化工新工科的递进式实践教学体系建设

［摘 要］ 在工业4.0的新时代，传统化工专业受到冲击，探索创新创业人才培养模式是新工科建设的重要任务之一。哈尔滨工业大学化学工程与工艺专业目前的实践教学体系已形成以研促教、以研促学的教学模式，但仍存在知识结构、培养机制、工程训练、知识应用等方面的问题。为解决上述问题，基于一致性建构理论，提出了以电化学工程为特色方向，践行“知识传授、能力培养、价值塑造”的培养理念，建设以基本技能训练—工程项目训练—创新创业训练—实践综合训练为主线的“递进式”实践教学体系。

［关键词］ 新工科；化学工程与工艺；实践教学；教学情境；建构主义理论

［基金项目］ 2020年度教育部新工科研究与实践项目“传统化学工程与工艺专业改造升级探索与实践”（EHGZY20202011）；2022年度黑龙江省教育科学“十四五”规划重点课题“一个平台四云驱动的工程专业人才培养方法研究”（GJB1422065）

［作者简介］ 张锦秋（1979—），女，黑龙江齐齐哈尔人，博士，哈尔滨工业大学化工与化学学院副教授（通信作者），主要从事电沉积功能材料研究；马玉林（1981—），女，河南周口人，博士，哈尔滨工业大学化工与化学学院教授级高级工程师，主要从事电化学研究；王家钧（1981—），男，安徽滁州人，博士，哈尔滨工业大学化工与化学学院教授，主要从事电化学和能源材料研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）29-0017-04 ［收稿日期］ 2022-12-30

新工科这一概念在2016年首次提出，2020年教育部在新工科研究与实践项目建设中，要求高校探索形成中国特色、世界水平的工程教育体系，建设工程教育强国。在我国，300多家高校开设了化学工程与工艺专业（简称“化工专业”），随着传统化工产业在工业4.0新时代所面临的挑战越来越艰巨，传统化工专业也受到冲击。从服务国家战略和区域发展需求的角度，探索创新创业人才培养模式是新工科建设的重要任务之一。在新工科背景下，聚焦新能源和新材料等新兴产业发展方向及其对人才的最新需求，着眼人才培养成效和学习成果，形成适应新要求、具有新内涵的专业实践教学体系对于建设国家一流本科专业具有重要的推动作用。

化工学科的实践性较强，国内高校一般采取企业短期实习、课程设计、毕业论文等方式培养学生的工程实践能力；国外高校通常重视学生的科研项目训练，例如英国帝国理工学院建立了“基础实验室—知识实验室—发现实验室”三级实验训练框架［1］。在新工科建设中，天津大学化工学院通过“中国大学生Chem-E-Car竞赛”“全国大学生化工实验大赛”等提升学生的知识应用能力和创新能力［2］。本文基于建构主义学习理论进行新工科建设，学习借鉴先进经验，分析哈尔滨工业大学化工专业现有实践教学体系的特点和问题，介绍电化学工程方向的递进式实践教学体系。

一、基于建构主义学习理论改革电化学工程方向的实践教学体系

进入21世纪，建构主义学习理论成为教育改革的主要理论［3］，该理论提出，学习是学生通过意义建构的方式建构自己的知识的过程。建构主义学习视角下的教学活动中，学生是中心，教师是辅助者，学生在教学情境中利用必要的学习资料，在教师的指导和学习伙伴的互助下进行学习，发展出适用于各种学科的学习能力和思考策略。对学习结果的评价，依据学生的知识结构和知识加工水平；对教学质量的评价，依据学生各方面能力的输出情况。

在对传统化工专业改造的过程中，我们制定了由理论知识教学与实践教学共同支撑学生的知识、能力、素质等培养目标。在考核学生的学习产出方面，实践教学是最能体现学生综合运用理论知识、解决复杂工程问题的能力的教学形式。教改后的实践教学目标被确定为：通过实验、实习、创新创业活动和毕业设计帮助学生进行深度学习，培养问题分析、设计方案、使用现代工具、研究、团队协作和沟通等能力，能够解决化学电源和电化学表面处理等电化学工程领域的复杂工程问题。

在建构主义学习理论中，情境、协作、会话和意义建构被认为是学习环境中的四大要素［4］。澳大利亚教学心理学家比格斯（J. Biggs）在1996年提出一致性建构理论，是成果导向教育基于建构主义学习理论的进一步发展，不仅仅强调评价与预期学习成果之间的对接，更强调教学活动与预期学习成果的一致性［5］。基于该理论，我们以递进式工程应用情境设计为课程安排主线，以师生讨论、小组协作为教学活动主体，以创新为建构驱动力量，建立了支持深度学习的递进式实践教学体系，创造鼓励学生进行自主学习和创新创业的实践学习环境，促使学生通过实践学习达到能力培养的目标。

二、目前实践教学体系的运行状况

电化学工程方向根据培养目标的需要，目前的实践教学体系（以2019级培养方案为例）是在2016版培养方案的基础上，结合学科发展和行业需求修订而成，实践课程42学分（占总学分170学分的24.7%），其中专业方向实践课35学分，具体课程名称和学分见表1。

目前的实践教学体系形成了以研促教、以研促学的教学模式，搭建了教科融合的实践平台，将研究型大学的科研优势转化为技术创新型人才实践环节培养的优势，将实验和实践内容与科研前沿和高新技术企业需求接轨，强化毕业设计（论文）的工程特色和工程应用情境，突出对学生解决复杂工程问题能力和技术创新能力的培养，形成了“产学研用”紧密结合的培养机制。

但是，本专业在进行新工科升级改造过程中，依托虚拟教研室平台，联合多家高校和知名化学电源企业进行合作研究和实践，发现专业人才培养还存在课程体系与所需的知识结构不匹配、人才培养资源有效机制不完善、实际工程训练不够多、知识集成与综合应用培养不够足等四个方面的关键问题。因此，提出将电化学工程方向作为专业特色，以建构主义学习理论为指导，形成新工科理念下的培养目标和课程体系，发挥工科优势，即高校对工程科技创新和产业创新的主体作用，打造工程教育开放融合新生态，进行“递进式”实践教学体系建设，提升学生知识综合运用、解决实际问题和终身学习的能力。

三、“递进式”实践教学体系的建设

本专业践行知识传授、能力培养、价值塑造三位一体的培养理念，教改后将工程应用情境设置从简单到复杂，形成新工科背景下的基本技能训练—工程项目训练—创新创业训练—实践综合训练为主线的“递进式”实践教学体系（见图1），使学生在实践学习情境复杂程度逐渐加大的过程中，从了解创新、参与创新到主导创新、进行创新应用，促进学生的自主发现和建构，使他们能在工程实践中发现问题和解决问题，实现理论知识与实践技能的融会贯通和创新发展，进而支撑学生在知识、能力、素质等方面培养目标的达成。

（一）基本技能训练

以行业新兴领域及前沿学术方向为导向，以学生基本实验技能和创新思维培养为核心，构建基础化学实验—专业综合实验—前沿创新实验的阶梯式实验课程体系。通过混合式教学改革，在“一体两翼”架构下，搭建实验教学网络平台，构建实践教学体系，探索创新创业型人才培养模式。

基础化学实验不再按课程名称分类，而是按实验技能要求从低到高进行分类，不仅涵盖原有核心内容，还增加综合性和探索性内容，主要使用支架式教学法，培养学生基本的构建实验系统、采集、分析与解释数据的能力，将标志性科研成果转化成高级实验部分的教学内容，在典型案例中，学生体验创新过程，激发创新热情。专业综合实验改革的方向是围绕一个较大的知识点，将多个实验整合为一个实验，主要使用情境教学法，引导学生利用基本的实验技能合理设计实验流程，获取实验数据，通过信息综合得出合理有效的结论，从而培养设计实验的能力。前沿创新实验设置在电化学工程实验中，将前沿科研成果转化成教学内容，主要使用探究学习和合作学习方法，引导学生以小组为单位，在科研实际需求的背景下进行创新实验，从而培养创新能力和团队协作能力。

学院已连续十年举办校级化工实验技能竞赛，2021年承办了省级化工实验竞赛，这些竞赛为检验和提升学生的基本实验技能提供了平台，实现了以赛促学的目的。

（二）工程项目训练

工程项目训练依托大学生科技创新项目进行，有大一年度项目和大学生创新创业训练计划。课题来自实际工程需求，在国家级和校级项目层级划分上，以往是根据开题成绩，改革后是根据中期答辩成绩，有效提升了学生的能动性。

科创项目主要在专业实验室和“化学电源制造工程”校内实践基地完成。科创团队由电化学工程创新实践基地管理，接受基地提供的安全、创新思维和专业实验技能培训，经过三级安全考核合格后，获得进入专业实验室工作的资格。科创导师和企业导师在虚拟教研室平台“云教研”，联合指导科技创新，主要使用情境教学法和探究学习法。学生在团队协作完成项目的过程中逐步提升分析和解决课题所对应的电化学领域内复杂工程问题的能力，并在开题、中期检查和结题答辩过程中锻炼沟通能力。

（三）创新创业训练

创新创业训练由电化学工程创新实践基地负责，分为创新类课程—创新大赛—公司运营三个阶段，采用择优进阶模式，主要使用探究学习法和合作学习法。

创新类课程的目标是培养学生系统的创新思维能力，能使用合适的创新方法进行创新创业实践。在工程项目训练阶段，选拔比较优秀的科创项目团队学习创新类课程，进行理论培训和初步实践，组成创新大赛队伍。创新团队在创新竞赛的备赛过程中，校内、校外实践基地互补与联动，为学生创新实战提供保障，培养其团队协作能力和解决实际复杂工程问题的能力。本专业代表本校与中国化工教育协会共同主办了全国大学生电化学测量技术竞赛，已于2022年举办了首届竞赛，在电化学专业的创新创业实践能力培养中产生引领作用，培养学生将电化学测量技术用于创新研究中的实践能力，以及在电化学工程领域的创新精神和创业能力。创新创业训练的高级形式是依托产业开发平台，选拔在大赛中表现优秀的创新团队，创立和运营公司，培养学生项目管理的能力。这是创新创业训练中最贴近实际的、最具有价值和挑战性的。

（四）实践综合训练

实践综合训练分为实习、设计训练和毕业设计（论文）三个部分，是理论知识、实践技能和创新能力的综合训练。

随着生产自动化程度的提高，学生在实习中能动手参与的工作越来越少，因此让学生在虚拟环境中熟悉生产流程非常有必要。本专业现已建成《锂离子电池安全性测试及关键因素虚拟仿真实验》供学生认识、实习使用。生产实习采用情境教学法，引导学生在实习中从科学研究、技术开发和管理工作等不同角度对企业中的实际工作进行分析，学习先进的理念和方法，发现问题并提出解决方案。设计训练包括基础理论学习和设计实践。学生在了解设计基本原则的基础上，通过经典化工流程设计、电镀车间设计和电源车间设计三个实践模块，培养电化学工程领域工艺流程的设计能力。毕业设计（论文）是学生实践综合能力训练的最后一关，是培养学生解决复杂工程问题能力的关键环节。本专业强化工程特色，从工程实践中提炼选题，依托虚拟教研室平台“云分享”，充分发挥本科生导师和企业导师在创新思维和创新能力上的引领作用，引导学生设计出创新、可行的课题研究方案，充分利用校企合作平台支撑学生完成课题研究。通过上述的综合实践训练，培养学生多种理论知识的综合运用能力。

结语

以新工科理念在对传统化学工程与工艺专业进行改革的过程中，提出了面向国家战略需求、行业新兴领域及前沿学术方向，以电化学工程为特色方向，建设符合学生知识、能力和素质培养的基本技能训练—工程项目训练—创新创业训练—实践综合训练为主线的“递进式”实践教学体系。在一致性建构理论的指导下，通过支持学生深度学习的实践教学过程，强化学生的技术创新和工程实践能力，实现电化学工程方向学生知识集成和综合运用的能力的培养，为科学研究、技术开发和管理等工作岗位培养高级工程技术和研究人才。

参考文献

［1］CHEN W ， SHAH U，BRECHTLSBAUER C.A framework for hands-on learning in chemical engineering education：Training students with the end goal in mind［J］. Education for Chemical Engineers，2019（28）： 25-29.