沉浸式教学 阶梯式实践 成就型感受

［摘 要］ “化工设计”为化工学科的核心课程，是工程知识向工程能力转化的关键课程。传统“化工设计”课程存在课堂教学与能力培养脱节、个体问题难以解决、课程思政内容融入不佳等问题，学生工程能力培养效果不佳。教学团队本着“沉浸式教学、阶梯式实践、成就性感受”的教学理念，秉着“以能力培养为目标、立德树人为宗旨，以服务实践为任务、工程实践为抓手，提升课堂获得感和设计成就感”的课程改革思路，通过教学内容重构、沉浸式教学、无界课堂和阶梯式实践等一系列教学策略，并多角度融入思政元素，以实现协同育人和立德树人。创新策略的实施能够促使学生深度参与化工设计实践，真正实现工程知识内化，提高工程能力。

［关键词］ 化工设计；工程实践；沉浸式教学；课程思政

［基金项目］ 2021年度西北大学一流本科课程培育项目“化工设计与计算”；2021年度西北大学重点教学改革研究项目“后疫情时期化工专业校外实践教育模式研究”

［作者简介］ 赵彬然（1984—），女，河北石家庄人，工学博士，西北大学化工学院副教授，博士生导师，主要从事能源催化技术研究；陈立宇（1963—），女，陕西西安人，工学博士，西北大学化工学院教授，硕士生导师，主要从事化工技术开发研究；刘恩周（1984—），男，陕西咸阳人，工学博士，西北大学化工学院教学副院长，教授，博士生导师（通信作者），主要从事能源与环境光催化技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）10-0074-04 ［收稿日期］ 2023-01-05

一、研究背景

2018年，教育部提出，各高校“要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰‘水课’、打造‘金课’，合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量”。吴岩提出的“金课”可以归结为“两性一度”，即高阶性、创新性和挑战度［1］。2019年，教育部在《关于一流本科课程建设的实施意见》中要求，一流本科课程建设要“转变观念，理念新起来；目标导向，课程优起来；提升能力，教师强起来；改革方法，课堂活起来；科学评价，学生忙起来；强化管理，制度严起来；政策激励，教学热起来”［2］。2020年，《高等学校课程思政建设指导纲要》提出，把思想政治教育贯穿人才培养体系，全面推进高校课程思政建设，发挥好每门课程的育人作用，提高高校人才培养质量［3］。这些对高校专业课程建设提出了新的挑战。

“化工设计”是化学工程学科的专业核心课程，旨在通过原料进厂到产品出厂的工程设计学习解决复杂工程问题，使本科生具有基本的设计能力、良好的工程素质和一定的创新能力，是工程知识向工程能力转化的关键课程。本着“以学生为中心、以产出为导向”的教学理念，以课程服务于实践为出发点，“化工设计”教学团队分析课程特点和学生在化工设计过程中遇到的问题，探索了一套卓有成效的“沉浸式教学、阶梯式实践、成就型感受”教学策略，旨在降低学生在设计过程的痛感，促使学生深度参与“化工设计”课程实践，实现化工知识内化。

二、“化工设计”课程存在的教学问题

在全国大学生化工设计竞赛的背景下，“化工设计”课程在以赛促学、以赛促教的过程中发生了很多积极变化［4］，学生学习和教师教授的动力十足，但是学生在设计过程中依然面临“一听就会，一做就废”的实际问题，难以达到知识向能力转化的目标，学生的价值认同感不足。具体原因如下。

（一）课堂教学与实践环节脱节，知识不能有效上升为能力

传统教学多为手册、标准、规范的解读，关注的是设计完成后需要达到的质量和规范，缺少了如何建立概念和动手以达到质量标准的手段及方法的讲授，学生反映课程中的标准规范内容枯燥，设计图纸看得见图、摸不着门。面对一个复杂的工程设计项目，学生没有研究基础，工程经验不足。而传统的教材内容和课堂教学方法，不足以支撑学生完成设计任务。学习与应用脱节，造成“一听就会，一做就废”的情况。

（二）课堂教学形式“一对多”，难以满足千人千面的个体需求

课堂授课以课程内容为主，而每名学生在理解和应用时遇到的问题与困惑不同，传统教学方法受时空限制，不能及时解决个体的特殊问题，进而造成学生进行工程设计应用时胜任力不足，时常有焦虑感。

（三）课堂思政融入效果不佳，育人功能不完善

专业课是高校思想政治教育的重要阵地，课程思政是培养具有正确世界观、人生观、价值观的当代青年的重要途径。传统“化工设计”课程教学重知识传授，轻能力培养，无价值引领；即使有少量的思政元素，形式也多为生搬硬套，存在“两张皮”现象。学生在学习过程中缺少价值观塑造，认同感不强。

三、解决问题的思路

“化工设计”教学目标的核心为将工程知识转化为工程能力。为实现这一目标，学生深度参与设计过程是重中之重。教学团队本着“以学生为中心、以产出为导向”的教学理念，以立德树人为宗旨、以服务实践为任务、以工程实践为抓手，通过重构教学内容、打造无界课堂、混合式教学、难度螺旋上升式实践活动等，优化创新“化工设计”教学过程，有机融入思政元素，使学生深度参与设计实践，提升价值认同感、课堂获得感和设计成就感，实现工程知识的内化，培养其工程素养。

（一）以立德树人为宗旨，提升学生的认同感

立德树人为高等教育的根本任务，以培养德才兼备、以德为先的化工工程师作为宗旨，将国家标准规范、行业发展方向、产业技术进步、清洁生产节能降耗、安全生产设计先行等概念性内容，转化为一个个生动鲜活的生产实例，在讲解我国化工行业艰难发展历史和巨大成就的同时，提升学生的价值认同感。

（二）以服务实践为任务，提升学生的获得感

工程能力的获得必须经过实践过程的历练。以此为出发点，“化工设计”课堂教学任务为服务于设计实践。化工设计实践工作复杂烦琐、细节繁多，需要良好的设计知识和大量的设计经验。针对设计知识掌握问题，创新团队在教学内容上弱化对设计质量的强调，重在知识点细节讲解和知识点规范溯源，使学生在课堂上能学有所得，在实践中遇到阻力可以反刍课堂知识，解决一般性实践问题。针对学生设计经验不足的问题，创新团队建立了每周定期检查学生作业的制度，对学生实践中遇到的难题及时回复和讨论。该方法打破了课堂教学的时空限制，打造无界课堂，解决了学生学力不同和个体差异带来的千人千面的实践问题，可以有效提升学生学习的获得感，提升其参与感。

（三）以工程实践为抓手，提升学生的成就感

工程实践是工程能力获得的关键，设计过程须保证学生深度参与。在保证设计质量的前提下，将难度大的设计项目分解细化为若干个难度小的设计任务，设计难度螺旋上升，将设计任务分解至每周每人，保证学生在设计过程中逐步升级完善设计任务，提升设计成就感，培养内驱力和胜任力，循序渐进地实现学生工程知识的内化，培养其工程素质。

四、“化工设计”课程的改革实践

教学团队本着以学生为中心的教学理念，以课程服务于实践为出发点，通过案例贯穿、可视化教学等沉浸式策略，保证学生设计有门，提升胜任力；通过无界课堂打破课堂时空界限，全方位辅导实践过程；通过阶梯式实践方式提升学生的成就感，调动其内驱力，实现知识内化，培养其工程素质。

（一）以强化设计过程为指导重构教学内容

1.教学案例贯穿设计阶段。在概念设计阶段，以一氯甲烷生产为例贯穿工艺路线选择（原料、反应、分离），对章节加以丰富、完善、优化等。在物衡热衡计算阶段，以丙烯腈生产为例进行讲述，学生可以根据定量计算进行设备选型。以此为基础，学生可以完成关于丙烯腈合成车间设备布置和管道布置的作业。一氯甲烷的例子在教材上只有短短的三页，丙烯腈为教材的附录内容，教学团队在教学过程中加重了这两部分的讲授比例，使学生能直观地感受整个设计过程，避免畏难情绪。

2.追随行业发展，更新教学内容。结合专业特点，控制作为系统工程的一部分，在智能化化工厂设计中必不可少。而化工专业学生较少学习控制部分内容，是学生实践过程的薄弱环节。因此，增加了控制基础、常见控制方案、典型设备控制方案、过程控制设计等教学内容，填补了学生的知识空白。

（二）可视化教学手段

在讲述车间布置和管道布置时，对于布置图的绘制原则往往只有一句话：眼睛看到什么就绘制什么。而学生对布置完全没有全局概念，教学团队创新性地以车间的三维立体图为素材讲述布置图的绘制过程，易使学生沉浸其中，通俗易懂。

（三）“化工设计”无界课堂

打造“化工设计”无界课堂，通过线上课程和微信群辅导打破课堂教学的时空限制，便于教师及时即时地对学生进行线上指导。在中国大学生MOOC线上开设“化工设计”慕课，慕课内容打破了教材的章节限制，以报告的形式开设，便于学生有的放矢地选择学习内容。

（四）阶梯式实践过程

将历时三个月的设计实践分解至每周，细化每周须完成的目标，并讲解任务的具体要求，明确学生须完成的程度。在项目分解后，设计任务难度螺旋上升，引导学生进行阶梯式实践。例如，流程模拟的任务安排，学生须要首先了解生产流程，再依次通过原料预处理、反应、分离三个过程的模拟完成全流程模拟，最后进行流程优化和工艺循环。这样可以提升设计成就感，提高学生的参与度，最终实现知识内化，培养其工程设计能力。

（五）课程思政

教书不忘育人。根据中共中央、国务院在《关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见》中提出的“三全育人”原则，融入了8个课程思政案例，包含家国情怀、科技创新、安全设计、爱专业、工匠精神、社会责任感、法律法规意识等主题（见表1），旨在培养爱国家、爱专业，具有社会责任感、遵守职业道德和规范的化工工程师。

五、教学改革的应用效果

（一）人才培养成效显著

近三年来，学生的作品完成情况越来越好，参赛人数逐年上升，学生普遍感觉受益很大，工程能力得到了锻炼。优秀作品参加全国大学生化工设计竞赛连续多年获得全国一等奖的好成绩，大学四年级学生参加全国大学生Chem-E-Car比赛获得两冠一亚的好成绩，曾被中央电视台等多家媒体报道。

（二）教育教学成果显著

1.“化工设计与计算”课程于2020年获批为陕西省一流本科课程。教学团队获得西北大学教学成果一等奖2项，获批西北大学教改项目5项，“化工设计MOOC”是中国大学MOOC网站首次开设的化工设计相关课程，4 000余人选课学习。全国高等院校化工类专业教师课程思政能力大赛获得二等奖1项。

2.建设了系列课程群。以实践中的突出问题为反馈，形成了“化工设计竞赛指导”课程；以课程教学第10讲为内容蓝本，形成了“化工厂总图与建模”课程。

3.形成了内容衔接、层次递进的本科生专业实践活动，如西北大学化工厂建模竞赛活动、西北大学化工设计竞赛活动、全国大学生化工设计竞赛。其中西北大学化工设计竞赛已连续举办十四届，化工厂建模竞赛连续举办四届。基于以上基础，“化工设计”课程团队积极争取完成了第十六届全国大学生化工设计竞赛西北赛区决赛的承办工作，为优秀创新人才的脱颖而出搭建了交流舞台，取得了良好的育人效果。

参考文献

［1］吴岩.建设中国“金课”［J］.中国大学教学，2018（12）：4-9.

［2］教育部.关于一流本科课程建设的实施意见：教高〔2019〕8号［A/OL］.（2019-10-30）［2022-12-20］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.

［3］教育部.关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知：教高〔2020〕3号［A/OL］.（2020-06-01）［2022-12-20］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

［4］周志伟，汤吉海，武文良，等.竞赛联动的化工设计教学创新改革与实践［J］.化工高等教育，2022，39（4）：100-103.

Immersive Teaching， Stepwise Practice， Achievement Feeling： Teaching Strategy of Chemical Engineering Design Course Serving for Practice