學(xué)科競賽對化學(xué)工程工藝教學(xué)的影響
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［摘要］學(xué)科競賽是培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的重要載體，也是檢驗學(xué)生理論學(xué)習(xí)成果的實踐平臺，對于化工專業(yè)人才的培養(yǎng)有著重要的促進(jìn)作用。通過探討學(xué)科競賽對學(xué)生綜合素質(zhì)提高的重要作用，以及在專業(yè)教學(xué)條件改善、專業(yè)教學(xué)改革、教師教學(xué)能力提升和校企合作交流等方面的促進(jìn)作用，以化工原理和化工實驗競賽為契機(jī)，積極推動化工專業(yè)教學(xué)改革探索，構(gòu)建完備的實踐教學(xué)體系，創(chuàng)新校企合作模式，為學(xué)生工程實踐能力的鍛煉提供有力的保障。
［關(guān)鍵詞］學(xué)科競賽；化學(xué)工程與工藝專業(yè)；實踐教學(xué)體系；校企合作
一、引言
隨著“一帶一路”建設(shè)和國際交流合作的進(jìn)一步深化，對優(yōu)秀工程技術(shù)人才的需求也越來越迫切。化學(xué)工程與工藝專業(yè)是化學(xué)工程、化學(xué)工藝的綜合學(xué)科，肩負(fù)著培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)代社會發(fā)展需求的卓越化工工程師的責(zé)任和使命。如何培養(yǎng)適應(yīng)新工科建設(shè)發(fā)展需要的優(yōu)秀化工類人才，已成為擺在我們面前十分重要而艱巨的任務(wù)。作為化工類及其相近專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)技術(shù)課程的“化工原理”，其理論及實驗教與學(xué)的效果，在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的過程中有其特殊的地位和作用，起著承前啟后、由理及工的橋梁作用[1-3]。為提高本科化工類專業(yè)核心課程的教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)實驗理論和技術(shù)的興趣，啟迪學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，促進(jìn)化工專業(yè)教學(xué)改革，推進(jìn)化工人才培養(yǎng)，從2017年起由教育部高等學(xué)校化工類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會和中國化工教育協(xié)會聯(lián)合主辦了全國大學(xué)生化工原理及化工實驗大賽，至今已舉辦三屆。我校積極組隊參加，取得了優(yōu)異的成績，充分展現(xiàn)了我校新工科人才培養(yǎng)的質(zhì)量。結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證要求和新工科建設(shè)需要，我校以化工原理及化工實驗競賽為載體，積極查漏補(bǔ)缺，及時發(fā)現(xiàn)在專業(yè)教學(xué)和專業(yè)建設(shè)中存在的問題，強(qiáng)化專業(yè)教學(xué)改革，持續(xù)不斷進(jìn)行專業(yè)軟硬件條件建設(shè)，構(gòu)筑完備的實踐教學(xué)體系，強(qiáng)化學(xué)生工程實踐訓(xùn)練，創(chuàng)新校企合作新模式，不斷提高化工類專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。
二、學(xué)科競賽促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高
化工原理及化工實驗競賽包括化工原理理論考試、化工單元仿真操作和分析、化工原理實驗操作三部分內(nèi)容。其中化工原理理論考試涉及流體流動與輸送、傳熱及設(shè)備、吸收、蒸餾、干燥等內(nèi)容，全面考查了學(xué)生對“化工原理”這門專業(yè)基礎(chǔ)課程的掌握程度。不僅要求學(xué)生對基本概念和理論有充分的理解和掌握，更注重考查學(xué)生利用所學(xué)理論靈活解決實際問題的能力，尤其是能從工程觀點出發(fā)去分析、解決實際工程技術(shù)問題的能力。例如，冬天里，導(dǎo)熱系數(shù)小的穿里邊還是導(dǎo)熱系數(shù)大的穿里邊更保暖？考生如果嚴(yán)格利用所學(xué)理論進(jìn)行推導(dǎo)的話，會浪費(fèi)大量的時間，如果學(xué)生結(jié)合生活常識便可以輕松解答，這就要求學(xué)生必須具備靈活運(yùn)用所學(xué)理論知識的能力。在化工單元仿真操作環(huán)節(jié)，考生在模擬實際化工生產(chǎn)過程中，需要獨(dú)立完成化工單元的冷態(tài)開車、正常生產(chǎn)運(yùn)行、正常停車、常見事故處理等任務(wù)。這就要求學(xué)生對化工生產(chǎn)過程有系統(tǒng)全面的認(rèn)識和了解，能科學(xué)地分析實際生產(chǎn)中的工程問題，并能采取合理的方法解決遇到的問題，是對學(xué)生知識綜合運(yùn)用能力的一大考驗。競賽的實驗操作部分主要考查學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識，要求4個小時內(nèi)完成實驗操作過程、數(shù)據(jù)收集處理和實驗報告的撰寫。雖然實驗項目平時都有訓(xùn)練，但由于每個學(xué)校實驗設(shè)備差異很大，第一次面對陌生的儀器設(shè)備，既要求學(xué)生有良好的心理素質(zhì)，又是對大家理論知識應(yīng)用、動手能力的綜合考查。而且實驗過程中會出現(xiàn)各種意想不到的情況，要求學(xué)生必須沉著冷靜，能結(jié)合所學(xué)知識分析出現(xiàn)問題的原因，并及時做出調(diào)整，也是對學(xué)生臨場應(yīng)變能力和創(chuàng)新能力的一次鍛煉。同時學(xué)生在參賽的準(zhǔn)備階段，要主動查閱收集文獻(xiàn)資料、對所學(xué)知識進(jìn)行歸納總結(jié)，自學(xué)各種專業(yè)應(yīng)用軟件，不僅在知識和眼界上有所提升，在人際交流和溝通等方面也有了很大的改變?；ぴ砑盎嶒灨傎惒粌H提高了參賽學(xué)生綜合運(yùn)用化工專業(yè)知識分析、解決實際工程問題的能力，也鍛煉了學(xué)生的動手能力、人際溝通能力、文字撰寫和語言表達(dá)能力等。通過競賽的歷練，學(xué)生在知識、身體、心理等方面的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識都有了明顯提升，歷屆參加競賽的8位同學(xué)先后有7人考取了碩士研究生，而且大部分被“雙一流”高校錄取，顯示出了較高的綜合能力。同時通過每年參加競賽選手的選拔，在學(xué)生中營造了良好的專業(yè)理論和實驗學(xué)習(xí)的氛圍，學(xué)生對專業(yè)課程尤其是“化工原理”及“化工實驗”課程學(xué)習(xí)的興趣明顯提升，考研的積極性逐年增加，考研通過率也有了明顯提高，2020年化工專業(yè)考研錄取率接近60%。學(xué)生以扎實的專業(yè)基礎(chǔ)和良好的實踐動手能力，得到了兄弟院校和相關(guān)企業(yè)的一致認(rèn)可。
三、學(xué)科競賽促進(jìn)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作意識的提升
化工原理及化工實驗競賽以團(tuán)隊形式參賽，每校限派一個團(tuán)隊參賽，每隊限3名參賽隊員。雖然理論考試和化工單元仿真操作部分隊員是單獨(dú)進(jìn)行的，但要求每位隊員都要有良好的發(fā)揮，否則就有可能止步于最后的決賽。每位參賽隊員都會意識到自己在整個團(tuán)隊中的重要作用，在平時的復(fù)習(xí)準(zhǔn)備階段，隊員之間經(jīng)常互相交流，發(fā)現(xiàn)新的解題方法大家會互相分享。雖然有時也會因某個問題觀點不同發(fā)生爭執(zhí)，但總能互相理解，最后達(dá)成一致意見。高強(qiáng)度的訓(xùn)練過程中，偶爾個別隊員也會灰心懈怠，這時候隊員之間的鼓勵就顯得尤為重要，大家會互相鼓勁、共同努力。競賽的實驗操作部分要求3位同學(xué)共同完成，這就要求隊員之間必須互相信任、默契配合。大家根據(jù)各自的優(yōu)勢明確分工，動手能力強(qiáng)的同學(xué)主要負(fù)責(zé)操作，心細(xì)的同學(xué)主要負(fù)責(zé)現(xiàn)象觀察和記錄，字體較好、計算能力強(qiáng)的同學(xué)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和報告撰寫。整個實驗過程大家互相協(xié)作，有條不紊，才能保證實驗順利完成。同時遇到突發(fā)情況時，隊員之間還要沉著冷靜，敢于擔(dān)當(dāng)，知難而上，而不是互相抱怨，自亂陣腳。整個競賽過程，也是對隊員默契程度的重要考驗，使大家充分認(rèn)識到團(tuán)隊協(xié)作的重要性。特別是對化工專業(yè)這類工程性比較強(qiáng)的專業(yè)，團(tuán)隊的作用尤為突出，這也是當(dāng)前工程教育專業(yè)認(rèn)證對畢業(yè)學(xué)生的基本要求之一。
四、學(xué)科競賽促進(jìn)教師教學(xué)能力的提升
高校教師大多畢業(yè)后直接進(jìn)入工作崗位，平時又忙于日常的教學(xué)活動和科研工作，工廠實踐鍛煉的機(jī)會較少，缺乏工程實踐經(jīng)驗。教師在教學(xué)過程中單純地進(jìn)行理論講解很難調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。通過競賽的指導(dǎo)過程，教師能夠充分認(rèn)識到自己專業(yè)知識的薄弱環(huán)節(jié)，同時也能充分意識到全面開展教學(xué)改革的必要性和緊迫性，在競賽過程中主動向兄弟院校學(xué)習(xí)先進(jìn)的教學(xué)經(jīng)驗，不斷鉆研專業(yè)知識，主動參與到校企合作當(dāng)中，實踐經(jīng)驗也得到了不斷的提升和積累。虛擬仿真操作作為新生事物，教師接觸較少，我院的虛擬仿真教學(xué)平臺剛剛建成，教師對各個操作的流程掌握也不夠熟練，往往是指導(dǎo)老師邊學(xué)邊指導(dǎo)學(xué)生，教學(xué)效果有待進(jìn)一步提高。學(xué)院鼓勵教師參加各種技能競賽，還不定期組織企業(yè)工程師或經(jīng)驗豐富的教師進(jìn)行師資培訓(xùn)，特別是學(xué)習(xí)一些化工常用軟件和仿真操作，穩(wěn)步提升教師隊伍的教學(xué)能力。此外，借助對學(xué)生競賽的指導(dǎo)，也能發(fā)現(xiàn)學(xué)生在知識學(xué)習(xí)和分析、解決問題方面存在的問題和不足，并及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法。比如在單元操作學(xué)習(xí)過程中，由于學(xué)生之前未接觸過實際生產(chǎn)過程，教師的板書加PPT的教學(xué)手段很難使學(xué)生獲得對單元操作設(shè)備結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和操作過程的直觀認(rèn)識。教師可以結(jié)合實際案例，充分利用虛擬仿真教學(xué)和實驗室實物講解等手段，把復(fù)雜的設(shè)備構(gòu)造直觀形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前，加深學(xué)生的印象。同時，通過專題討論、小組合作等方式激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，變被動的課堂聽講為學(xué)生的主動參與，使學(xué)生真正成為課堂教學(xué)的主體。
五、學(xué)科競賽促進(jìn)專業(yè)軟硬件條件的改善
實踐教學(xué)是工程類人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，對學(xué)生創(chuàng)新意識和動手實踐能力的培養(yǎng)具有十分重要的作用[4，5]。實驗室設(shè)備條件是化工實驗教學(xué)的基礎(chǔ)，是決定學(xué)生實踐培養(yǎng)效果的關(guān)鍵。以參加化工實驗競賽和工程教育專業(yè)認(rèn)證為契機(jī)，學(xué)院對化工原理實驗設(shè)備進(jìn)行了更新?lián)Q代，淘汰了一批陳舊落后的實驗設(shè)備，增加了一批滿足當(dāng)前實驗教學(xué)要求和競賽需求的實驗設(shè)備，新購置了傳熱、吸收解吸、精餾實驗設(shè)備，增加了流線（軌線）實驗裝置、板式塔流體力學(xué)性能實驗裝置，設(shè)備的臺套數(shù)和先進(jìn)性都有了較大改善?；嶒灥膶嵺`性、綜合型較強(qiáng)，與基礎(chǔ)實驗差別較大，學(xué)生平時也鮮有機(jī)會接觸化工設(shè)備。如果直接讓學(xué)生進(jìn)入實驗室進(jìn)行實驗操作，學(xué)生由于缺乏對設(shè)備的了解，往往很難達(dá)到理想的實驗效果。多數(shù)同學(xué)只是根據(jù)教師的指導(dǎo)完成實驗操作和數(shù)據(jù)記錄，對工作原理往往是一知半見，更不會去分析和解決操作過程中遇到的問題。為有效解決這一問題，學(xué)院投入大量資金建成了化工過程虛擬仿真實訓(xùn)實驗室。虛擬仿真實訓(xùn)平臺內(nèi)容豐富，涵蓋了基礎(chǔ)化學(xué)實驗仿真操作、化工原理實驗仿真操作、化工典型生產(chǎn)線虛擬仿真操作、大型儀器仿真操作等內(nèi)容。虛擬仿真實訓(xùn)平臺采用學(xué)生喜聞樂見的游戲模式進(jìn)行虛擬仿真實驗練習(xí)，大大調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，而且虛擬仿真練習(xí)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程電腦端操作，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更加靈活方便。實驗前學(xué)生先進(jìn)行模擬仿真實驗操作練習(xí)，對實驗過程有了全面的了解后再進(jìn)行真實實驗操作，實驗效果有了明顯的提升。同時學(xué)院又建設(shè)了化工過程實驗室，將工廠常見的生產(chǎn)設(shè)備和典型生產(chǎn)過程搬入實驗室，讓學(xué)生有更多機(jī)會模擬實際生產(chǎn)操作過程，有效解決了當(dāng)前實習(xí)難、實習(xí)效果差的問題。經(jīng)過持續(xù)不斷地投入建設(shè)，目前學(xué)院已經(jīng)形成了基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗、虛擬仿真實驗、化工過程實訓(xùn)、認(rèn)識見習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)等相結(jié)合的完備的實踐教學(xué)體系，為學(xué)生工程實踐能力的訓(xùn)練提供了有力的保障。
六、學(xué)科競賽促進(jìn)專業(yè)教學(xué)改革研究
競賽涉及內(nèi)容廣泛，不僅要求學(xué)生具備扎實的專業(yè)知識，更注重學(xué)生對知識的靈活應(yīng)用，對于學(xué)生的動手能力提出了極高的要求，這也是當(dāng)前工程教育認(rèn)證的基本要求之一。有效的工程設(shè)計和實踐訓(xùn)練是提高學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力的重要保障，因此，在新的培養(yǎng)方案的修訂過程中，在保證基礎(chǔ)課程理論課時的基礎(chǔ)上，增加了工程性比較強(qiáng)的課程的課外實踐環(huán)節(jié)，如在“工程制圖與CAD”課程學(xué)習(xí)過程中，增加實際工程案例的設(shè)計環(huán)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)生對專業(yè)軟件的應(yīng)用能力和利用所學(xué)知識解決工程實際問題的能力。在“化工原理”課程的學(xué)習(xí)過程中，增加實驗室參觀、模擬演示和工廠認(rèn)識見習(xí)環(huán)節(jié)，將理論與實踐有機(jī)結(jié)合。同時增設(shè)“化工過程虛擬仿真實驗”和“化工過程實訓(xùn)”課程，強(qiáng)化學(xué)生的工程實踐訓(xùn)練。借助于競賽還能夠找出傳統(tǒng)教學(xué)方式當(dāng)中存在的弊端與不足，為今后的教學(xué)發(fā)展與改革提供更加明確的方向。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)以教師講授理論為主，學(xué)生被動地學(xué)習(xí)知識，限制了學(xué)生創(chuàng)新能力的提高。這就使得授課教師在今后的教學(xué)過程中，要給予學(xué)生更多主動思考的機(jī)會，要充分結(jié)合生活實例，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。比如教師在講授過濾單元操作時，可以引入豆腐的制作過程，能夠生動形象地向?qū)W生展示過濾過程中過濾壓力與濾餅孔隙率的關(guān)系，既活躍了課堂的氛圍，又幫助學(xué)生更好地理解了所學(xué)的知識。此外，在教學(xué)課程的安排中要適當(dāng)加大化工單元仿真操作的課時，讓學(xué)生不止局限于書本上的理論知識，更重要的是形成初步的“工程”理念，通過進(jìn)行工程知識熏陶，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐和工程設(shè)計能力。同時，通過競賽發(fā)現(xiàn)學(xué)生對化工軟件如origin、AutoCAD等應(yīng)用能力較差，對于這種現(xiàn)象，我們可以采取專業(yè)選修課的形式在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上開設(shè)化工專業(yè)繪圖軟件課程，既不會增加課時負(fù)擔(dān)，又方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。
七、學(xué)科競賽促進(jìn)校企合作
要想培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力，企業(yè)見習(xí)是必不可少的環(huán)節(jié)。通過將學(xué)校教授的理論知識與企業(yè)生產(chǎn)實際相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的 能力。然而在現(xiàn)階段，校企合作并沒有發(fā)揮出有效的作用。由于企業(yè)受場地及安全方面的因素影響，接受學(xué)生見習(xí)的積極性不高。即使勉強(qiáng)接受，也只是讓學(xué)生通過觀察進(jìn)行學(xué)習(xí)，很少有學(xué)生能夠直接上手進(jìn)行設(shè)備的操作[2]。而學(xué)科競賽又對學(xué)生動手能力有非常高的要求，如何有效調(diào)動企業(yè)的積極性，解決實習(xí)難的困境，是當(dāng)前亟待解決的問題。學(xué)院主動加大與企業(yè)特別是校友企業(yè)的合作力度，不斷創(chuàng)新校企合作新模式，給學(xué)生提供更多的實踐鍛煉機(jī)會。邀請企業(yè)技術(shù)人員參與培養(yǎng)方案的修訂，充分考慮企業(yè)的用人需求，強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的同時注重學(xué)生解決實際問題的能力提升，優(yōu)化了課程設(shè)置方案，進(jìn)一步滿足了當(dāng)前社會發(fā)展對化工類專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。通過設(shè)立化工過程虛擬仿真實驗和化工過程實訓(xùn)課程，實現(xiàn)當(dāng)前典型的化工設(shè)備和化工生產(chǎn)過程的校內(nèi)練習(xí)。嘗試建立企業(yè)導(dǎo)師制度，學(xué)院聘請閱歷豐富的企業(yè)工程師作為學(xué)生的校外導(dǎo)師，通過微信群等與學(xué)生進(jìn)行適時的溝通交流。企業(yè)導(dǎo)師可以將企業(yè)一些小的攻關(guān)課題在群里，學(xué)生可以自主提出解決方案并與企業(yè)導(dǎo)師進(jìn)行討論，真正實現(xiàn)理論學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用的無縫結(jié)合，讓學(xué)生有機(jī)會真實參與企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。同時，通過與海客邁斯生物科技（上海）有限公司和河南甾體生物科技有限公司建立校內(nèi)校企研發(fā)實驗室、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化基地等形式加強(qiáng)校企合作交流，以保障學(xué)生有充足的工程實踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力鍛煉的機(jī)會，同時也實現(xiàn)了校企雙贏。
八、結(jié)語
工程教育專業(yè)認(rèn)證和新工科建設(shè)，對以化工原理及實驗為代表的化工類專業(yè)核心課程教學(xué)提出了更高的要求，有效的工程實踐訓(xùn)練也是提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新意識的關(guān)鍵。通過競賽鍛煉，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，通過與兄弟院校的溝通和交流，及時查漏補(bǔ)缺，改變教育教學(xué)方式，提高課堂教學(xué)效果。以化工原理和化工實驗競賽為契機(jī)，積極推動化工專業(yè)教學(xué)改革探索，構(gòu)建完備的實踐教學(xué)體系，創(chuàng)新校企合作模式，為學(xué)生工程實踐能力的鍛煉提供有力的保障。
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作者：王紅軍 高愛萍 李鐵巖 單位：信陽師范學(xué)院
