環(huán)境工程原理課程教學(xué)實(shí)踐與優(yōu)化

左行濤 李振華

摘要：本文旨在通過環(huán)境工程原理課程的教學(xué)實(shí)踐和課程認(rèn)識實(shí)習(xí)基地的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境工程原理教學(xué)改革目標(biāo)，具體從理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)提出了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等改革與優(yōu)化措施。這些措施強(qiáng)化了學(xué)生工程思維方式和工程實(shí)踐，培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力，提升了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：環(huán)境工程原理；教學(xué)改革；實(shí)踐

中圖分類號：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1002-4107（2012）03-0015-02

環(huán)境工程原理是環(huán)境學(xué)科的重要基礎(chǔ)課程，深入系統(tǒng)地闡述環(huán)境污染處理與控制過程中處理問題的思路、基本原理、工程設(shè)計(jì)方法等，為后續(xù)水（大氣）污染控制工程等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)[1]。由于環(huán)境工程原理的教學(xué)在國內(nèi)一直處于摸索階段，各教學(xué)單位的教材及教學(xué)內(nèi)容都不盡相同。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境工程、環(huán)境科學(xué)專業(yè)所學(xué)環(huán)境工程原理選用教材是高等教育規(guī)劃教材《化工原理》第四版（王志魁，劉麗英，劉偉編）。隨著化學(xué)工業(yè)和環(huán)境學(xué)科的發(fā)展，化學(xué)工程理論與其他學(xué)科的相互滲透，傳統(tǒng)化工原理教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法已不能反映和適應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要[2]。在化工原理教學(xué)實(shí)踐中，筆者在教學(xué)方法總結(jié)、研討的基礎(chǔ)上，積極探索新的教學(xué)模式，嘗試教學(xué)體系的改革和優(yōu)化，提出了進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量的具體措施。

一、環(huán)境工程原理教學(xué)改革目標(biāo)

環(huán)境工程原理課程教學(xué)的基本目標(biāo)是通過學(xué)習(xí)課程的基本概念、基本原理、基本計(jì)算，了解典型設(shè)備的構(gòu)造、性能和操作，尋找最佳的工藝條件，探索強(qiáng)化生產(chǎn)過程及設(shè)備的方法與途徑，使學(xué)生具備一定的化工基礎(chǔ)知識和解決生產(chǎn)中較簡單問題的能力。環(huán)境工程原理既不同于其他基礎(chǔ)學(xué)科，又區(qū)別于具體化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝。因此，環(huán)境工原理課程教學(xué)改革應(yīng)體現(xiàn)以下兩個(gè)目標(biāo)[3]：一方面強(qiáng)化動量傳遞、熱量傳遞及質(zhì)量傳遞基礎(chǔ)理論知識；另一方面突顯工程思維方法在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用。

二、環(huán)境工程原理教學(xué)實(shí)踐與優(yōu)化措施

（一）環(huán)境工程原理課程體系改革

課程體系整體優(yōu)化主要是課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體優(yōu)化和課程內(nèi)容整體優(yōu)化。優(yōu)化環(huán)境工程原理課程體系是提高環(huán)境科學(xué)和工程專業(yè)本科生培養(yǎng)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。環(huán)境工程原理的原課程體系分為環(huán)境工程原理、環(huán)境工程原理實(shí)驗(yàn)及環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)。針對目前高校教學(xué)改革的特點(diǎn)以及提高教學(xué)效率的要求，必須對課程體系進(jìn)行合理的調(diào)整，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行完善。

環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)應(yīng)該以環(huán)境問題中共性的基礎(chǔ)理論和典型工程設(shè)計(jì)進(jìn)行教學(xué)，以此培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際環(huán)境工程問題的能力。此外，在課程教學(xué)期間，應(yīng)該增設(shè)環(huán)境工程原理認(rèn)識實(shí)習(xí)2—3周。通過生產(chǎn)工藝及設(shè)備的參觀實(shí)習(xí)使學(xué)生了解化工生產(chǎn)實(shí)際。另外，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科依托華中農(nóng)業(yè)大學(xué)傳統(tǒng)的土壤與植物營養(yǎng)等領(lǐng)域具有多個(gè)重點(diǎn)學(xué)科形成的強(qiáng)大學(xué)科優(yōu)勢群。筆者通過土壤圈的物質(zhì)循環(huán)、相互作用及對環(huán)境的影響等單元過程分析，提出將特定的污染控制處理單元過程加入到課程教學(xué)如吸附、吸收等。

為了使課程與國際接軌，擬在環(huán)境工程原理課程中采用外語原版教材《Unit Operations of Chemical Engineering》進(jìn)行授課，對環(huán)境工程原理雙語教學(xué)進(jìn)行全新的嘗試和探索。

（二）環(huán)境工程原理教學(xué)改革

1.理論講授教學(xué)優(yōu)化與改革。環(huán)境工程原理課程理論教學(xué)主要任務(wù)是講授流體流動、傳熱和傳質(zhì)的基本原理，主要單元操作設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作原理、過程計(jì)算、設(shè)備選型及實(shí)驗(yàn)研究方法。在化工原理教材中每個(gè)單元操作各自獨(dú)成一章，講課時(shí)也是按照章節(jié)順序依次介紹每一個(gè)單元操作。在課堂教學(xué)中，讓學(xué)生理解和應(yīng)用各單元操作中所發(fā)生過程的內(nèi)在規(guī)律，同時(shí)分析多個(gè)單元操作的關(guān)聯(lián)性，這樣可以避免學(xué)生孤立地看待每一個(gè)獨(dú)立的單元操作。

知識的傳授以授課教師為主，應(yīng)將課程理論部分的內(nèi)容分為基礎(chǔ)、重點(diǎn)、難點(diǎn)三個(gè)層次。在講解基礎(chǔ)內(nèi)容時(shí)，著重講解本單元操作所涉及的知識點(diǎn)，讓學(xué)生在理解的層面上掌握基礎(chǔ)理論。如過濾單元操作中流體如何流過濾餅床層所涉及的液體過程的傳質(zhì)方式、過濾介質(zhì)的性質(zhì)、過濾推動力和阻力等知識點(diǎn)，把這些知識點(diǎn)聯(lián)系起來對過濾設(shè)備進(jìn)行講解。對于重點(diǎn)內(nèi)容，需要深入淺出地詳細(xì)講解。如流體流動章中的伯努利方程，需要從能量轉(zhuǎn)換和能量守恒方面推導(dǎo)伯努利方程，再結(jié)合實(shí)際說明不同能量表示方式給設(shè)計(jì)計(jì)算帶來的方便[4]。理論部分的難點(diǎn)是將工程思維方法貫穿于單元操作過程與設(shè)備，與生產(chǎn)實(shí)際緊密聯(lián)系[5]。大多數(shù)工程問題需要依靠理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究法和數(shù)學(xué)模型法來解決。如通過建立單相內(nèi)對流傳質(zhì)的膜模型，將流體的對流傳質(zhì)折合成有效層流膜的分子擴(kuò)散，可以得到氣相對流傳質(zhì)速率方程。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)化與改革。學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)是其思維能力和實(shí)際操作能力等因素的綜合體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化工原理課程理論教學(xué)的重要補(bǔ)充。長期以來，化工原理實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，即學(xué)生對所學(xué)理論知識通過實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證、鞏固。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)首先由實(shí)驗(yàn)教師設(shè)計(jì)好，學(xué)生按部就班地開（關(guān)）閥門，記錄溫度、壓力和流量等。從事這樣的實(shí)驗(yàn)沒有能夠開發(fā)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)造能力，不利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新素質(zhì)和獨(dú)立工作能力的開拓性人才。因此，要對化工原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化與改革。

自學(xué)院開辦環(huán)境工程原理課程以來，一直非常重視實(shí)踐環(huán)節(jié)尤其是實(shí)驗(yàn)的改革、研討與建設(shè)工作。擬將化工原理實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)層次：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、提高型實(shí)驗(yàn)、研究型實(shí)驗(yàn)。第一層次是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，即教學(xué)大綱所要求的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括流體流動阻力系數(shù)的測定、強(qiáng)制對流傳熱系數(shù)的測定等必做基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。第二層次為提高型實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)充基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中未體現(xiàn)而在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的單元操作，提高綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例。包括流化床干燥、恒壓過濾常數(shù)測定及超濾膜實(shí)驗(yàn)等選做實(shí)驗(yàn)。第三層次是研究型實(shí)驗(yàn)，包括吸附—生物降解實(shí)驗(yàn)、渾濁液三級過濾實(shí)驗(yàn)和固定床催化實(shí)驗(yàn)等。

3.認(rèn)識實(shí)習(xí)教學(xué)實(shí)踐與優(yōu)化?；ぴ碚n程認(rèn)識實(shí)習(xí)是資源與環(huán)境學(xué)院環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中一個(gè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。從2001年以來，中鹽湖南株洲化工集團(tuán)一直是我?；ぴ碚n程的認(rèn)識實(shí)習(xí)基地，實(shí)習(xí)車間為合成氨、硫酸及精餾等。通過實(shí)習(xí)，學(xué)生了解常見設(shè)備如泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等，熟悉填料塔、換熱器等單元操作的結(jié)構(gòu)及工作原理，對合成氨、硫酸等生產(chǎn)原理、工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備及主要技術(shù)指標(biāo)有一定的認(rèn)識。通過生產(chǎn)工藝及設(shè)備的參觀實(shí)習(xí)，學(xué)生從課堂過渡到化工生產(chǎn)實(shí)際，增加了對化工設(shè)備及生產(chǎn)工藝過程的感性認(rèn)識，從而加強(qiáng)了工程觀點(diǎn)，為學(xué)習(xí)“水污染控制工程”、“排水管道工程設(shè)計(jì)”等課程和畢業(yè)工程設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)已建成的環(huán)境工程教學(xué)實(shí)習(xí)基地，將于近期進(jìn)入調(diào)試階段并投產(chǎn)使用。該基地會給學(xué)習(xí)環(huán)境工程原理的學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)全新的實(shí)踐學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)場所。另外，筆者擬編寫一本《中鹽湖南株洲化工集團(tuán)認(rèn)識實(shí)習(xí)參考書》，該書對實(shí)習(xí)中的工藝過程、原理、設(shè)備等作簡單介紹并附思考題，學(xué)生在認(rèn)識實(shí)習(xí)過程中可以帶著問題觀察和學(xué)習(xí)。

4.課程設(shè)計(jì)教學(xué)方法改革。化工原理課程設(shè)計(jì)安排在化工原理課程結(jié)束后進(jìn)行。在課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容方面，傳統(tǒng)教學(xué)由教師布置具體設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求，設(shè)計(jì)選題往往是比較陳舊的題目，結(jié)合實(shí)際工程不多[6]。在教學(xué)環(huán)節(jié)中，改變了以往教師布置課題任務(wù)，提供樣本，學(xué)生按照固定格式照本設(shè)計(jì)的模式，讓學(xué)生自主選題，將學(xué)生組成設(shè)計(jì)小組，分別承擔(dān)設(shè)計(jì)任務(wù)，使學(xué)生在選擇設(shè)計(jì)方案、查找數(shù)據(jù)、選用公式及設(shè)計(jì)方法等方面得到綜合訓(xùn)練。

環(huán)境工程原理是一門理論與實(shí)際結(jié)合的專業(yè)基礎(chǔ)課，由于學(xué)生缺乏工程思維，教學(xué)過程存在一定困難。通過教學(xué)實(shí)踐與優(yōu)化，可以從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)，提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。（1）優(yōu)化環(huán)境工程原理課程體系。環(huán)境工程原理教材要聯(lián)系環(huán)境工程實(shí)際，結(jié)合學(xué)院優(yōu)勢學(xué)科編寫，使學(xué)生了解每個(gè)單元操作在環(huán)境工程中的應(yīng)用。（2）改革理論講授、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和認(rèn)識實(shí)習(xí)教學(xué)。抓住理論課的“三層次”進(jìn)行教學(xué)，將工程思維運(yùn)用于課堂理論教學(xué)中。落實(shí)三個(gè)層次的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力，有效地改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)效果。加強(qiáng)實(shí)習(xí)基地和實(shí)習(xí)參考書的建設(shè)，完善實(shí)習(xí)內(nèi)容，制定認(rèn)識學(xué)習(xí)考查體制。（3）課程設(shè)計(jì)著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工作能力。從生產(chǎn)、科研中選擇設(shè)計(jì)題目時(shí)，既要考慮典型性問題，也要考慮適合教學(xué)的特點(diǎn)。這樣才能更好地調(diào)動學(xué)生的積極性，有利于學(xué)生實(shí)際能力的培養(yǎng)。

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