“理工與科教雙融合”的化學化工專業(yè)實踐教學體系改革探索
——以沈陽化工大學為例

任保軼，朱明昌，孫亞光,＊，孫娜，王康軍，劉蟈蟈，丁茯

1 沈陽化工大學理學院，沈陽 110142

2 沈陽化工大學化學工程學院，沈陽 110142

3 沈陽化工大學分析測試中心，沈陽 110142

化學工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，與能源、材料、環(huán)境、制藥等諸多國民生產(chǎn)和生活領(lǐng)域緊密關(guān)聯(lián)?；瘜W化工類人才的知識體系建立于化學、物理、數(shù)學理論知識基礎(chǔ)之上，以掌握物質(zhì)的形態(tài)、組成、轉(zhuǎn)化及分離等規(guī)律為核心培養(yǎng)目標。因此，化學化工類專業(yè)的應(yīng)用特性，對人才實踐能力、工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，具有較高要求。進入21世紀的第二個十年，大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的快速崛起，對傳統(tǒng)的化學化工專業(yè)提出了新挑戰(zhàn)，也勾畫出更為廣闊的發(fā)展空間。面對國家戰(zhàn)略發(fā)展的新需求、全球化競爭的新格局，教育部于2016年提出了建設(shè)“新工科”的概念，引導(dǎo)并促使高等院校思考并改進專業(yè)人才能力培養(yǎng)方案，結(jié)合辦學與專業(yè)特色，推動高等教育高質(zhì)量發(fā)展[1]，落實立德樹人、科技創(chuàng)新和服務(wù)社會的根本任務(wù)[2]?；瘜W化工類專業(yè)的強應(yīng)用特征，使其兼具科學與技術(shù)創(chuàng)新的底蘊和背景，更要求其緊跟時代步伐，服務(wù)國家科技自立自強首要目標[3]。習近平總書記指出，重大創(chuàng)新成果往往萌發(fā)于深厚的基礎(chǔ)研究。這一重要論斷，為化學化工類人才的實踐能力、應(yīng)用本領(lǐng)和創(chuàng)新意識培養(yǎng)，指出了明確的教育教學改革方向。立足這一指導(dǎo)思想，沈陽化工大學堅定發(fā)展化學化工特色，于2020年起系統(tǒng)修訂了人才培養(yǎng)方案，優(yōu)化了專業(yè)基礎(chǔ)重合度極高的化學、應(yīng)用化學和化學工程與工藝等專業(yè)的理論與實踐課程體系；以“強化基礎(chǔ)，提升應(yīng)用”為目標，提出了“理工與科教雙融合”的實踐教學改革思路。

“理工融合”即強化化學化工基礎(chǔ)理論知識，將專業(yè)工程課程、實踐課程目標與理論知識深度結(jié)合，建立“基礎(chǔ)理論—工程實踐—創(chuàng)新素養(yǎng)”的系統(tǒng)化學習過程，實踐“成果導(dǎo)向教育”(Outcome based education，OBE)理念?！翱平倘诤稀钡膬?nèi)涵是將科技創(chuàng)新根植于教育教學過程，使學生明確經(jīng)典理論是實踐創(chuàng)新的原動力，樹立固本培元意識，激發(fā)學習興趣，明確學習目標，使科學研究與教育教學緊密融合?！袄砉づc科教雙融合”其必要性在于，解決學生學習過程中理論與實踐脫節(jié)的問題，提升學生對基礎(chǔ)知識的應(yīng)用能力?！半p融合”的基本方案是，在“四大化學”、化工原理、化學工藝學等課程的理論與實踐教學中，通過實驗原理解析、冷運行和虛擬仿真實驗及專家講座等方式，強化對重要基礎(chǔ)理論的理解，進而掌握工程實踐操作的原理、目的和方法，實現(xiàn)理工融合。以理工融合塑造的應(yīng)用能力為基礎(chǔ)，通過大學生創(chuàng)新實踐競賽，如：“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽、省部級創(chuàng)新訓練項目、ChemE-Car競賽和化工實驗大賽；特別是多個專業(yè)學院交叉指導(dǎo)化學化工類畢業(yè)論文/設(shè)計，并與規(guī)模企業(yè)、科研院所開展聯(lián)合指導(dǎo)，從而以“科教(產(chǎn)教)融合”的模式，將“理工融合”的教學成果遷移、提升為創(chuàng)新實踐能力。改革實施中，借助中國科學院、大型企業(yè)研發(fā)中心的創(chuàng)新實踐平臺，推進科技創(chuàng)新與教學主體的實質(zhì)性合作。兩項融合的核心目標是：以學生為中心，以能力打造為目標，采取多種多樣考核手段，依據(jù)改革效果持續(xù)改進，實現(xiàn)適應(yīng)新時代要求化學化工類人才的培養(yǎng)目標[4,5]?；陔p融合的理念，沈陽化工大學立足化學化工特色與優(yōu)勢，深入開展了適應(yīng)“新工科”要求的實踐教學體系改革與實踐。

東北地區(qū)，特別是遼寧省，化學工業(yè)實力和基礎(chǔ)雄厚。沈陽化工大學作為國內(nèi)僅有兩所以“化工大學”冠名的高校之一，培養(yǎng)化學化工類實踐創(chuàng)新型人才的責任重大。沈陽化工大學是遼寧省“雙一流”重點建設(shè)高校、國家“中西部高?；A(chǔ)能力建設(shè)工程”重點建設(shè)高校，入選教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計劃。學校立足遼寧特色菱鎂資源的精細化開發(fā)與利用，建立的菱鎂產(chǎn)業(yè)學院入選國家首批現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學院；與中國科學院共建“科教融合學院”，聯(lián)合培養(yǎng)本科生和研究生。創(chuàng)建的“定向研發(fā)、定向轉(zhuǎn)化、定向服務(wù)”“三定向”科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化新模式，被國務(wù)院列為向全國推廣的典型案例?；瘜W化工類專業(yè)是立校之基、強校之本。建校70年以來，沈陽化工大學始終堅持辦學特色，為黨育人，為國育才。學校設(shè)有化學、應(yīng)用化學、化學工程與工藝三個主干化學化工類專業(yè)；以三個主干專業(yè)為支撐，大力建設(shè)了能源化工、高分子科學與工程、制藥工程、材料化學等化學相關(guān)專業(yè)。目前，化學工程與工藝(2020年)、應(yīng)用化學(2021年)成功入選國家級一流本科專業(yè)，化學專業(yè)于2021年入選遼寧省一流本科建設(shè)示范專業(yè)?；瘜W工程與技術(shù)學科為學校首個一級學科博士學位授權(quán)點，化學是學校首個ESI世界排名前1%學科。

本文主要介紹、總結(jié)沈陽化工大學在“新工科”建設(shè)背景下，多措并舉，開展“理工與科教雙融合”的實踐教學體系改革探索。通過調(diào)整人才培養(yǎng)目標、強化課程達成度，優(yōu)化實踐教學內(nèi)容、模式和場景，實質(zhì)性提升人才的工程實踐能力、創(chuàng)新思維素養(yǎng)，推進區(qū)域化工特色強校建設(shè)。

1 應(yīng)用特征與產(chǎn)業(yè)升級驅(qū)動化學化工類專業(yè)實踐教學體系改革的必然性

強應(yīng)用性是化學化工類專業(yè)的核心特征，因此，以系統(tǒng)的理論知識為基礎(chǔ)，理解反應(yīng)工程、分離過程、分析測試原理，從而建立扎實的實際操作能力，是人才培養(yǎng)的首要目標，并有助于創(chuàng)新型人才的選拔。2022年6月，遼寧省政府出臺了《遼寧省石化和精細化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施方案》，這與沈陽化工大學一直以來積淀的精細化工特色、堅持的化工報國情懷、實施的“科教融合”戰(zhàn)略，具有極高的契合度，即專業(yè)建設(shè)方向和人才培養(yǎng)目標服務(wù)于區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展及產(chǎn)業(yè)升級改造。實踐教學體系改革是上述專業(yè)特征、產(chǎn)業(yè)升級對人才培養(yǎng)提出的必然要求。

1.1 “理工與科教雙融合”的化學化工類專業(yè)實踐教學體系改革理念

對基礎(chǔ)理論的功用認識不足，導(dǎo)致部分學生產(chǎn)生理論課程“無用論”的偏見認識；而實踐內(nèi)容陳舊、層次模糊，導(dǎo)致學生偏重機械操作，既未加深對理論的理解，又未掌握具體操作技能。以上兩種情況，亟待重建實踐教學體系，以實踐課程為節(jié)點，提高學生對基礎(chǔ)理論的理解認識，從而培養(yǎng)出色的工程實踐能力?；诖耍ㄟ^梳理化學化工類專業(yè)理論與實踐、工程技術(shù)與創(chuàng)新素養(yǎng)的新要求，提出了“理工與科教雙融合”的實踐教學體系改革理念?！袄砉と诤稀敝?，“理”包含理科、理論兩個涵義，“工”則涵蓋實踐教學中的單元操作、工藝技術(shù)、工程過程?！翱平倘诤稀敝校翱啤奔仁强萍紕?chuàng)新素養(yǎng)，又代表科研院所實體，而“教”則為教學方法及教學單位。同時，課程具體內(nèi)容、學時及項目設(shè)置上，充分考慮了具體專業(yè)在強化基礎(chǔ)與工程應(yīng)用層面的涵蓋和細分。“四大化學”和化工原理實踐與理論課程，是化學、應(yīng)用化學和化學工程與工藝專業(yè)的核心基礎(chǔ)課。同一門課程，由于化學和應(yīng)用化學專業(yè)基礎(chǔ)要求和人才培養(yǎng)目標的理科性強，教學內(nèi)容設(shè)置基本一致。鑒于化學工程與工藝專業(yè)的強應(yīng)用性、工程屬性，改進了實驗項目，并適當精簡學時轉(zhuǎn)移至專業(yè)課程學習階段。進而，兼顧基礎(chǔ)強化與應(yīng)用能力培養(yǎng)，以理工融合為支撐基礎(chǔ)，以科教融合為導(dǎo)向，構(gòu)建了新的“工”字型實踐教學體系(圖1)。

圖1 “理工與科教雙融合”的實踐教學體系

1.2 現(xiàn)有實踐教學體系存在的問題

(1) 化學化工基本原理不扎實，基礎(chǔ)理論課程間關(guān)聯(lián)度缺失，知識的系統(tǒng)化構(gòu)建不足，導(dǎo)致學生對實踐項目原理理解不深刻，學習目標不明確，機械地完成實驗操作步驟，未達到能力培養(yǎng)目標。

(2) 各門實踐課程間，內(nèi)容規(guī)劃和項目設(shè)置分立、割裂，導(dǎo)致不能規(guī)律性理解掌握化學化工實驗與生產(chǎn)知識。

(3) 實踐課程教學內(nèi)容設(shè)置扁平化，實踐項目設(shè)置缺乏層次。同時，專業(yè)方向內(nèi)的基礎(chǔ)實驗、設(shè)計實驗、認識實習和畢業(yè)論文(設(shè)計)間，缺少過渡與階梯性設(shè)計，不能有效強化、深化、升華專業(yè)技能。

(4) 實踐課程內(nèi)容與當代化學工業(yè)、科技前沿進展聯(lián)系不緊密，項目設(shè)計、改進和更新不及時，對學生的創(chuàng)新興趣和實踐技能培養(yǎng)不利；同時，在數(shù)字技術(shù)和人工智能深刻影響“新工科”建設(shè)的當下，化學化工實踐課程的虛擬仿真及自動化內(nèi)容，仍顯匱乏。

2 “理工與科教雙融合”的實踐教學體系改革的措施與成效

沈陽化工大學化學化工類的實踐教學體系建設(shè)，首先以基礎(chǔ)化學實驗中心和化工工程實踐中心為依托，以“四大化學”和化工原理教研室為骨干力量；同時，充分調(diào)動、利用校分析測試中心、遼寧省無機分子基化學重點實驗室和資源化工與材料教育部重點實驗室的資源，將實踐教學各環(huán)節(jié)按照知識模塊化、內(nèi)容項目化、過程鏈條化的再組織方法，加以重構(gòu)和優(yōu)化(圖2)。實驗/實踐平臺與教研室、虛擬仿真中心聯(lián)合優(yōu)化實踐項目內(nèi)容，實驗、實習及畢業(yè)論文(設(shè)計)過程中，密切結(jié)合中國科學院大連化學物理研究所、過程工程研究所及山東濱州工業(yè)園的理論與生產(chǎn)實踐課題，達成“理工與科教雙融合”的實踐教學體系改革目標。

圖2 化學化工基礎(chǔ)理論教育與實踐教學體系建設(shè)示意圖

2.1 “理工融合”的理論及實踐課程教材建設(shè)與基礎(chǔ)強化措施

將“以本為本”和“四個回歸”落實在教材建設(shè)中，提出“以課本為本”理念，為“理工融合”奠定堅實的理論學習基礎(chǔ)。經(jīng)過近10年的積淀和總結(jié)，有機、無機、分析和物理化學教研室，建設(shè)了一批國家級規(guī)劃教材和省級重點教材，其中《有機化學(第二版)》和《有機化學實驗(第二版)》(孔祥文等主編，化學工業(yè)出版社)成功入選“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材。教材建設(shè)中，突出化工特色，密切聯(lián)系實踐和生產(chǎn)實際，例如：一種席夫堿(N-苯亞甲基苯胺/芐叉苯胺)的制備實驗，集成了縮合反應(yīng)、減壓蒸餾/旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、重結(jié)晶等單元操作，并與專業(yè)實驗中的雅各布森催化劑(Jacobsen’s catalyst)制備關(guān)聯(lián)在一起。同時，為進一步強化工程實踐必需的理論基礎(chǔ)，在化學化工類專業(yè)，包括化學工程與工藝、應(yīng)用化學、化學及高分子材料與工程等，在大一、大二年級實施了全過程考核與評價的質(zhì)量提升工作。針對以上兩個年級共56個班級，基礎(chǔ)理論課程教學施行“節(jié)節(jié)清、章章練、月月考”強化方案，落實過程性評價要求，為高年級的應(yīng)用和工程實踐學習，建立了良好的知識儲備。

在具備扎實的理論基礎(chǔ)后，通過優(yōu)化實踐課程內(nèi)容、建立課程間聯(lián)系、拓展內(nèi)容深度與廣度，提高應(yīng)用能力和實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)水平。課程內(nèi)容優(yōu)化與貫通中，按照理論驗證-單元操作-綜合設(shè)計-工藝/工程設(shè)計的原則，將“四大化學”和化工原理基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗、實習實踐及畢業(yè)論文(設(shè)計)，有機地整理成互通模塊，系統(tǒng)性強化實踐教學效果。例如，從基本酯類合成，到專業(yè)實驗乙酰水楊酸的制備，再結(jié)合化工原理精餾綜合實驗項目，有效地將化學原理、反應(yīng)機理、反應(yīng)動力學與熱力學以及分離提純等加以整合，使學生的認識水平、理解能力、操作技能得到協(xié)同提高。

2.2 “虛實結(jié)合”的實踐教學體系建設(shè)

在卓越工程師教育培養(yǎng)計劃基礎(chǔ)上，對標化學工業(yè)綠色化、智能化、信息化等“新工科”元素，充分調(diào)動各類實踐教學資源，建設(shè)“虛實結(jié)合”的實踐教學體系，確保實踐知識與技能培養(yǎng)適應(yīng)行業(yè)人才需求。實際教學場景建設(shè)中，力求環(huán)境“車間化”，按照車間實際和職業(yè)環(huán)境要求對實習培訓裝置進行工段分區(qū)布置，體現(xiàn)現(xiàn)代企業(yè)推行的SHEQ (Occupational Safety, Health, Environmental,and Quality，即職業(yè)安全、健康、環(huán)境、質(zhì)量)理念，使學生能夠在未來工作中，盡快適應(yīng)企業(yè)的環(huán)境和規(guī)范。推進裝置“真實化”，選擇與實際相符、操作性強的實訓裝置，把理論和實踐完全融合，使學生建立“工程”概念，提高專業(yè)意識，充分鍛煉操作技能。落實項目“典型化”，化工生產(chǎn)過程紛繁復(fù)雜，采用代表性的單元操作訓練、典型設(shè)備實驗操作，強化工程實踐技能(圖3)。打造操作、流程“仿真化”體系，依托化工過程國家級虛擬仿真實驗教學中心，實現(xiàn)精餾分離DCS (Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng))的仿真實訓。利用國家虛擬仿真實驗教學項目——傅克反應(yīng)-螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯(lián)反應(yīng)虛擬仿真合成[6]，學習流動化學制備新技術(shù)。憑借以上改革與建設(shè)，成功舉辦了2022年遼寧省高等學校本科大學生化工原理大賽。

圖3 化學工程冷運行與虛擬仿真實驗

2.3 “科教融合”式應(yīng)用與創(chuàng)新能力提升模式

理論與實驗及實踐與仿真一體化教學模式的確立，為高年級學生的實習實踐、創(chuàng)新競賽和畢業(yè)論文/設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)，使其具備了參與科學研究、產(chǎn)學互動的能力。以有機化學為例，基于對傅克反應(yīng)、苯炔機理等理論內(nèi)容的理解，及相應(yīng)實驗技能的訓練，大三的三名本科生設(shè)計了以2-(三甲基硅基)苯基三氟甲烷磺酸酯和2-碘苯酚為原料，經(jīng)苯炔歷程、Grignard試劑、分子內(nèi)傅克環(huán)化的路線，制取螺雙氧雜蒽。并在其結(jié)構(gòu)及性質(zhì)表征過程中，掌握了核磁共振譜、單晶解析、紫外-可見吸收光譜的測試及數(shù)據(jù)分析方法。相應(yīng)結(jié)果不僅被《沈陽化工大學學報》接受，更為指導(dǎo)教師的科研課題提供了原料基礎(chǔ)。此外，“螺二芴的溴化及芳胺官能化”“螺芳基電致發(fā)光材料的合成”等多個本科畢業(yè)論文課題，均充分融合了教學內(nèi)容和科研課題，切實促進了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。進一步地，在專業(yè)課程教學中有意識地融合了生產(chǎn)實踐中的問題，啟發(fā)學生給出合理的機理解釋。例如，在有機合成化學課程的自由基中間體反應(yīng)總結(jié)后，給出某企業(yè)的研發(fā)課題：自由基/堿協(xié)同催化氫氰酸四聚合成二氨基馬來腈，請學生寫出恰當?shù)姆磻?yīng)機理(圖4)。以“科教融合”為手段，不但使學生更深刻理解了自由基偶聯(lián)、親核加成、催化循環(huán)及原子經(jīng)濟性等概念，也更深刻體會了理論指導(dǎo)實踐、理論聯(lián)系實踐的重要意義。

圖4 氫氰酸四聚合成二氨基馬來腈的自由基機理

以理論知識為根基，從具體課題入手，由點及面，向創(chuàng)新和應(yīng)用型人才培養(yǎng)協(xié)同推進。在學校教務(wù)處、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院和一線教師的共同努力下，為學生提供更為廣闊的“科教融合”“產(chǎn)教融合”平臺。近3年來，以學校化學化工特色為代表的理學院和化學工程學院，共計組織學生150余人次參加中國科學院長春應(yīng)用化學研究所、過程工程所、大連化學物理研究所及多所“雙一流”高校的夏令營活動；向南開大學、大連理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校推免碩士研究生31人。同時，與山東濱州化工產(chǎn)業(yè)園、營口市石化產(chǎn)業(yè)基地、航錦科技有限公司等簽訂畢業(yè)實習實踐協(xié)議，選派百余名學生在相關(guān)企業(yè)完成畢業(yè)設(shè)計/論文?；谝陨弦幌盗小半p融合”措施，在主要的三個化學化工專業(yè)初步建立了較為完善的實踐教學體系，并在學科發(fā)展、專業(yè)建設(shè)、課程改革和人才培養(yǎng)中，取得了較好的成果和實效(表1)。

表1 主要教學改革成效

3 結(jié)語

在“新工科”背景下，以立德樹人、因材施教為化學化工專業(yè)人才培養(yǎng)的指導(dǎo)思想，提出了“理工與科教雙融合”的人才培養(yǎng)模式。緊密圍繞：原理-技術(shù)-工程這一理論與實踐創(chuàng)新主線，在教育教學過程中，以教材建設(shè)、教學內(nèi)容改革夯實理論基礎(chǔ)，以實踐技能訓練為紐帶，在實訓和畢業(yè)實習/論文環(huán)節(jié)落實創(chuàng)新與應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標的協(xié)同達成，構(gòu)建了適應(yīng)學生發(fā)展和社會需求的化學化工類專業(yè)實踐教學體系。