對(duì)理科化學(xué)專業(yè)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考與建議

呂占霞 高珍 賀維軍

(北京大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 北京100871)

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課是我國(guó)高校理科化學(xué)專業(yè)的必修課，是化學(xué)工程基礎(chǔ)教學(xué)的組成部分，是一門獨(dú)立開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程。其教學(xué)目的是擴(kuò)大和加深學(xué)生對(duì)化工基本原理、方法及重要概念的理解，提高他們解決綜合問題的能力，并幫助他們樹立工程概念和技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)。化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中所涉及的一些處理和研究問題的方法在化學(xué)專業(yè)的其他實(shí)驗(yàn)課中是沒有的，對(duì)提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)所起的作用也是其他實(shí)驗(yàn)課程所不能替代的。同時(shí)，學(xué)習(xí)化工原理理論課和化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課也是日后實(shí)現(xiàn)研究成果向工業(yè)化轉(zhuǎn)化所必需的。雖然理科化學(xué)專業(yè)的主要培養(yǎng)目標(biāo)不是工程技術(shù)人員，但為了使科研成果盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，理科學(xué)生必須能與工程技術(shù)人員搞好“接力”或能與工程技術(shù)人員互相“滲透”［1］。

1 理科院校傳統(tǒng)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課存在的問題

目前理科院校開設(shè)的化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，重在鞏固化工基礎(chǔ)知識(shí)和練習(xí)化工基本單元操作，但在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和科學(xué)研究能力上存在不足，主要表現(xiàn)在:(1)在教學(xué)內(nèi)容方面，驗(yàn)證型的單元操作實(shí)驗(yàn)多，如流體阻力測(cè)定、離心泵特性曲線測(cè)定和精餾實(shí)驗(yàn)等;綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)甚少，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。(2)在教學(xué)方法方面，學(xué)生完全按照操作規(guī)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，“照方抓藥”，不利于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)和發(fā)揮。(3)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與學(xué)生遇到的實(shí)際問題聯(lián)系不緊密，使學(xué)生對(duì)化工理論知識(shí)的實(shí)用性理解不夠，導(dǎo)致對(duì)化工實(shí)驗(yàn)積極性不高。另外，理科院校對(duì)化工實(shí)驗(yàn)普遍重視不夠，教學(xué)效果不理想是必然的。

隨著化學(xué)和化工技術(shù)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)化工專業(yè)人才提出了新的要求，不僅要求他們具備化工基本技能，還需要了解化工新技術(shù)，并具備創(chuàng)新意識(shí)和綜合實(shí)踐能力。只開設(shè)驗(yàn)證型的化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，不僅不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也不能滿足企業(yè)對(duì)化學(xué)和化工人才的需要。考慮到很多研究成果最終要轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，以及理論研究人員必然要和工程技術(shù)人員進(jìn)行溝通，理科學(xué)校也應(yīng)該立足于化工學(xué)科的新發(fā)展，更新和豐富化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，開拓學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、工程意識(shí)、研究應(yīng)用能力和綜合能力，為日后科研成果的產(chǎn)業(yè)化打下良好的基礎(chǔ)。

2 對(duì)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的建議

(1)增加化工新技術(shù)實(shí)驗(yàn)，拓寬學(xué)生的科學(xué)研究思路。

隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)工程學(xué)科的新技術(shù)層出不窮，這些新技術(shù)對(duì)于培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科的創(chuàng)新人才具有重要的意義［3］。超臨界技術(shù)、膜分離技術(shù)、化工仿真技術(shù)、等離子體技術(shù)、超重力技術(shù)和微反應(yīng)器技術(shù)等已不同程度地應(yīng)用于化工的許多領(lǐng)域中，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。而在理科化學(xué)專業(yè)的化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備特別是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新速度很慢，限制了學(xué)生的視野。目前雖然在化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面投入了一定經(jīng)費(fèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行更新，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，但在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上幾乎沒有變化。

在新編《化學(xué)工程基礎(chǔ)》教材中，除了“三傳一反”(動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)工程)外［2］，增加了生化反應(yīng)器和新型分離技術(shù)(如膜分離技術(shù))等反映學(xué)科發(fā)展的新內(nèi)容，但這些內(nèi)容在許多理科化學(xué)專業(yè)的化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課中體現(xiàn)得很少，甚至沒有體現(xiàn)。目前反滲透膜(RO膜)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室去離子水設(shè)備和家庭純凈水設(shè)備中;超臨界技術(shù)已在醫(yī)藥、化工、食品及環(huán)保領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展;超重力工程技術(shù)是一項(xiàng)強(qiáng)化“三傳一反”化工過程的新技術(shù)，可明顯提高產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量，已應(yīng)用到化工、環(huán)保、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域;微反應(yīng)器設(shè)備具有很大的比表面積，在傳質(zhì)、傳熱和恒溫方面有巨大的優(yōu)勢(shì)［4］，已成功應(yīng)用于有機(jī)合成、乳液制備等領(lǐng)域，取得了非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。建議在化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中適當(dāng)增加這類實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以拓寬學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技術(shù)知識(shí)面。如果教學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張或?qū)嶒?yàn)學(xué)時(shí)數(shù)有限，可以將這些新技術(shù)實(shí)驗(yàn)以演示實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行開設(shè)。

(2)增加化學(xué)反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)工程意識(shí)，提高學(xué)生科學(xué)研究能力。

目前，在理科化學(xué)專業(yè)化學(xué)工程的理論課教學(xué)內(nèi)容中，化學(xué)反應(yīng)工程的內(nèi)容占有較大分量，但在化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，除了傳統(tǒng)的停留時(shí)間分布實(shí)驗(yàn)外，幾乎沒有反映化學(xué)反應(yīng)工程的其他實(shí)驗(yàn)。化學(xué)反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與單元操作實(shí)驗(yàn)不同，它既包括化學(xué)過程，又包括物理過程，通過對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)中各種物理因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程影響的考察［2］，給學(xué)生提供一種研究反應(yīng)過程的思路，能提高他們從事應(yīng)用和開發(fā)研究的能力。因此，增加化學(xué)反應(yīng)工程方面的實(shí)驗(yàn)十分必要。

為此，可以增加一些能用于合成反應(yīng)的反應(yīng)釜，學(xué)生可以利用這些反應(yīng)釜將低年級(jí)做過的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行放大，研究其與小燒瓶或小試管實(shí)驗(yàn)的區(qū)別。為了達(dá)到這一目的，可以選用較容易實(shí)現(xiàn)的設(shè)施。以攪拌為例，一般情況下，學(xué)生實(shí)驗(yàn)中都采用磁力攪拌器，用磁子進(jìn)行攪拌，而工業(yè)上使用的是各種各樣的機(jī)械攪拌槳。為了讓學(xué)生了解攪拌槳結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)過程的影響，可以采用冷模實(shí)驗(yàn)，如在化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室配備小型的玻璃反應(yīng)釜和多種形式的攪拌槳，同時(shí)提供幾種不同黏度的流體和示蹤劑，讓學(xué)生通過選擇不同的攪拌槳及攪拌轉(zhuǎn)數(shù)，研究其對(duì)不同黏度流體與示蹤劑混合效果的影響，進(jìn)而推斷其對(duì)反應(yīng)過程和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率等的影響。

若有條件，亦可以采用熱模實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解化學(xué)反應(yīng)工程放大過程中的溫度效應(yīng)和濃度效應(yīng)。對(duì)于熱效應(yīng)突出的反應(yīng)，在小玻璃瓶?jī)?nèi)反應(yīng)時(shí)，由于反應(yīng)物少，容易散熱，往往需要加熱;而在放大后，由于物料增多，放熱量集中，往往就需要增加撤熱設(shè)備。又如在小試時(shí)，反應(yīng)物料可以一次加入;而在放大后，受溫度效應(yīng)和濃度效應(yīng)的影響，往往需要分次或連續(xù)加入?？傊?，可以結(jié)合學(xué)校的實(shí)際情況，選取相應(yīng)的化工過程進(jìn)行放大效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的工程放大意識(shí)。

(3)增添化工設(shè)備模型和備品備件，提高學(xué)生興趣，改善教學(xué)效果。

在化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)裝置的各部件都是連接在一起的，學(xué)生只能按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，對(duì)于泵、閥、流量計(jì)、熱電偶等，只能觀察到其外形，而無法了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這樣會(huì)對(duì)理解相關(guān)理論知識(shí)產(chǎn)生困難。

為了使學(xué)生了解設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有必要添置相關(guān)化工設(shè)備的教學(xué)模型及備品備件實(shí)物。如增添離心泵模型，可以讓學(xué)生看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，深入了解離心泵輸送流體的過程;增加雷諾實(shí)驗(yàn)演示儀，可讓學(xué)生直觀地觀察流體流形的變化;還可以購(gòu)置各種閥門(如球閥、閘閥、截止閥等實(shí)物)，或?qū)U舊的閥門擺放在實(shí)驗(yàn)室，供學(xué)生拆卸和重新組裝。這樣能使學(xué)生了解各種閥門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和區(qū)別，對(duì)它們?cè)诓煌瑘?chǎng)合的實(shí)際應(yīng)用有更深刻的理解。此外，可以制作多媒體課件，將重要化工設(shè)備和泵閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理以動(dòng)畫的形式展示給學(xué)生，使抽象的理論具體化，工程過程形象化。通過這些生動(dòng)的演示模型、動(dòng)畫和可動(dòng)手拆裝的備件，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可使學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)到設(shè)備的工作原理。

(4)完善考核方法，將實(shí)際操作用于考核。

目前的化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，一般都是從預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)操作(多是開關(guān)閥門、記錄數(shù)據(jù))、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等幾個(gè)方面考核。為了提高學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題能力，可以根據(jù)情況增加操作方面的考核內(nèi)容。例如:

①將實(shí)驗(yàn)裝置中的某些小環(huán)節(jié)(如:渦輪流量計(jì)的拆裝及清洗，帶接頭管路氣密性的檢測(cè)及解決漏氣的方法，倒U型管壓力計(jì)兩液柱液面不等高時(shí)的排氣泡操作等)作為考查項(xiàng)目。②將光滑管或強(qiáng)化管的傳熱實(shí)驗(yàn)作為考查項(xiàng)目，在不加熱的情況下，考查學(xué)生的操作過程，并要求學(xué)生講明白各操作步驟先后順序必要性，如為什么風(fēng)機(jī)啟動(dòng)或停轉(zhuǎn)前要將旁路閥開到最大?為什么蒸汽發(fā)生器加熱前要將其與水槽之間的連通閥全開?通過這些操作性考核，能夠在考核學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，讓學(xué)生通過手腦并用，對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題和異常現(xiàn)象進(jìn)行分析判斷，找出問題之所在，進(jìn)而提高分析問題和解決問題的能力。

(5)開放化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)裝置作用。

由于化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課是為本科高年級(jí)學(xué)生開設(shè)的課程，此前許多學(xué)生都在科研組進(jìn)行了一段時(shí)間的研究工作，因此可以將教學(xué)中心現(xiàn)有的化工實(shí)驗(yàn)裝置向他們開放，讓他們結(jié)合在研究過程中感興趣的問題，以小組為單位，自己設(shè)計(jì)化工實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)方案，共同研究并完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，解決研究項(xiàng)目中的具體問題。這不僅有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)他們的協(xié)作精神，還可使他們逐步了解將科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的過程。

目前，化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課一般只針對(duì)化學(xué)專業(yè)的學(xué)生開設(shè)，化工實(shí)驗(yàn)裝置在較多時(shí)間處于閑置狀態(tài)，不僅設(shè)備利用率低，也會(huì)導(dǎo)致裝置中某些設(shè)備由于閑置引起問題。為解決這方面問題，可面向?qū)W校非化學(xué)專業(yè)(如環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和藥學(xué)等專業(yè))的學(xué)生開設(shè)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)選修課，一方面可以拓寬非化學(xué)專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，提高他們的綜合素質(zhì);另一方面，可以進(jìn)一步發(fā)揮化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置的作用［5］，提高資源的利用率。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)現(xiàn)有理科化學(xué)專業(yè)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)通常注重培養(yǎng)學(xué)生的基本操作技能和數(shù)據(jù)處理方法，而工程概念和意識(shí)卻較為缺乏，導(dǎo)致理科畢業(yè)生在工作時(shí)與工程技術(shù)人員難以達(dá)到很好的銜接。因此，建議在化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課中增加新化工技術(shù)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)，以增強(qiáng)學(xué)生工程意識(shí)，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力;還可在教學(xué)過程中增加相關(guān)教學(xué)模型、動(dòng)畫、實(shí)物和原理掛圖等，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，加深對(duì)化工設(shè)備及其工作原理的理解。此外，在改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的同時(shí)，在考核方面可適當(dāng)增加實(shí)際操作內(nèi)容，以提高學(xué)生的實(shí)做能力和分析解決問題的能力。

［1］溫瑞媛，嚴(yán)世強(qiáng)，江洪，等.化學(xué)工程基礎(chǔ).北京:北京大學(xué)出版社，2005

［2］馬玉龍，祝志峰，周新花，等.大學(xué)化學(xué)，2002，17(4):22

［3］武漢大學(xué)，蘭州大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)，等.化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).北京:高等教育出版社，2005

［4］張紀(jì)領(lǐng)，趙羅生.艦船防化，2010(6):9

［5］傅延勛，楊偉華，瞿其曙，等.大學(xué)化學(xué)，2004，19(1):30