張錦秋 馬玉林 王家鈞 黃玉東

［摘 要］ 在工業(yè)4.0的新時代，傳統(tǒng)化工專業(yè)受到?jīng)_擊，探索創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式是新工科建設(shè)的重要任務(wù)之一。哈爾濱工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)目前的實踐教學(xué)體系已形成以研促教、以研促學(xué)的教學(xué)模式，但仍存在知識結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)機(jī)制、工程訓(xùn)練、知識應(yīng)用等方面的問題。為解決上述問題，基于一致性建構(gòu)理論，提出了以電化學(xué)工程為特色方向，踐行“知識傳授、能力培養(yǎng)、價值塑造”的培養(yǎng)理念，建設(shè)以基本技能訓(xùn)練—工程項目訓(xùn)練—創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練—實踐綜合訓(xùn)練為主線的“遞進(jìn)式”實踐教學(xué)體系。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；化學(xué)工程與工藝；實踐教學(xué)；教學(xué)情境；建構(gòu)主義理論

［基金項目］ 2020年度教育部新工科研究與實踐項目“傳統(tǒng)化學(xué)工程與工藝專業(yè)改造升級探索與實踐”（EHGZY20202011）；2022年度黑龍江省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃重點課題“一個平臺四云驅(qū)動的工程專業(yè)人才培養(yǎng)方法研究”（GJB1422065）

［作者簡介］ 張錦秋（1979—），女，黑龍江齊齊哈爾人，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院副教授（通信作者），主要從事電沉積功能材料研究；馬玉林（1981—），女，河南周口人，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院教授級高級工程師，主要從事電化學(xué)研究；王家鈞（1981—），男，安徽滁州人，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院教授，主要從事電化學(xué)和能源材料研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）29-0017-04［收稿日期］ 2022-12-30

新工科這一概念在2016年首次提出，2020年教育部在新工科研究與實踐項目建設(shè)中，要求高校探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，建設(shè)工程教育強(qiáng)國。在我國，300多家高校開設(shè)了化學(xué)工程與工藝專業(yè)（簡稱“化工專業(yè)”），隨著傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)在工業(yè)4.0新時代所面臨的挑戰(zhàn)越來越艱巨，傳統(tǒng)化工專業(yè)也受到?jīng)_擊。從服務(wù)國家戰(zhàn)略和區(qū)域發(fā)展需求的角度，探索創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式是新工科建設(shè)的重要任務(wù)之一。在新工科背景下，聚焦新能源和新材料等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向及其對人才的最新需求，著眼人才培養(yǎng)成效和學(xué)習(xí)成果，形成適應(yīng)新要求、具有新內(nèi)涵的專業(yè)實踐教學(xué)體系對于建設(shè)國家一流本科專業(yè)具有重要的推動作用。

化工學(xué)科的實踐性較強(qiáng)，國內(nèi)高校一般采取企業(yè)短期實習(xí)、課程設(shè)計、畢業(yè)論文等方式培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力；國外高校通常重視學(xué)生的科研項目訓(xùn)練，例如英國帝國理工學(xué)院建立了“基礎(chǔ)實驗室—知識實驗室—發(fā)現(xiàn)實驗室”三級實驗訓(xùn)練框架［1］。在新工科建設(shè)中，天津大學(xué)化工學(xué)院通過“中國大學(xué)生Chem-E-Car競賽”“全國大學(xué)生化工實驗大賽”等提升學(xué)生的知識應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力［2］。本文基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論進(jìn)行新工科建設(shè)，學(xué)習(xí)借鑒先進(jìn)經(jīng)驗，分析哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工專業(yè)現(xiàn)有實踐教學(xué)體系的特點和問題，介紹電化學(xué)工程方向的遞進(jìn)式實踐教學(xué)體系。

一、基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論改革電化學(xué)工程方向的實踐教學(xué)體系

進(jìn)入21世紀(jì)，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論成為教育改革的主要理論［3］，該理論提出，學(xué)習(xí)是學(xué)生通過意義建構(gòu)的方式建構(gòu)自己的知識的過程。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)視角下的教學(xué)活動中，學(xué)生是中心，教師是輔助者，學(xué)生在教學(xué)情境中利用必要的學(xué)習(xí)資料，在教師的指導(dǎo)和學(xué)習(xí)伙伴的互助下進(jìn)行學(xué)習(xí)，發(fā)展出適用于各種學(xué)科的學(xué)習(xí)能力和思考策略。對學(xué)習(xí)結(jié)果的評價，依據(jù)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和知識加工水平；對教學(xué)質(zhì)量的評價，依據(jù)學(xué)生各方面能力的輸出情況。

在對傳統(tǒng)化工專業(yè)改造的過程中，我們制定了由理論知識教學(xué)與實踐教學(xué)共同支撐學(xué)生的知識、能力、素質(zhì)等培養(yǎng)目標(biāo)。在考核學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)出方面，實踐教學(xué)是最能體現(xiàn)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識、解決復(fù)雜工程問題的能力的教學(xué)形式。教改后的實踐教學(xué)目標(biāo)被確定為：通過實驗、實習(xí)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動和畢業(yè)設(shè)計幫助學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)問題分析、設(shè)計方案、使用現(xiàn)代工具、研究、團(tuán)隊協(xié)作和溝通等能力，能夠解決化學(xué)電源和電化學(xué)表面處理等電化學(xué)工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。

在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中，情境、協(xié)作、會話和意義建構(gòu)被認(rèn)為是學(xué)習(xí)環(huán)境中的四大要素［4］。澳大利亞教學(xué)心理學(xué)家比格斯（J. Biggs）在1996年提出一致性建構(gòu)理論，是成果導(dǎo)向教育基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的進(jìn)一步發(fā)展，不僅僅強(qiáng)調(diào)評價與預(yù)期學(xué)習(xí)成果之間的對接，更強(qiáng)調(diào)教學(xué)活動與預(yù)期學(xué)習(xí)成果的一致性［5］?；谠摾碚摚覀円赃f進(jìn)式工程應(yīng)用情境設(shè)計為課程安排主線，以師生討論、小組協(xié)作為教學(xué)活動主體，以創(chuàng)新為建構(gòu)驅(qū)動力量，建立了支持深度學(xué)習(xí)的遞進(jìn)式實踐教學(xué)體系，創(chuàng)造鼓勵學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的實踐學(xué)習(xí)環(huán)境，促使學(xué)生通過實踐學(xué)習(xí)達(dá)到能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

二、目前實踐教學(xué)體系的運(yùn)行狀況

電化學(xué)工程方向根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)的需要，目前的實踐教學(xué)體系（以2019級培養(yǎng)方案為例）是在2016版培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)科發(fā)展和行業(yè)需求修訂而成，實踐課程42學(xué)分（占總學(xué)分170學(xué)分的24.7%），其中專業(yè)方向?qū)嵺`課35學(xué)分，具體課程名稱和學(xué)分見表1。

目前的實踐教學(xué)體系形成了以研促教、以研促學(xué)的教學(xué)模式，搭建了教科融合的實踐平臺，將研究型大學(xué)的科研優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為技術(shù)創(chuàng)新型人才實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)的優(yōu)勢，將實驗和實踐內(nèi)容與科研前沿和高新技術(shù)企業(yè)需求接軌，強(qiáng)化畢業(yè)設(shè)計（論文）的工程特色和工程應(yīng)用情境，突出對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，形成了“產(chǎn)學(xué)研用”緊密結(jié)合的培養(yǎng)機(jī)制。

但是，本專業(yè)在進(jìn)行新工科升級改造過程中，依托虛擬教研室平臺，聯(lián)合多家高校和知名化學(xué)電源企業(yè)進(jìn)行合作研究和實踐，發(fā)現(xiàn)專業(yè)人才培養(yǎng)還存在課程體系與所需的知識結(jié)構(gòu)不匹配、人才培養(yǎng)資源有效機(jī)制不完善、實際工程訓(xùn)練不夠多、知識集成與綜合應(yīng)用培養(yǎng)不夠足等四個方面的關(guān)鍵問題。因此，提出將電化學(xué)工程方向作為專業(yè)特色，以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，形成新工科理念下的培養(yǎng)目標(biāo)和課程體系，發(fā)揮工科優(yōu)勢，即高校對工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的主體作用，打造工程教育開放融合新生態(tài)，進(jìn)行“遞進(jìn)式”實踐教學(xué)體系建設(shè)，提升學(xué)生知識綜合運(yùn)用、解決實際問題和終身學(xué)習(xí)的能力。

三、“遞進(jìn)式”實踐教學(xué)體系的建設(shè)

本專業(yè)踐行知識傳授、能力培養(yǎng)、價值塑造三位一體的培養(yǎng)理念，教改后將工程應(yīng)用情境設(shè)置從簡單到復(fù)雜，形成新工科背景下的基本技能訓(xùn)練—工程項目訓(xùn)練—創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練—實踐綜合訓(xùn)練為主線的“遞進(jìn)式”實踐教學(xué)體系（見圖1），使學(xué)生在實踐學(xué)習(xí)情境復(fù)雜程度逐漸加大的過程中，從了解創(chuàng)新、參與創(chuàng)新到主導(dǎo)創(chuàng)新、進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生的自主發(fā)現(xiàn)和建構(gòu)，使他們能在工程實踐中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，實現(xiàn)理論知識與實踐技能的融會貫通和創(chuàng)新發(fā)展，進(jìn)而支撐學(xué)生在知識、能力、素質(zhì)等方面培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

（一）基本技能訓(xùn)練

以行業(yè)新興領(lǐng)域及前沿學(xué)術(shù)方向為導(dǎo)向，以學(xué)生基本實驗技能和創(chuàng)新思維培養(yǎng)為核心，構(gòu)建基礎(chǔ)化學(xué)實驗—專業(yè)綜合實驗—前沿創(chuàng)新實驗的階梯式實驗課程體系。通過混合式教學(xué)改革，在“一體兩翼”架構(gòu)下，搭建實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺，構(gòu)建實踐教學(xué)體系，探索創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)模式。

基礎(chǔ)化學(xué)實驗不再按課程名稱分類，而是按實驗技能要求從低到高進(jìn)行分類，不僅涵蓋原有核心內(nèi)容，還增加綜合性和探索性內(nèi)容，主要使用支架式教學(xué)法，培養(yǎng)學(xué)生基本的構(gòu)建實驗系統(tǒng)、采集、分析與解釋數(shù)據(jù)的能力，將標(biāo)志性科研成果轉(zhuǎn)化成高級實驗部分的教學(xué)內(nèi)容，在典型案例中，學(xué)生體驗創(chuàng)新過程，激發(fā)創(chuàng)新熱情。專業(yè)綜合實驗改革的方向是圍繞一個較大的知識點，將多個實驗整合為一個實驗，主要使用情境教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生利用基本的實驗技能合理設(shè)計實驗流程，獲取實驗數(shù)據(jù)，通過信息綜合得出合理有效的結(jié)論，從而培養(yǎng)設(shè)計實驗的能力。前沿創(chuàng)新實驗設(shè)置在電化學(xué)工程實驗中，將前沿科研成果轉(zhuǎn)化成教學(xué)內(nèi)容，主要使用探究學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)方法，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位，在科研實際需求的背景下進(jìn)行創(chuàng)新實驗，從而培養(yǎng)創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。

學(xué)院已連續(xù)十年舉辦校級化工實驗技能競賽，2021年承辦了省級化工實驗競賽，這些競賽為檢驗和提升學(xué)生的基本實驗技能提供了平臺，實現(xiàn)了以賽促學(xué)的目的。

（二）工程項目訓(xùn)練

工程項目訓(xùn)練依托大學(xué)生科技創(chuàng)新項目進(jìn)行，有大一年度項目和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃。課題來自實際工程需求，在國家級和校級項目層級劃分上，以往是根據(jù)開題成績，改革后是根據(jù)中期答辯成績，有效提升了學(xué)生的能動性。

科創(chuàng)項目主要在專業(yè)實驗室和“化學(xué)電源制造工程”校內(nèi)實踐基地完成?？苿?chuàng)團(tuán)隊由電化學(xué)工程創(chuàng)新實踐基地管理，接受基地提供的安全、創(chuàng)新思維和專業(yè)實驗技能培訓(xùn)，經(jīng)過三級安全考核合格后，獲得進(jìn)入專業(yè)實驗室工作的資格?？苿?chuàng)導(dǎo)師和企業(yè)導(dǎo)師在虛擬教研室平臺“云教研”，聯(lián)合指導(dǎo)科技創(chuàng)新，主要使用情境教學(xué)法和探究學(xué)習(xí)法。學(xué)生在團(tuán)隊協(xié)作完成項目的過程中逐步提升分析和解決課題所對應(yīng)的電化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題的能力，并在開題、中期檢查和結(jié)題答辯過程中鍛煉溝通能力。

（三）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練由電化學(xué)工程創(chuàng)新實踐基地負(fù)責(zé)，分為創(chuàng)新類課程—創(chuàng)新大賽—公司運(yùn)營三個階段，采用擇優(yōu)進(jìn)階模式，主要使用探究學(xué)習(xí)法和合作學(xué)習(xí)法。

創(chuàng)新類課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的創(chuàng)新思維能力，能使用合適的創(chuàng)新方法進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐。在工程項目訓(xùn)練階段，選拔比較優(yōu)秀的科創(chuàng)項目團(tuán)隊學(xué)習(xí)創(chuàng)新類課程，進(jìn)行理論培訓(xùn)和初步實踐，組成創(chuàng)新大賽隊伍。創(chuàng)新團(tuán)隊在創(chuàng)新競賽的備賽過程中，校內(nèi)、校外實踐基地互補(bǔ)與聯(lián)動，為學(xué)生創(chuàng)新實戰(zhàn)提供保障，培養(yǎng)其團(tuán)隊協(xié)作能力和解決實際復(fù)雜工程問題的能力。本專業(yè)代表本校與中國化工教育協(xié)會共同主辦了全國大學(xué)生電化學(xué)測量技術(shù)競賽，已于2022年舉辦了首屆競賽，在電化學(xué)專業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力培養(yǎng)中產(chǎn)生引領(lǐng)作用，培養(yǎng)學(xué)生將電化學(xué)測量技術(shù)用于創(chuàng)新研究中的實踐能力，以及在電化學(xué)工程領(lǐng)域的創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)能力。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練的高級形式是依托產(chǎn)業(yè)開發(fā)平臺，選拔在大賽中表現(xiàn)優(yōu)秀的創(chuàng)新團(tuán)隊，創(chuàng)立和運(yùn)營公司，培養(yǎng)學(xué)生項目管理的能力。這是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練中最貼近實際的、最具有價值和挑戰(zhàn)性的。

（四）實踐綜合訓(xùn)練

實踐綜合訓(xùn)練分為實習(xí)、設(shè)計訓(xùn)練和畢業(yè)設(shè)計（論文）三個部分，是理論知識、實踐技能和創(chuàng)新能力的綜合訓(xùn)練。

隨著生產(chǎn)自動化程度的提高，學(xué)生在實習(xí)中能動手參與的工作越來越少，因此讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中熟悉生產(chǎn)流程非常有必要。本專業(yè)現(xiàn)已建成《鋰離子電池安全性測試及關(guān)鍵因素虛擬仿真實驗》供學(xué)生認(rèn)識、實習(xí)使用。生產(chǎn)實習(xí)采用情境教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生在實習(xí)中從科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和管理工作等不同角度對企業(yè)中的實際工作進(jìn)行分析，學(xué)習(xí)先進(jìn)的理念和方法，發(fā)現(xiàn)問題并提出解決方案。設(shè)計訓(xùn)練包括基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)和設(shè)計實踐。學(xué)生在了解設(shè)計基本原則的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)典化工流程設(shè)計、電鍍車間設(shè)計和電源車間設(shè)計三個實踐模塊，培養(yǎng)電化學(xué)工程領(lǐng)域工藝流程的設(shè)計能力。畢業(yè)設(shè)計（論文）是學(xué)生實踐綜合能力訓(xùn)練的最后一關(guān)，是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本專業(yè)強(qiáng)化工程特色，從工程實踐中提煉選題，依托虛擬教研室平臺“云分享”，充分發(fā)揮本科生導(dǎo)師和企業(yè)導(dǎo)師在創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力上的引領(lǐng)作用，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出創(chuàng)新、可行的課題研究方案，充分利用校企合作平臺支撐學(xué)生完成課題研究。通過上述的綜合實踐訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生多種理論知識的綜合運(yùn)用能力。

結(jié)語

以新工科理念在對傳統(tǒng)化學(xué)工程與工藝專業(yè)進(jìn)行改革的過程中，提出了面向國家戰(zhàn)略需求、行業(yè)新興領(lǐng)域及前沿學(xué)術(shù)方向，以電化學(xué)工程為特色方向，建設(shè)符合學(xué)生知識、能力和素質(zhì)培養(yǎng)的基本技能訓(xùn)練—工程項目訓(xùn)練—創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練—實踐綜合訓(xùn)練為主線的“遞進(jìn)式”實踐教學(xué)體系。在一致性建構(gòu)理論的指導(dǎo)下，通過支持學(xué)生深度學(xué)習(xí)的實踐教學(xué)過程，強(qiáng)化學(xué)生的技術(shù)創(chuàng)新和工程實踐能力，實現(xiàn)電化學(xué)工程方向?qū)W生知識集成和綜合運(yùn)用的能力的培養(yǎng)，為科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和管理等工作崗位培養(yǎng)高級工程技術(shù)和研究人才。

參考文獻(xiàn)

［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.

［2］夏淑倩，王曼玲，程金萍，等.踐行OBE理念，開展化工類專業(yè)新工科建設(shè)［J］.化工高等教育，2018，35（1）：9-12+61.

［3］王旅，余楊奎.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論剖析［J］，當(dāng)代教育論壇（教學(xué)研究），2010（4）：13-15.

［4］曾智.國外三大學(xué)習(xí)理論研究的基本狀況與進(jìn)展［J］.南通大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），2008（2）：78-81+84.

［5］周顯鵬，俞佳君，黃翠萍.成果導(dǎo)向教育的理論淵源與發(fā)展應(yīng)用［J］.高教發(fā)展與評估，2021，37（3）：83-89+113.

Construction of Progressive Practical Teaching System for New Engineering in Chemical Engineering

ZHANG Jin-qiu， MA Yu-lin， WANG Jia-jun， HUANG Yu-dong

（School of Chemistry and Chemical Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang 150001， China）

Abstract： In the new era of Industry 4.0， the traditional major of Chemical Engineering has been impacted， thus exploring a training mode of innovative and entrepreneurial talents is an important task of the construction of the New Engineering. The current practical teaching system of this major in Harbin Institute of Technology has formed a teaching mode of “promoting teaching and learning through research”. However， there are still problems in knowledge structure， training mechanism， engineering training and knowledge application. For solving these problems， based on the consistency construction theory， taking the electrochemical engineering as the characteristic direction， “teaching knowledge， training ability and shaping value” as the training concept a progressive practical teaching system is put forward with the main line of Basic skills training - Engineering project training - Innovation and entrepreneurship training - Comprehensive practice training.

Key words： new engineering; chemical engineering and processing; practical teaching; teaching situation; constructivism