化学工程项目课程中的基于项目的学习：试点项目与项目周期方法

《Journal of Chemical Education》：Project-Based Learning in Chemical Engineering Projects Course: The Pilot Project and Project Cycle Approaches

西班牙马德里自治大学化学工程专业通过引入基于项目学习的（PBL）方法，设计试点项目与递进式项目周期，结合多渠道反馈和远程学习工具，显著提升学生成绩（平均6.3-6.6）与满意度（4.3-4.5），验证了PBL在工程教育中的有效性。

　　### 项目式学习在化学工程课程中的应用与效果分析

化学工程是一门高度实践性和应用性的学科，其教育过程中需要学生掌握多方面的知识和技能，包括工艺设计、过程优化、能源管理、经济分析以及团队协作等。在高等教育体系中，项目式学习（Project-Based Learning, PBL）作为一种创新的教学方法，正逐渐成为培养化学工程专业学生应对复杂、多标准现实情境的重要工具。PBL强调学生在真实问题解决过程中主动学习，将理论知识与实际应用相结合，培养其在工程领域的综合能力。本文探讨了一种基于PBL的教学设计，通过引入“试点项目”和“项目周期”两个核心概念，旨在解决传统教学模式中存在的两个主要问题：一是概念与方法的整合不足，二是项目代表性不够，无法真实反映工业情境。该教学设计结合了五项项目，并通过自学习工具和多样化的反馈机制，提升学生的学习体验和课程成效。

#### 教学设计的背景与目标

化学工程项目课程是化学工程本科学习的最后一个阶段，通常为第四学年，课程时长为一个完整的学年，涵盖9个学分（ECTS）。在西班牙的马德里自治大学，该课程是化学工程专业的重要组成部分，其目标是帮助学生将之前所学的理论知识和技能应用到实际工程问题中。过去，该课程主要由2至3名教授授课，分为理论课程和实践课程两部分。理论课程包括工艺设计基础、经济计算、过程工程和过程模拟等，而实践课程则主要依赖于商业软件工具，如Aspen HYSYS、Aspen Economics和Aspen EDR等。此外，课程还包括一个最终项目，学生需合作完成，准备一份包含初步工程分析的报告。

然而，传统的教学模式存在一定的局限性。一方面，学生在完成最终项目时，往往难以将理论与实践知识有效整合，导致在项目完成后的考试中，成绩低于预期。另一方面，项目内容缺乏代表性，无法全面反映工业工程中的复杂情况，如能源整合、过程控制、环境影响评估以及可持续性标准等。因此，本文提出了一种新的教学设计，通过增加项目数量、构建项目周期，并结合自学习工具和多渠道反馈机制，来提升学生的综合能力。

#### 项目式学习的核心概念

项目式学习的核心在于将学生置于一个真实的问题解决情境中，使其在完成项目的过程中掌握多种技能。为此，课程设计中引入了“试点项目”和“项目周期”两个概念。试点项目旨在让学生在初期阶段熟悉经济和模拟工具，通过一个相对简单的案例（如LTD工艺）进行初步的工程分析和经济计算。而项目周期则是一个更全面的项目结构，涵盖从简单到复杂的多个阶段，帮助学生逐步掌握过程工程的技能。

试点项目和项目周期的结合，使学生能够在项目学习过程中逐步提升技能。通过这种方式，学生不仅能够学习到基础的工程知识，如质量与能量平衡、设备设计、流程图和经济评估等，还能接触到更高级的概念，如能源整合、过程控制、环境分析和可持续性评估。此外，课程还引入了项目管理的初步概念，帮助学生在未来面对实际工业问题时，能够更好地进行时间安排、成本管理、质量控制和安全管理。

在课程结构上，五个项目被分为五个阶段，从简单的LTD工艺开始，逐步过渡到更复杂的Tatoray工艺、苯乙烷合成工艺、苯乙烯生产工艺，最终完成一个完整的项目（如甲醇工艺）。每个项目都与不同的课程内容相关联，如热力学、传热学、过程控制和模拟工具的使用等，从而帮助学生将不同领域的知识联系起来，并应用到实际问题解决中。

#### 自学习工具与反馈机制

为了提升学生的学习体验，课程设计中还引入了多种自学习工具和反馈机制。自学习工具包括SPOC（小规模私人在线课程），通过在线论坛、电子邮件和Microsoft Teams等平台，为学生提供额外的学习资源和指导。这些工具不仅帮助学生在项目学习过程中获得支持，还能促进其自主学习能力的提升。

反馈机制是项目式学习中的关键部分，其目的是确保学生在学习过程中不断得到指导和修正。在课程中，反馈被分为可评分和不可评分两类。可评分反馈主要体现在项目评估和考试中，而不可评分反馈则通过每月或每周的跟进会议、在线论坛和电子邮件等形式进行。这些反馈机制不仅帮助学生及时了解自己的学习进展，还能促进其对知识的深入理解和应用。

此外，反馈机制的设计还考虑到学生的不同学习风格和表达方式。通过多样化的反馈渠道，教授能够更全面地了解学生的学习情况，并根据其需求提供相应的支持。这种反馈机制的实施，使得学生能够在学习过程中不断调整自己的学习策略，从而提高学习效率和课程成绩。

#### 教学实施的细节与效果

在课程实施过程中，五个项目被分配到不同的学期，并结合理论课程和实践课程进行教学。第一学期主要围绕基础的工程知识和经济计算，第二学期则涉及更复杂的工艺设计和过程控制。每个项目都有明确的目标和任务，学生需在教授的指导下完成，并通过模拟工具进行分析和优化。

在课程实施的初期，教授们对每个项目的基本内容进行了讲解，帮助学生理解项目任务和目标。随后，学生被鼓励在同步模式下进行大部分工作，教授则在关键环节提供支持。这种教学模式的实施，使得学生能够在项目学习过程中逐步掌握所需的技能，并在后续的项目中应用这些技能。

课程实施的效果通过多个指标进行评估，包括学术成绩、学生满意度和教学反馈。在过去的三年中，学生的平均成绩从6.3到6.6，B/C成绩的比例接近1，表明学生的学习成效显著提升。此外，学生对课程结构、反馈机制和自学习工具的满意度也较高，分别在4.3–4.5、4.7–4.9和3.8–4.5的范围内。这些数据表明，课程设计在提升学生学习体验和教学效果方面具有显著成效。

#### 学生满意度与教学反馈

学生满意度是衡量课程效果的重要指标之一。通过课程调查和马德里自治大学的机构调查，学生对课程的各个方面的满意度较高。其中，反馈机制被认为是最有价值的工具，其次是课程结构、自学习工具和远程学习的特性。这些调查结果表明，学生对课程的整体结构和教学方法表示认可，并愿意投入更多时间和精力进行学习。

此外，学生对课程的实践性和工具使用的满意度也较高。他们认为课程提供的工具和资源能够帮助其更好地完成项目任务，并在实际应用中获得更多的学习机会。然而，一些学生也指出课程的难度较高，可能会影响学习过程。因此，课程设计需要在提升学生技能的同时，合理调整课程难度，以确保所有学生都能获得良好的学习体验。

#### 课程的演变与局限性

随着课程的实施，学生的学习能力得到了显著提升。通过多个项目的学习，学生不仅掌握了基础的工程知识，还能够处理更复杂的工程问题。此外，课程设计还引入了可持续性评估和环境分析等多方面的内容，使得学生在项目学习过程中能够综合考虑各种因素，提高其工程设计的全面性和实用性。

然而，课程的实施也存在一定的局限性。首先，课程并未改变更多，仅在PBL实施方面有所调整。此外，其他相关课程在第三和第四学年也有所更新和改进，但这些变化是否对本课程的成绩和学生满意度产生影响，尚需进一步研究。其次，课程的反馈机制需要更多教授的参与，以确保其有效性。虽然已有两名来自企业的教授加入，但他们的参与仍有限，可能影响反馈的质量和深度。

最后，课程的初始测试并未完全反映学生的实际技能，而是更多地关注于理论知识的掌握。因此，课程设计需要进一步优化，以确保学生在项目学习过程中能够全面展示其技能和能力。通过这些改进，课程的实施将更加完善，学生的学习体验和教学效果也将进一步提升。

#### 结论

综上所述，本文提出了一种基于PBL的教学设计，通过引入“试点项目”和“项目周期”两个核心概念，解决了传统教学模式中存在的问题。课程设计不仅提升了学生的学术成绩，还增强了其学习体验和满意度。通过多种自学习工具和反馈机制，学生能够在项目学习过程中获得更多的支持和指导，从而提高其综合能力。此外，课程的实施还促进了学生对多学科知识的整合和应用，使其在面对实际工程问题时更加自信和熟练。

未来，课程设计可以进一步优化，以确保学生在项目学习过程中能够全面展示其技能和能力。通过持续的改进和调整，课程的实施将更加完善，学生的学习体验和教学效果也将进一步提升。此外，课程还可以扩展到更多学科领域，以适应不断变化的工业需求和教育趋势。通过这些改进，课程将成为培养化学工程专业学生的重要工具，为其未来的职业发展奠定坚实的基础。