据，全国化工设计竞赛将课程学习内容与设计实践融会贯通，可有效激发学生主动学习。因此，合理利用化工设计竞赛的资源，改革化工专业人才培养模式，更新培养方案，注重学科交叉和学科前沿，对培养“新工科”型人才有着十分重要的意义。

①以设计为导向，调整知识内容，精简课程数量

根据化工设计竞赛的要求，结合化工行业的特点，对化工类专业培养方案的知识体系进行优化组合，突出化工设计的理念，精简课程降低学时。毕业需达到的最低学分数控制在160学分以内，设置了通识教育教学模块、专业教育教学模块、课外素质教育模块，并新增设了创新创业教育模块。注重数、理、化、英语等基础课的衔接；打破课程间的壁垒，统筹各模块与实践环节，整合或重新设计综合性课程，提高课程的综合化水平。

②结合学科交叉，注重课程的深度和广度

化工学科属于典型的多学科交叉互融，涉及化学、物理、工程技术、生物、医药等，与能源、生物、环境、冶金、材料等多个产业领域紧密相关。因此，在化工专业的课程设置中要注重深度和广度，开设多学科融合交叉的课程，组建相应的教学团队，推进不同学科的合作学习，增加相关领域知识的广度和深度，使学生能够从多角度、多领域、多学科方向上思考问题。

③结合学科前沿，引入最新的知识

在经济与技术高速发展的背景下，知识爆炸、学科之间交叉融合加深，拓宽了化工领域和研究范围，生物、新能源、新材料、信息等工程领域的发展，扩充了化工专业的研究范围和知识领域，带来了新的前沿学科[10]。化学工业本身也产生了新的技术和研究方向，如组合催化技术、微化工技术等，这些新技术使化工及相关学科的知识体系更完善、更系统和全面，化工类专业的教育教学中要体现这些新知识，必须修订培养方案，更新教学内容，引入最新的学科前沿和新成果。

④精简理论学时，突出应用能力培养

应用型人才培养的关键环节是实践教学，同时实践教学也是卓越工程科技人才培养创新能力的基础，也符合新工科专业多学科知识运用要求。课程设置做好理论课和实践课间的平衡，删减部分理论学时，增加相关的实践学时和实验学时。工程实践能力和创新能力主要依靠实践教学环节实现，在原有的实践环节基础上，增设化工仿真训练模块、以企业为主导的实习类工程训练教学模块，与理论教学中的化工基础实验与专业实验、化工专业课程设计等结合，强化实践教学环节的考核，结合化工专业特点和人才培养目标，使学生更好地掌握化学工程的专业知识和技能。

(2)主要课程教学内容的修订

在培养方案中，与化工设计相关的主要课程有：化工原理、化工过程设计与开发、化工工艺学、化工设备设计、化学反应工程、化工计算机辅助设计等，各课程间知识模块相对独立，学生在学习中也不能有效的相互联系，导致学生在进行知识综合应用，如参加竞赛或综合类实验时，不能较好的独立解决实际问题，因此，将相关课程内容进行统筹设计，形成有机整体，有助于学生掌握设计方法，更好的完成化工设计竞赛的内容。

在化工设计竞赛中，化工计算机相关设计软件的运用非常重要，几乎贯穿了整个竞赛的作品完成过程，因此在设计类课程教学中增设相关软件的教学内容，并结合专业课知识，讲授软件的应用，提高化工设计效率。如在化工热力学课程中，增加了热力学模型的软件实现；在化学反应工程课程中，增加动力学反应模块的模拟；在化工设备设计中，增加了塔设备、换热器的计算机设计；此外，还单独增加了化工相关设计软件的教学内容，如：Aspen Plus、Plant 3D、AutoCAD等。学生通过专业课程与软件内容的综合学习，在学习了专业知识的同时，也掌握了化工软件的应用，可大大提高设计效率，为提升竞赛作品的质量奠定了基础，也可以更快的适应设计工作。

(3)教学方法和模式的改革创新

在互联网时代要充分利用网络资源，改革教学方法与模式。将优秀的竞赛作品制作成教学案例，结合专业课程的知识点，分布到各课程教学中，进行重点讲解；将部分内容做成微课、慕课等，使学生可以随时在网上学习；将课程设计的工艺流程进行计算机模拟，加深设计过程的理解；通过参加竞赛，使学生熟练掌握专业软件，并与实际工程实践相合，提高工程设计能力。

如在我校的化学反应工程与化工设备设计课程的教学中，实施了案例教学法与相应的评价机制。化学反应工程课程涉及到化学动力学、间歇反应器、理想流动反应器、返混、应速率等知识点，化工设备设计课程中涉及具体反应器的结构及工作特点，若按教材讲解相关的定义和公式等，没有新意和特色，枯燥乏味，学生也不喜欢听。结合化工设计竞赛，规划好反应器的设计案例，引导学生利用化学反应工程与化工设备的相关知识，使用Aspen Plus软件设计一个合理的反应器。学生对竞赛的案例有很强的好奇心，激发了对课程的学习兴趣，课堂学习气氛浓厚。化工设计竞赛的案例一般都是来源于生产实践，学生结合课堂所学知识，通过查阅相关文献资料，分析案例，并在课堂上汇报，和老师和同学一起在课堂讨论，老师进行知识总结，结合案例介绍相应的知识点。针对案例教学法的实践，传统的考核方式无法客观评价学习效果，因此，提出了过程的多层次考核的学生学习评价方案，考核内容主要包括学生上课考勤与纪律、课堂知识点的提问与回答、文献的查阅与分享、案例的分析与讨论、案例的汇报、学生间互评等，充分体现了案例教学的特点，克服了传统考核模式重结果、轻过程，重理论、轻应用的不足。通过结合全国化工设计竞赛的案例教学法与创新评价机制的实施，强化了学生理论的培养、注重理论的应用、突出实践教学的重要性，同时兼顾学生的主动性、思考性和探究性，提高了学生的学习兴趣和自学能力，有效保证了教学效果，有利于培养理论指导实践思维的高素质应用型人才。

化工专业教师普遍缺乏工程设计经历，没有设计经验，导致教学中不能很好地将理论与实际结合，为解决这些问题，采取了以上措施：邀请化工相关设计研究院的专家讲学，结合实际工程案例，传授设计经验；邀请化工生产企业的相关专家做报告，结合实际生产案例，讲解化工行业的需求、化工生产工艺和方法；组织教师参加化学工程专业相关的设计培训，提高设计教学能力；安排青年教师到化工企业实训，了解化工生产的全过程，提高化工工程素养。

4.结语

“新工科”的教育理念注重人才的全面发展和多学科的交叉融合，突破对传统工科的思维定势，打破对传统工科的局限性认识，其为高校专业转型发展提供了契机，为工程教育改革提供了启发。全国化工设计竞赛是化工设计领域规模最大、水平最高的国内赛事，其对提高化工专业学生的专业素养、培养卓越工程师、拓宽专业知识、增强工程实践和创新能力等诸多方面具有积极的促进作用。通过两者的有效融合，并结合我校化工专业实际，梳理培养目标和培养方案，并优化相关课程的教学内容，改革教学模式、实施工程案例改革教学模式，制订了符合“新工科”型人才培养的化工设计类课程体系的培养计划，可培养出符合时代发展与产业行业要求的工科人才。