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］。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（WebLabExperiment）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—思考—实践—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