基于科教融合和真实工程体验的实践教学改革创新与实践

基于科教融合和真实工程体验的实践教学改革创新与实践摘要高等工程教育是卓越工程师培养的关键“赛道”。新时代，在创新链、产业链、资金链、人才链“四链融合”的推动下，以行业需要为导向，行业高校要充分发挥学科优势，将科研成果赋能本科教学，为行业的高质量发展培养人才储备。作为一所行业特色鲜明的高校，北京化工大学以科教融合和真实工程体验为抓手，创新性提出“将真实工程体验和创新思维融入人才培养全过程”的工程教育理念，把优质科研资源转化为实践育人资源和优势，把科研成果转化为教学内容、实验设备和实践创新平台，着力培养学生学科交叉能力、解决复杂工程问题能力和创新能力，建立大工程观。关键词科教融合；真实工程体验；学科交叉；大工程观强调，要把培养大批卓越工程师作为建设国家战略人才力量的重要任务。高等工程教育是卓越工程师培养的关键“赛道”。改革开放以来特别是党的十八大以来，我国高等工程教育在“卓越工程师教育培养计划”“高等工程教育国际实质等效”“新工科建设”等重大改革举措的推动下，产出了“载人航天”“探月工程”等国之重器和“超超临界燃煤发电”“移动通信”等战略高技术研究成果，对我国经济跨越式发展起到了重要作用。工程师是重要的人力资本。2022年，党的二十大报告将“建成教育强国、科技强国、人才强国”纳入2035年我国发展的总体目标，这是党和国家对新时代教育事业发展提出的行动指南和目标方向，在中国式现代化建设新征程上，在创新链、产业链、资金链、人才链“四链融合”的推动下，高等工程教育必须乘胜追击，回答好“强国建设、教育何为”的时代课题。我国作为世界工程教育第一大国，超9成本科高校开设有工科专业，工科招生数、在校生数、毕业生数居世界首位。然而，如此大体量的工科生规模，却因为日益突出的“工科理科化”现象导致“企业招不到人”。根据相关研究报告，当前我国工程师规模可观，但科学家与工程师总量占劳动力比重偏低，高层次人才供给不足，难以匹配制造强国需求，据统计，未来15年，工程师供需缺口将扩大到32%。面对新一轮科技革命和产业变革，作为托举制造强国的重要人才力量，卓越工程师的培养是高等工程教育内涵建设的重中之重，需要在交叉整合、应用导向、供需对接等方面狠下功夫，才能解决关键领域“卡脖子”技术难题。北京化工大学作为一所典型行业高校，一直致力于化工高等教育的改革创新和内涵式发展。学校始终坚持立德树人、培养能够解决复杂工程问题的卓越工程人才主基调，针对行业技术创新特别是高端前沿技术创新对高端卓越工程人才的迫切需求，经过长期摸索与实践，于2012年创新性地提出了“将真实工程体验和创新思维融入人才培养全过程”的工程教育理念，深入剖析新形势下化工类专业高端工程人才的成长规律，在科研成果反哺教学上下功夫，在实践平台建设上做文章，在实践教学改革上求突破，把优质科研资源转化为实践育人资源和优势，把科研成果转化为教学内容、实验设备和实践创新平台，着力培养学生学科交叉能力、解决复杂工程问题能力和创新能力，建立大工程观。一、构建真实、系统、完整的实践育人体系根据2018年有关统计显示，我国化工工程师数量约占全国工程师存量的5%，行业主营业务收入占全国工业主营业务收入的12.1%。也就是说5%的化工工程师群体支撑了12.1%的全国产业收入，充分体现了化工行业的技术密集特征，也暴露了行业的人才缺口。因此，行业类高校肩负着为行业创新发展和转型升级输出更多人才储备的使命。学校以服务行业需求为导向，以学生为中心，构建“思政与人文+基础+特色+拓展+实践”的重基础、厚人文、强实践、跨学科、国际化的纵向贯通、横向融合的知识结构和课程体系，通过组建学科交叉班、真实工厂搬入校园等形式，将真实工程体验和创新思维通过课程与各类教学活动渗透到工程人才培养全过程各方面；以典型案例、真实项目为蓝本，将跨学科、思政元素等融入课程，以项目式教学激发学生的创新内驱力和科学素养；以科教融合、产学协同为契机，搭建从基础到单元、从实物到仿真、从生产到经营、从理论到实战的校—院两级学科交叉创新实践共享平台，满足实验教学、开放性实验、科创竞赛、校企合作等需求，以产学研协同营造真实、系统、完整的实践育人环境。学校的化工产品全生命周期国家级虚拟仿真实验教学中心，以化工产品的创意、设计、生产、运营的全生命周期为主线，联合西门子（中国）有限公司、北京德普罗尔科技有限公司、北京东方仿真软件技术有限公司，通过产教融合、科教融汇、赛教结合，自主研发软件与单元设备，将流程行业的典型工艺、典型设备搬入校园，搭建“模拟+全真”的实习实训环境。该中心以头脑风暴、设计开发、“九实一虚”仿真工厂、管理运营等全流程设计，带领学生建立全周期的学习与实践理念，感受产品从设计到生产到营销到退出市场的一体化过程。打破实验教学的时空界限，将基础理论、工程实践和素质教育紧密结合，优化教学内容和评价方式，深度挖掘实验教学中的“隐性”思政元素，把化工流程行业的HSSE体系、工程伦理、职业道德、企业管理等内容穿插于实习实训活动中，全方位提升实践育人效果。中心以“线上+线下”相结合的实训模式，承担学校20余个专业的实习实训课程，作为北京服装学院校外实践基地每年接待相关专业学生来校实习，所有教学活动年均10余万人时数，上万名学生受益。依托该中心的“丙烯酸甲酯全流程生产仿真实习”项目获评国家级虚拟仿真实验教学一流课程。二、项目式教学，激发创新内驱力知行合一、重视实践在工程人才培养中至关重要，只有将“教与学”置于真实的情境中，师生才能产生共鸣。实施项目式教学，将工程教育改革落实到课程层面、渗透进知识点，才算是真正进入了“深水区”。突破传统“填鸭式”课堂教学模式，基于科研项目、真实工程案例，深入开展项目式教学，突出学生主体地位，通过引导、启发、质疑将知识点和项目案例深度融合，在学中思、在思中辨、在辨中悟，在此过程中更好激发学生内生动力和原始创新能力，建立科学家精神。围绕大学本科四年学生科学思维、能力发展的规律，构建贯通四年、逐级递进的项目式课程体系。基于真实科研项目和研究课题，以研讨课、专业课、综合性实践、双创等课程形式，将研究案例、科技强国以及团队精神等元素融入课程教学，帮助学生循序渐进地建立科学素养。“绿色化工助力美好生活”“神奇的高分子材料世界”等新生研讨课以科普、生活中的科学等“唤起好奇，发现科学之美”，“绿色生物材料与生物能源”“工业生物技术”等学科前沿交叉研讨课以国内外典型案例、重要科研成果等“追求创新，挖掘科学奥秘”，各个专业基于项目的专业课程体系以真实科研项目、启发式教学“激发潜能，形成内生动力”，高阶性综合性实践课与赛创等活动以解决复杂问题让学生真实感触“合作与挑战，建立科学价值观”。学校实施的“学科交叉人才培养计划”，知名院士、学者领衔开设21门学科交叉研讨课程，不同专业基础的学生在具有不同学科背景的科研团队老师的带领下通过前沿进展、项目式学习、小组汇报、科研实践等方式开放性、目标性、交叉创新性学习，既激发创新热情和探索精神，也建立了科学素养。三、科教融合，搭建学科交叉创新实践校内共享平台百年未有之大变局下重大科学技术突破越来越依赖不同学科间的交叉融合。2022年3月，国家工业和信息化部等六部门联合发布《关于“十四五”推动石化化工行业高质量发展的指导意见》，提出大力发展化工新材料和精细化学品。2024年政府工作报告中明确提出加快新材料等产业发展，积极打造生物制造等增长引擎。化工新材料是我国发展战略性新兴产业的重要物质基础，也是传统石化产业转型升级的重要方向。在“双碳”目标驱动下，攻破化工新材料、生物能源等产业“卡脖子”问题，需要打破单一学科的天花板，通过多学科交叉融合引领产业创新发展。杜威的“做中学”理论，就是强调从“活动中学”，从“经验中学”，是挑战性学习模式，也是激发学生潜能的重要手段。因此，学科交叉能力的培养，最重要的是将不同学科思维方式、研究方法融会贯通，让不同学科的知识在实践中发生“催化”反应，让多学科交叉成为一种“潜意识”。学校以“科教融合、交叉创新、虚实结合、强化实践、开放共享”为核心，采取统筹资源配置、各学院特色管理的方式，通过工工融合、工文交叉、艺工结合，将校内实验中心、实训基地转型升级，建成“学科交叉工程创新实践中心”和9个学科交叉创新实践分中心，搭建了教、研、学、赛深度融合的校—院两级学科交叉创新实践共享平台，涵盖学科交叉实验室、实物仿真工厂、实物生产线、人文艺术实验室、各级各类实验教学中心、创客空间等，支撑开展多种形式的创新实践、学科竞赛、工程训练、艺术熏陶、创业教育与孵化等教育教学和科研锻炼活动，成为学生开展科研训练、创新创业的“宝地”，营造了多学科交叉融合的创新文化氛围。依托3个国家级虚拟仿真实验中心，通过科研成果支撑实践教学，建成4条实物仿真生产线。自主研发的年产30万吨丙烯酸甲酯实物仿真生产线可进行典型工艺的“情景再现”和仿真模拟，装置区丙烯酸甲酯生产涉及的反应、精馏、分离、萃取等10个工段、管路分布、仪表阀门实际可操，中控区将设备参数、故障模拟等数字仿真，真正解决化工类专业实习实践“只能远观不能操作”的问题；生物与制药类啤酒发酵生产线将国家重点研发课题“嗜盐微生物的系统与定量生物学”和校企横向课题“酿酒酵母发酵生产特种酵母的工业化开发”带进课堂，通过啤酒的全流程生产和废酵母提取麦角固醇让学生真实参与生物产品的生产、过程参数影响、发酵废渣的高值化利用以及发酵废水处理，真正理解生物加工过程的“吃干榨净”；高分子“3D复印”智能模塑成型生产线将“艺工交叉”完美融入实践教学，通过扫描、制模、成型、创意彩绘等步骤，30秒生产一副护目镜，再结合爱党、爱国、爱校等情怀教育带动学生进行彩绘设计，为护目镜增添人文色彩，目前已成为本科实习项目，实现了从传统单一金属材料的“金工实习”到现代金属与高分子材料并重的“金工+高工”实习转型升级，让学生深切体会到从原理设计到产业应用全流程转化的意义和价值；双塔合成DPC精馏生产线则将校友企业陕西省石油化工研究设计院的真实工厂设备和工艺搬入校园，冷模搭建实景实习课堂，学生可以真实操作、真实观察反应的温度压力，教师可以自主设计综合型试验，实现“沉浸式”实习实践。四、产学研协同发力，真实解决复杂工程难题在2021年中央人才工作会议中，围绕卓越工程师培养，强调，要调动好高校和企业两个积极性，实现产学研深度融合。高校、企业、科研院所等创新主体，整合生产、教育、科研等优势资源，才能助力行业颠覆性技术突破。通过广泛发动企业、行业协会，共享市场信息和行业现状，明确供给需求，校企共同制定人才培养方案、开设课程、搭建校外实践平台、师资培训等，实现卓越工程师培养与企业的有效衔接。一是企业课堂进校园。企业导师参与课程教学，将企业文化、工程伦理、安全生产等带入课堂，邀请中石化、Honeywell等200位国内外知名企业导师开设“GoodEngineering”等40余门课程。机电工程学院高分子材料加工成型与先进制造英蓝实验室利用学科平台和优势，联合10余家企业，将实践课程搬上云端，校企共开“英蓝云展”线上实践教学活动，校企面对面直播，通过直播连线、现场探访、技术讲解、总裁专访、实时互动、交流答疑、云端招聘等多样化的环节，学生企业直接对话，全方位展示生产实景、技术装备、技术路线、企业文化等，累计访问量20万人次，开启数字化背景下校企融合助力实践教学改革的新路径。二是真实参与重大科技攻关。发挥高水平科研团队和科研平台的育人优势，以真实重大工程项目为牵引，学生真实进项目、进团队、进现场，深度参与多学科复杂问题构思、研讨、设计、试验等，让学生在完成项目过程中体验团队协作、真实的工程实践与挑战过程中的获得感，以实战激发创造力，树立攻坚克难的精神和科技自立自强的家国情怀。安全科学与工程专业方舟教授带领学生参加了多项“科技冬奥”相关项目，到国家速滑馆、冰立方，以关键材料耐久性研究、健康状态监测等先进的安全科学技术研究为重点，开展实地研究和技术攻关，为北京冬奥会安全保障贡献科技力量。三是打通校企协同创新链，开展“浸润式”工程实践。解决复杂工程问题能力的提升和大工程观的养成需要“真刀真枪”的生产实践。创新办学模式，内外结合、产教融合，与政府、国内外知名企业、行业协会、科研院所深度合作，相继建立5个地方研究院并合建学生联合培养基地，联合中石化、华为等知名企业合作开辟100余家校外实践基地、16个“卓越工程师”联合培养基地、6个外企实习俱乐部，实行分批次、小班化、跨国界实习实践，“浸润式”工程实践助力学生解决复杂工程问题能力的培养。重视教师工程实践能力提升，2012年后新入职的600余名教师全部完成企业工程锻炼，具有工程经验的教师比例超过50%，教师通过理论和实践教学帮助学生建立大工程观和工程素养，强化学生入职企业后“即战力”的培养。五、总结与思考新一轮全球科技革命驱动产业结构调整和技术创新，高水平人才储备是推动科技创新高质量发展的“基石”，高等教育作为科技创新和专业人才培养的重要主体，要想国家之所想、急国家之所急、应国家之所需。建校65年以来，北京化工大学一直在用重大科技攻关解决国家战略需求，学校坚持全面贯彻党的教育方针，以服务国家战略和行业需求为导向，一直致力于卓越工程师的培养，在大化工特色的实践教学改革中不断探索与实践。在“将真实工程体验和创新思维融入人才培养全过程”的工程教育理念指导下，以科教融合为主线，构建了真实、系统、完整的实践育人体系，通过项目式教学、搭建学科