新工科背景下化工类课程教学设计经验与启示——以麻省理工学院工

新工科背景下化工类课程教学设计经验与启示——以麻省理工学院工程学院为例（西安交通大学化学工程与技术学院，陕西西安710049）科学技术和产业经济的快速发展既为化工类专业提供了前所未有的机遇，也为专业建设和人才培养带来了新的挑战为主动应对新一轮科技革命和产业变革，自2016年新工科概念提出以来，教育部组织召开了一系列新工科建设研讨会，并联合工业和信息化部以及中国工程院发布了《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划

2.0的意见》，从此拉开了我国新阶段高等工程教育改革的序幕[1-2]o相比于传统工科，新工科更强调工程、科学与人文的交叉融合，致力于培养实用型、复合型和创新型人才，要求学生具备创新思维能力、团队协作能力、工程实践能力和宽广的国际视野目前，化工类人才培养普遍存在课程设计同质化、教学形式单调、教学目标单

一、考核内容教材化、理论与实践脱节、专业吸引力不足以及国际竞争力不强等问题[3-4]因此，如何在新工科背景下进行课程教学改革和质量提升是我国高等教育亟待解决的问题美国麻省理工学院（以下简称MIT）是世界顶尖的技术和工程院校，其在工程教育领域的研究质量和创新水平颇具特色，在世界范围内具有较高的知名度MIT工程学院在化工类专业的培养目标、课程体系、学科建设、教学方式和考核标准等方面进行了长期创造性的探索和实践，积累了大量丰富而且宝贵的经验研究其课程设计方案对于我国高等院校新工科课程体系建设和教学模式改革具有重要意义作为化工方向的重要教学知识体系，“化学与生物反应工程”是国内外各高校化工类专业的核心课程之一本文通过系统分析MIT“化学与生物反应工程”课程的教学设计模式特点和经验，深入讨论了其对我国新工科背景下化工类课程建设的启示MIT“化学与生物反应工程”课程内容强调了以下知识点将反应速率、化学计量和平衡的概念应用于化学和生物反应系统的分析；从反应机制和平衡或稳态假设推导速率表达式；通过综合化学动力学合成、传输现象以及质量和能量平衡来设计化学和生化反应器此课程的主题内容有化学/生化途径；酶学、途径和细胞生长动力学；用于微生物和哺乳动物细胞的化学反应和培养的间歇式、塞流式和充分搅拌式反应器；非均相和酶催化；反应器中的热量和质量传递课程的授课形式囊括了理论课Lecture、讨论课Recitation和实践课Web LabExperiment等理论课由授课教师讲述课程内容相关的理论知识，共25课时，每课时1个小时讨论课让学生在支持性环境中尝试去主动解决难题，共12课时，每课时1个小时讨论课不仅回顾课外作业解决方案、回答有关讲义材料的问题以及讨论解决问题的方法和考试方案，而且要求学生在讨论课之前阅读并思考课外作业的问题，同时学生须准备好被要求在黑板上解答问题实践课是剑桥大学与MIT合作资助的基于网络的实验教学项目课程的作业布置包含两种形式每周课外习题集和每周课外阅读每周课外习题集给学生一周左右的时间完成，评分后返回给学生学生可以共同讨论习题集作业，得到问题的解决方案和策略，但更鼓励学生独立思考解决问题的方法每周课外阅读作业须学生完成《化学反应工程基础》和《生物动力学》辅助参考书中一定章节的内容课程考核评分包括课外作业、测验、期中考试

1、期中考试

2、期末考试等5个部分，分别占总成绩的20%、10%、15%、20%和35%课外作业成绩根据每周课外习题集完成情况进行评定；测验成绩由每周课外阅读以及讨论课的表现进行评分；期中考试和期末考试分别历时1个小时和3个小时，成绩根据卷面考试分数给定课程作为人才培养的重要载体，直接反映了一个学校的人才培养模式，甚至严重影响整个高等工程教育的人才培养质量“化学与生物反应工程”课程是国内外化工类专业的关键核心课程，通过对比MIT工程学院，可以发现国内在课程内容构成方面的明显差异与国内的课程内容“教材化”相比，MIT在讲授化学与生物反应工程相关的基本概念和方法原理的基础上，更注重考查学生对所学课程理论知识的理解和融会贯通尽管国内外都注重此课程经典理论的深入学习，但MIT在课程内容方面强调学生的主动参与和实践能力，使学生在对基础性知识正确理解的前提下，通过实践环节熟练运用专业知识另外，MIT早在1916年就建立了科赫化工实践基地［5］同时，MIT校园周围有数十个工程研究和实践中心，不仅为化工类专业的教、学、研提供了充分的保障，也为课程内容开发和教学实践活动做出了充分的支持授课形式是对课程内容进行呈现的教学方式，人才的培养在一定程度上依赖于授课的形式和方法国内化工类课程侧重于规范化的理论课学习，而MIT更加突出“学习一思考一实践一总结”为一体的综合化授课形式前者是单一灌输式教学模式，学生是被动式参与课堂学习；而后者是一种全面发展的教学模式，充分发挥了学生主动探索和综合训练的功能MIT“化学与生物反应工程”课程的教师讲授时间仅占总课时的三分之二左右，相当多的时间是让学生主动参与课程内容研讨，并尝试去发现问题、分析问题和解决问题大量的讨论课程在提高学生自主性的同时,也提升了其最基本的独立思考判断和团队协作能力另外，MIT在授课方式中也创造性地引入了网络实验室实验课，通过与剑桥大学的远程合作，不仅实现了优势教学实践资源的互补，而且极大地促进了学生的国际交流能力和视野拓展因此，理论课、讨论课和实践课等不同授课形式的综合化是加强学生对课程理论知识理解与掌握的有效途径，是培养学生工程专业技能和职业认知的关键作业布置作为课堂教学的延伸，可以有助于培养学生综合技能和解决实际问题的能力对于课程作业布置，国内主要以课程内容的复习或者网络信息的查阅为主,在一定程度上缺乏体系化的教学并限制了学生的求知欲相比较而言，MIT“化学与生物反应工程”课程通过每周发散性课外习题和每周辅助参考书课外阅读，使学生全面、系统地熟练掌握课程内容从教学方法来看，体系化的作业布置可以引导学生主动参与到教学活动中，真正使学生从学会到会学，进而可以较快地融入科学发展和工程实践的前沿MIT课程的课外习题类型发散且与实践联系紧密，如“美国某地一化工厂发生严重爆炸事故，推测可能是硝酸镂快速分解产生一氧化二氮所致，在给定条件下分析安全操作的反应温度、绘制反应器内温度随时间的变化曲线、提出反应器安全启动与关闭的流程等”，促使学生基于基础理论知识去解决实际问题另外，课外阅读的指定教材内容十分丰富，涉及面非常广泛，如指定的辅助阅读书籍之一《化学反应工程基础》就有1000多页，能充分满足学生对课程的认识和求知欲考核评价是教学活动中十分重要的环节，不仅可以完善课程计划和课程目标，也可以判断学生学习和教学质量，它在本质上影响着人才培养的方向和目标国内化工类专业课程的考核通常采用传统的闭卷期末考试作为唯一方式这种方式往往考查的是知识储备能力，而非知识的综合运用能力，因此具有非常大的局限性MIT课程的考核方式包括每周的课外作业成绩、每周的课外阅读以及讨论课表现成绩、两次期中考试成绩和一次期末考试成绩，期末考试的成绩仅占总成绩的35册可以看出，MIT在课程考核评价过程中方式更灵活，更注重学生的平时表现，这在一定程度上也调动了学生全程参与教学活动的积极性另外，在考核题型方面，国内的课程考核往往围绕教材内容以选择题、填空题、判断题、问答题等客观题型为主；而MIT的课程考核更多采用综合应用题、理论分析题和开放讨论题等主观题型,并不局限于固定的基本知识点，充分锻炼了学生的创新思维能力和解决问题能力深化课程内容改革是新工科背景下化工类人才培养的关键，只有不断推进课程内容改革，才能使课程教育更好地为培养新工科人才服务为此，我国高等工程教育可以从以下四个方面强化课程体系建设

（1）课程内容要聚焦前沿性、实践性和国家需求，新工科人才的培养目标应以世界科技的前沿和经济社会的需求为导向,与国家的发展战略相适应

（2）课程设置要打破学科的界限，鼓励学科交叉，特别是工程类课程与经济、管理、金融、电子、通信等热点类课程的交叉，加强工程类专业教育与通识教育的融合，构建多学科交叉的新工科人才培养课程体系

（3）课程内容要突出全球视野和国际竞争力，引导学生主动参与跨文化课程的学习交流,促进学生形成正确的世界观并提高国际交往能力

（4）强化课程思政建设，树立课程建设新理念，构建课程教学全过程、全方位的育人格局课堂教学是培养人才的主渠道和主阵地，以一种标准化和规模化的形式满足了现代社会的人才需求，但是这种传统教学模式往往忽视了学生的个性化和知识的实践性MIT工程学院多年来积累的丰富经验为新工科背景下课程教学改革提供了一定的思路

（1）创新教学方式方法，加强课堂授课模式改革，深入推进个性化、实践性教学，突出教学目标要坚持知识、素质、能力的协调发展

（2）课程教学充分借助课上、课下、线上、线下相结合的立体化教学模式，全面调动学生的学习积极性，在提升教学体验的同时力争实现理论与实践技能的统一

（3）利用国家“一带一路”倡议等搭建的对外交流平台，积极推进高等工程教育国际化，引进和整合国际优质工程教育资源，加强工程教育国际交流与合作，拓宽学生的国际视野,提高我国高等工程教育的国际影响力和竞争力课外作业设计是课堂教学活动的延续和补充，是高等工程教育过程中必不可少的重要组成部分，是理解、运用和巩固所学课堂理论知识的重要手段，对于提高工程教学质量有着至关重要的作用为实现新工科人才的深化培养，我国高等工程教育仍需要不断地改革创新

（1）创新课外作业设计体系，积极引入讨论式、启发式、项目式、案例式、参与式作业形式，突出课外作业的层次性和系统性，提高课程的整体教学质量

（2）以问题为中心设置课外作业，引导学生自由探索、独立思考，注重激发学生的自主学习能力、创新意识和求知欲

（3）丰富社会实践、课外阅读、科技讲座等第二课堂活动与作业安排，以提升新工科背景下的育人水平,并实现学生多元、全面和个性发展的目的建立完善课程考核评价体系是提升人才培养质量与效率的重要保障，灵活多元化的评价机制也有助于客观、全面地反映学生的综合发展水平借鉴MIT工程学院的经验，我国在新工科背景下的考核评价体系可以从以下四个方面进行完善

（1）改变终结性评价体系，树立过程性评价体系，通过突出过程导向，实现对学生培养的多次和多环节阶段性评价，进而充分调动学生学习的积极性

（2）将传统单一评价主体向多元化评价主体转变，使评价成为教师、学生、家长、管理者等共同参与的交互教学活动，通过自评和互评促进课程改革和学生全面发展

（3）丰富考核评价模式，在绝对性评价模式的基础上引入相对性评价模式，如实践作业、课堂表现、交流合作以及信息化在线活动参与等，通过多个角度使得评价更有利于学生综合能力的提高

（4）科学设计考核内容，引导工程教育和经济社会发展相适应,将人才培养的考核评价方式与国际科技前沿相联系，以更好地培养实用型人才，使其服务于国家新时代的发展新工科建设是我国高等工程教育应对新一轮科技革命和产业变革挑战、加快工程教育改革、培养新兴领域工程科技人才、建设工程教育强国、提升国家硬实力和国际竞争力的重大战略行动在新工科建设背景下，化工类专业作为传统工科专业面临着诸多机遇和挑战，需要不断推进课程体系建设和教学模式改革，以满足国家和社会发展的需求另外，我国高等工程教育也应以新工科建设为契机，探索以爱国情怀、职业素养和工程实践能力为核心的思想政治理论课堂教学方法改革，深化“一带一路”国际教育交流与合作，建设具有中国特色的化工类专业人才培养新途径。