化工原理及實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系的改革與探索

張莉梅 秦莉曉 譚蕓妃 董立春

[摘 要] 化工原理及實(shí)驗(yàn)是化工類及相近專業(yè)的主干課程。為了提高化工原理及實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，針對(duì)課程存在的問題，并結(jié)合重慶大學(xué)的教學(xué)實(shí)際，對(duì)現(xiàn)有化工原理課程及實(shí)驗(yàn)體系在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式上進(jìn)行全面改革，從而構(gòu)建以化工實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的化工原理課程體系。

[關(guān)鍵詞] 化工原理;課程體系;改革與探索

[基金項(xiàng)目] 2017年度重慶大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2017Y64）;重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（193012）;重慶市研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（yjg193011）

[作者簡(jiǎn)介] 張莉梅（1988—），女，四川人，碩士研究生，重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)員;秦莉曉（1985—），女，河南人，碩士研究生，重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)師（通信作者）;譚蕓妃（1990—），女，重慶人，碩士研究生，重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)師;董立春（1972—），男，河北人，博士研究生導(dǎo)師，重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副院長，教授（通信作者）。

[中圖分類號(hào)] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）29-0373-03 ? ?[收稿日期] 2019-10-16

化工原理及其實(shí)驗(yàn)是化工專業(yè)本科學(xué)生的主要專業(yè)基礎(chǔ)課?；ぴ碚n程是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，分析和解決化工類型生產(chǎn)中各種反應(yīng)過程（或單元操作）問題的工程學(xué)科[1，2]。該課程的主要任務(wù)是研究化工生產(chǎn)中各種單元過程的基本原理、典型的設(shè)備結(jié)構(gòu)、性能與操作原理;研究單元過程及其典型設(shè)備的計(jì)算方法;通過各種單元過程的操作因素分析，尋找適宜的操作條件，探索強(qiáng)化過程的方向及改進(jìn)設(shè)備的途徑。其知識(shí)的傳授主要在課堂理論教學(xué)中完成，而實(shí)踐工程能力的培養(yǎng)主要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中完成。化工原理實(shí)驗(yàn)是化工原理課程中理論與實(shí)踐相聯(lián)系、相結(jié)合的重要環(huán)節(jié)之一[3]，其基本任務(wù)是鞏固和加深對(duì)化工原理課程中基本理論知識(shí)的理解[4]，培養(yǎng)學(xué)生靈活地運(yùn)用基本理論，分析和解決各種單元過程中的工程技術(shù)問題的能力;熟練地進(jìn)行單元過程和設(shè)備的實(shí)際操作技能和獨(dú)立工作的能力。

一、化工原理理論及實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)面臨的主要問題

（一）教學(xué)形式單一，不能有效激發(fā)學(xué)生的“科學(xué)創(chuàng)新”精神

實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本上是形式單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只是機(jī)械的按照老師的指導(dǎo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新性思維，無法培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念和素質(zhì)，無法提高學(xué)生的探索問題、解決問題和進(jìn)行化工過程工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)的能力;化工原理理論教學(xué)以傳統(tǒng)的“保姆式”教學(xué)為主，不利于鍛煉學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，也不利于培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)創(chuàng)新”的精神，對(duì)具體單元設(shè)備操作、過程、設(shè)計(jì)選型等的感性認(rèn)識(shí)不足，工程實(shí)踐環(huán)節(jié)比較薄弱。

（二）理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)銜接不合理

理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)步調(diào)很難協(xié)調(diào)一致，有的知識(shí)點(diǎn)理論教學(xué)完成很長時(shí)間才進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這樣學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的深入理解就會(huì)減弱，無法達(dá)到強(qiáng)化理論知識(shí)的效果;有時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)理論知識(shí)還沒有學(xué)習(xí)，學(xué)生在沒有理解理論知識(shí)的前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，很難把握實(shí)驗(yàn)的真諦。

（三）知識(shí)點(diǎn)更新速度慢

理論課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已跟不上工程實(shí)際的發(fā)展，工程實(shí)踐中新的知識(shí)、先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備以及某些新興工程技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)無法在教學(xué)過程中得到體現(xiàn)。學(xué)生在校的知識(shí)儲(chǔ)備陳舊或不足，難以滿足科技迅猛發(fā)展對(duì)人才知識(shí)能力的需求，并且會(huì)降低他們對(duì)未來的工作和生存環(huán)境的適應(yīng)能力，不符合現(xiàn)代教育教學(xué)培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、素質(zhì)全面、實(shí)踐能力強(qiáng)并具有一定創(chuàng)新能力的應(yīng)用型、創(chuàng)新性人才的理念。

化工原理及其實(shí)驗(yàn)對(duì)化工類及相近專業(yè)學(xué)生的業(yè)務(wù)素質(zhì)、工程能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用[5]。做好化工原理理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的緊密結(jié)合，一直是從事化工原理及其實(shí)驗(yàn)教學(xué)者所關(guān)注并身體力行的事[6]。本文針對(duì)化工原理及其實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，結(jié)合我校教學(xué)實(shí)際，對(duì)現(xiàn)有化工原理課程體系在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式上進(jìn)行全面改革，構(gòu)建以化工實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的化工原理課程教學(xué)體系[7]，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新性思維，以適應(yīng)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”及“創(chuàng)新型工程人才”培養(yǎng)的要求。

二、教學(xué)改革措施

（一）改進(jìn)和延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，增加設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力

化工原理實(shí)驗(yàn)課程將減少驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，增加設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，樹立以學(xué)生為中心的教學(xué)觀念，激發(fā)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力?？偟乃悸肥蔷o密結(jié)合課堂理論教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基本理論自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以提高其分析、解決實(shí)際工程問題的能力，并且在此過程中注重學(xué)生創(chuàng)新思維的開拓和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

常規(guī)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)的完成，對(duì)于學(xué)生掌握課堂理論知識(shí)具有一定的強(qiáng)化作用，但對(duì)提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力尚不足。因此，為提高學(xué)生思考、分析和解決實(shí)際問題的能力，強(qiáng)化工程意識(shí)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由單純的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為具有一定設(shè)計(jì)性和綜合性的實(shí)驗(yàn)。如，恒壓過濾常數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只是測(cè)定出恒壓過濾常數(shù)，至于“溫度如何影響”“餅層厚度如何影響”[8]，學(xué)生都沒有深刻的印象，操作性和設(shè)計(jì)性不強(qiáng)，沒有完全滿足學(xué)生的好奇心和動(dòng)手能力?？勺寣W(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，考察物料溫度對(duì)過濾速率的影響，研究溫度對(duì)過濾常數(shù)的影響，對(duì)不同溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以比較分析，解釋原因，得出結(jié)論。

（二）理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，從課堂教學(xué)出發(fā)，融入實(shí)驗(yàn)案例，在實(shí)驗(yàn)中印證并鞏固理論，讓實(shí)踐賦予理論時(shí)代性

在理論教學(xué)中應(yīng)對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，尤其是對(duì)典型的錯(cuò)誤操作及可能引起的后果進(jìn)行講解，因?qū)嶋H的實(shí)驗(yàn)中無法演示誤操作的后果，可在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入仿真軟件，使學(xué)生觀察誤操作的后果，從而掌握正確的操作方法，加深印象，正面引導(dǎo)學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)。

化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的改進(jìn)，應(yīng)緊密結(jié)合課堂教學(xué)，通過實(shí)驗(yàn)扎實(shí)基本理論，強(qiáng)化學(xué)生工程意識(shí)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，應(yīng)創(chuàng)設(shè)一些“問題”，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)用基本理論去分析、解決問題。比如，離心泵實(shí)驗(yàn)是化工原理實(shí)驗(yàn)中較簡(jiǎn)單的一個(gè)，但很多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，泵啟動(dòng)后不出水，此時(shí)老師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)理論知識(shí)去分析，“不出水的原因是什么？”“離心泵的工作原理是什么？”從而最終確定離心泵在工作前要進(jìn)行“灌泵”！[8]學(xué)生通過對(duì)這一實(shí)驗(yàn)失誤的思考、分析，到最終解決問題，就一定會(huì)對(duì)離心泵的“氣縛”現(xiàn)象有更深的理解，強(qiáng)化學(xué)生工程意識(shí)和分析問題、解決問題的能力。

化工原理實(shí)驗(yàn)中有很多演示實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)一般是實(shí)驗(yàn)教師做，學(xué)生觀察現(xiàn)象，對(duì)于這類實(shí)驗(yàn)學(xué)生僅僅是浮于表面的、初淺的理解，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)意義不大。我們可以探究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，結(jié)合理論知識(shí)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)1～2個(gè)問題，讓學(xué)生在通過化工原理實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的同時(shí)，對(duì)化工原理課程的基本理論進(jìn)一步理解，樹立工程的觀點(diǎn)，應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)分析和正確解決工程實(shí)際問題。如在機(jī)械能轉(zhuǎn)化演示實(shí)驗(yàn)中，教師可以提出這樣一個(gè)問題：精餾塔塔頂連接一個(gè)敞口容器，溶劑由敞口容器流入精餾塔，要計(jì)算高位槽應(yīng)放置的高度。提出問題后，老師要引導(dǎo)學(xué)生分析問題，要求高位槽的放置高度，實(shí)際就是要解決液體進(jìn)入精餾塔的流速、精餾塔進(jìn)液口處的壓力，在高位槽液面和精餾塔進(jìn)液口之間列伯努利方程，求得高位槽與精餾塔進(jìn)液口的位差，即可計(jì)算出高位槽的放置高度。

（三）理論教學(xué)時(shí)適當(dāng)增加案例教學(xué)

“化工原理理論”課程教學(xué)是提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。課程教學(xué)不僅是傳承知識(shí)和拓寬基礎(chǔ)的途徑，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的必要手段。現(xiàn)代教學(xué)要求的是培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、素質(zhì)全面、實(shí)踐能力強(qiáng)并具有一定創(chuàng)新能力的應(yīng)用型、創(chuàng)新性復(fù)合技術(shù)人才。但目前本科生大都是“從學(xué)校到學(xué)?！钡膽?yīng)屆生，具備較扎實(shí)的理論知識(shí)，但缺乏生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此我們?cè)谶M(jìn)行化工原理理論教學(xué)時(shí)，盡量融入一些與生產(chǎn)實(shí)踐保持密切聯(lián)系的案例，不僅要呈現(xiàn)生產(chǎn)實(shí)踐中的現(xiàn)實(shí)問題或技術(shù)改革方案、措施等，以便讓學(xué)生能夠接觸更多的生產(chǎn)實(shí)踐知識(shí)，有針對(duì)性地培養(yǎng)其實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，更為關(guān)鍵的是教師在授課過程中須對(duì)這些事實(shí)性案例的理論基礎(chǔ)進(jìn)行剖析，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)的理論知識(shí)對(duì)這些事實(shí)性案例做出科學(xué)分析，通過合理的分析與設(shè)計(jì)，使一個(gè)個(gè)“死”的案例變得“活”起來，跟化工原理的理論知識(shí)點(diǎn)與企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系起來，促進(jìn)知識(shí)與技能的有機(jī)融合。如學(xué)習(xí)萃取時(shí)，可以融入“1，4丁二醇高粘焦油資源化利用技術(shù)開發(fā)”案例：1，4-丁二醇（BDO）是一種重要的化工原料，某公司采用雷珀法（Reepe）生產(chǎn)1，4-丁二醇，在BDO精制過程中，每生產(chǎn)1噸1，4-丁二醇可產(chǎn)生約100kg的高粘焦油。目前企業(yè)的處理方法為減壓蒸餾回收部分BDO，然后將蒸餾釜底廢液焚燒處理。但減壓蒸餾處理會(huì)使焦油粘度進(jìn)一步提高，造成生產(chǎn)過程中的設(shè)備和管道堵塞，更麻煩的是蒸餾釜底廢液中無機(jī)鹽含量過高，造成無法焚燒，形成大量無法處理的廢物。學(xué)生學(xué)習(xí)萃取后，老師可以引導(dǎo)學(xué)生，由于有無機(jī)鹽的存在，導(dǎo)致焦油無法焚燒，因此問題的關(guān)鍵就是：如何去除焦油中的無機(jī)鹽。老師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生，可以考慮以硫酸作鹽析劑，在酸性環(huán)境下對(duì)高粘焦油進(jìn)行鹽析萃取，去除焦油中的無機(jī)鹽。又如學(xué)習(xí)液體精餾時(shí)，可以融入“萃取精餾分離甲醇—甲苯—水的工藝設(shè)計(jì)及過程優(yōu)化”案例：某工廠在生產(chǎn)鄰氨基苯甲酸甲酯化工過程中，會(huì)生成甲苯—甲醇—水的廢溶液。甲苯和甲醇均為重要的有機(jī)化工的原料，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工和石油等領(lǐng)域，從保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源的角度出發(fā)，都需要對(duì)甲苯和甲醇進(jìn)行回收利用。普通精餾無法實(shí)現(xiàn)甲苯—甲醇—水三元多共沸體系的高純度分離，需要采用特殊精餾工藝——萃取精餾來對(duì)其進(jìn)行分離。

通過實(shí)例講解每個(gè)案例涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際生產(chǎn)問題，做到學(xué)以致用。此外，還可以讓學(xué)生參與到課題組相關(guān)橫向項(xiàng)目的實(shí)施過程中，通過吸納學(xué)生參與到實(shí)際問題的實(shí)施過程中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

（四）教學(xué)方法多樣化，提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中可結(jié)合多媒體教學(xué)，在理論課程的基礎(chǔ)上，每個(gè)實(shí)驗(yàn)給出幾個(gè)任務(wù)書，提前將實(shí)驗(yàn)操作步驟、工藝流程和注意事項(xiàng)，錄制成視頻[9]，學(xué)生自由組隊(duì)，自主選擇任務(wù)書，提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)之前可隨機(jī)抽取學(xué)生來講解實(shí)驗(yàn)原理、操作方法、流程以及演示操作步驟，再由老師進(jìn)行補(bǔ)充。提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)習(xí)效率，充分發(fā)揮他們的個(gè)性特長，促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)，提高工程實(shí)踐能力。另外，在理論教學(xué)過程中將傳統(tǒng)的課程教學(xué)與多媒體、仿真設(shè)備、實(shí)物演示融為一體，加強(qiáng)對(duì)化工設(shè)計(jì)軟件如Aspen Plus、Flunet、TG-tower、Heat-exchanger等的講授[3，10 ]，使學(xué)生盡早掌握現(xiàn)代化工設(shè)計(jì)工具。如在精餾操作的講解過程中，可讓學(xué)生利用Aspen Plus軟件預(yù)測(cè)物流的流率、組成和操作條件，設(shè)計(jì)塔板數(shù)、模擬設(shè)備尺寸等，再如使用TG-tower軟件讓學(xué)生模擬進(jìn)料組分、操作溫度、壓力的變化對(duì)精餾操作的影響，使學(xué)生更好地將學(xué)到的理論知識(shí)運(yùn)用到真實(shí)的工程設(shè)計(jì)和操作中。

下一步，我們要?jiǎng)h減教材中陳舊的教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，將學(xué)科前沿知識(shí)引入到教學(xué)中，充分利用各種教學(xué)手段，向?qū)W生介紹新知識(shí)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用前景，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用新知識(shí)去解決前人尚未解決或解決得不好的問題，從中訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

三、結(jié)語

通過對(duì)化工原理課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，強(qiáng)化學(xué)生“創(chuàng)新性科學(xué)思維”能力的培養(yǎng)，注重理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的無縫銜接，使學(xué)生更好地將學(xué)到的理論知識(shí)運(yùn)用到工程設(shè)計(jì)和操作中，提前為全國化工設(shè)計(jì)大賽做準(zhǔn)備。優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，將學(xué)科前沿知識(shí)引入到教學(xué)中，為國家培養(yǎng)出既懂理論又有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的創(chuàng)新型人才。

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