基于工程實踐能力培養的化工原理實驗教學模式的研究與探索

焦緯洲，劉有智，袁志國，祁貴生，高 璟

(中北大學 化工與環境學院，山西 太原 030051)

化工原理課程是為培養面向21世紀高等化工創新人才的學科基礎教育課程，是化學工程與工藝、制藥工程、應用化學、環境工程、生物工程等專業及其相近專業的一門主干課程，是學生在具備了必要的高等數學、大學物理、物理化學、計算技術基礎知識之后必修的專業基礎課。化工原理的主要研究內容是以化工生產中的物理加工過程為背景，以“三傳”為主線，分成若干單元操作。研究不同典型單元操作過程的基本原理和常用設備的原理、結構、選型及工藝尺寸的計算。化工原理課程是一門實踐性較強的課程[1-3]，通過系統學習使學生牢固建立起“單元操作”的概念，樹立起“工程化”思想，培養學生工程分析方法及獨立分析問題和解決問題的能力[4-7]。通過系統的理論學習與實踐，使學生具有一定的工程設計能力，為未來的工作和后繼課程的學習打下基礎。

化工原理實驗屬于工程實驗范疇，不同于前置課程實驗的是它具有工程的特點，每個單元操作實驗就相當于化工生產中的一個基本過程，通過它能建立起一定的工程概念。同時，隨著實驗課的進行，會遇到大量的工程實際問題，對理工科學生來說可以從做實驗過程中更實際、更有效地學到更多工程實驗方面的原理及測試手段，可以發現復雜的真實設備與工藝過程同描述這一個過程的數學模型之間的關系，也可以認識到對于一個看似復雜的過程，一經了解，可以只用最基本的原理來解釋和描述。因此，化工原理實驗不僅是驗證化工原理的基本理論，加深對課堂教學內容的理解，更為重要的還在于對未來的科技工作者進行實驗方法、實驗技能的基本訓練，培養獨立組織和完成實驗的能力及嚴肅認真的工作作風和實事求是的科學態度，為將來從事科學研究和解決工程實際問題打基礎[8-11]。

1 化工原理實驗教學的存在問題

目前，我校化工原理實驗教學中存在的不足有：

(1) 實驗預習中，學生被動學習，學生大多把化工原理實驗教材的內容復制到預習報告中，主動學習的主體地位體現不明顯；

(2) 實驗過程中，教師講，學生照方抓藥，教會學生的是模仿，養成學生的是惰性，達不到培養學生動手能力、觀察發現能力、思維創造能力的效果；

(3) 化工原理實驗是一門實踐性課程，學生的工程化思想淡薄，不能很好地用所學知識解決現實中的實際問題，達不到理論指導實踐，有待進一步強化；

(4) 學生對化工原理實驗缺乏興趣，對身邊的化工知識了解甚少。

2 化工原理實驗教學改革與探索

2.1 轉變學習觀念，突出學生的主體地位

傳統中國式的教育方式是教師的嚴肅之態和填鴨式的教學。教師在講臺進行授課，學生在下面被動接受知識，缺乏師生間的互動和討論，注重了學生“學什么”，而忽視了學生“如何學”的重要性，這樣使得學生學習的主動性、積極性不高。實驗結束后，很多學生感到就是按照書上的順序去操作了一下閥門，讀了幾個數據，對所做的內容，為何如此操作及所操作的設備并不了解。因此，激發學生的主體地位，必須轉變學生學習觀念，變“要我學”為“我要學”，真正做到以學生為主體。

在教師的指導下，要求學生主動參與，自由思考，解決問題，把實驗教學效率作為教改的主要問題，向實驗教學要質量，向實驗教學要效率。要轉變觀念，不要認為提出不同意見是對教師不敬，要多對學生的提問持肯定、鼓勵和表揚態度，做到即時反饋；同時注重師生間的互動，教師和學生共同討論、互相學習，實驗教學效率高。在實驗教學過程中采用啟發式、討論式、探索式等方式，在實現“授”與“受”統一的同時，培養學生的創造能力和學習能力。化工原理應是化工類本科生所需要的基本知識、基本技能、基本工具。在教學過程中應該突出“一突三變”：突出學生的主體地位；由單純接受知識轉向接受與探索相結合；由培養知識型人才轉向培養智能型人才；由“要我學”為主轉向“我要學”為主。

2.2 創設問題情境，培養學生動手和觀察能力以及分析和解決問題的能力

在實驗前教師的準備工作要“精心”，應根據經驗有意識地選留一些實驗中經常發生的問題或學生通常會犯的錯誤(要注意這些問題不能影響到實驗室的安全性或損壞實驗設備)，讓學生在實驗中去發現、去思考。同時實驗教師不必先進行“預演”。事實證明，教師的演示教會學生的是模仿，達不到培養學生動手能力、觀察發現能力、思維創造能力的效果。教師應在學生預習的基礎上，抓住關鍵問題進行總結性講解，同時提醒學生注意實驗安全事項，然后要放手讓學生去動手、去思考、去摸索，要允許學生犯錯誤。

如在化工原理中的離心泵實驗，學生往往會忘了“灌泵”，當啟動泵后，水就出不了。造成這一現象的原因是多方面的，譬如“氣縛”、管道堵塞、閥門未開等，要讓學生現場分析并進行仔細的檢查，自己找到答案,這時學生對泵的“氣縛”現象會有更深的理解和記憶[12]。再如化工原理中的過濾實驗(正壓操作)，學生往往在裝配過濾裝置時，將濾布、板框等安裝好后進行固定，實驗裝置往往沒有擰緊，致使實驗一開始料漿便噴射出來。通過這個實驗，讓學生意識到設備緊固的重要性，若固定時4個角的螺絲不注意對角擰緊，可能造成板框變形和密封圈擰爛等，這在工業上大型法蘭的緊固時特別重要，因此要給學生講解緊固時的注意事項：

(1) 要對角擰，保持受力均衡；

(2) 緊固時，一下子擰緊容易造成設備變形，更起不到密封的作用，因此每個螺絲要分別擰幾扣，然后依次對角再擰緊，這樣不僅保持整個平面受力均衡，同時不容易變形，也起到了密封的作用。

2.3 實驗教學中，貫穿“化工在我身邊”的教學理念

“化工原理”課程具有概念多、知識點分布廣、公式繁多、實踐性和應用性強等特點，由于學生對身邊的化工知識和工程實踐了解甚少，所學知識與實際生活聯系不起來，致使學生對課程沒有興趣，也將會直接影響學生對課程的學習效果。因此，提高學生學習興趣，是提高化工原理實驗教學質量的重要手段。

在實驗教學中，將身邊的化工原理知識給學生進行講解，引導學生關注身邊的化工知識，貫穿“化工在我身邊”的教學理念，設置或引用一些問題，特別是與實際生活相關的問題，讓學生感受到學習化工原理很重要，很有用。通過學習化工原理，使學生可以利用所學的新知識來解決這些問題，達到提高學生的學習興趣和提升學生的學習欲望。比如在流動阻力實驗時，設問為什么“西氣東送”過程中，每隔一段距離之后，就需要建一個加壓站？加壓站的作用是什么？在傳熱系數測定的實驗時，設問“今冬麥蓋三層被，來年枕著饅頭睡”的本質含義是什么？在講解對流傳熱時，設問為什么夏天打開空調會感覺比較涼爽[13]？在吸收實驗過程中，設問為什么打開汽水或可樂的瓶蓋，會有氣泡冒出？

隨著全社會環保意識的提高，教學也強調綠色化學化工的要求，實驗過程中避免或減少對環境產生污染，將綠色環保意識融入實驗教學環節，改進實驗內容。如化工原理的“填料塔吸收實驗”，是用水吸收氨進行填料塔吸收實驗的，由于出塔尾氣和塔底吸收液中均含有一定濃度的氨氣，不僅對實驗室環境造成較大危害，也對周邊的教學環境有較大影響。現在通過適當的實驗研究和改進，將塔底吸收液收集起來，并將塔頂尾氣通入吸收液中，將吸收液作為校園花草樹木的氮肥，既解決了環境污染問題，達到了綠色環保作用，又提高了學生“能用自己所學知識做有益于社會、能解決具體實際問題”的自豪感和成就感。學生通過這一改進實驗，既增強了環保意識，又提高了學習興趣。

通過系列課堂教學與日常生活結合起來，讓學生感受到化工就在身邊，用所學知識可以解決很多問題，有助于提高學生的學習興趣和學習效果。在實驗教學中，強化樹立學生的工程化思想，將身邊的化工原理知識與實驗內容結合起來給學生進行講解，引導學生關注身邊的化工知識，貫穿“化工在我身邊”的教學理念。

2.4 實行開放式實驗教學

實驗室開放是實施開放式實驗教學的基礎和必要條件，有著豐富的內涵和多元化的形式，一方面是實驗室儀器設備和實驗項目的開放；另一方面是實驗室時間和空間的開放。更深層次的開放還在于實驗教學內容、教學方法、教學手段、實驗形式和教學理念的開放，讓學生能夠真正做到自主學習[14]。

良好的開放式實驗教學環境和條件，有利于將實驗室有限的實驗資源、教學空間以及有限的內容、時間進行拓展和延伸；有利于學生學習積極性和潛能的充分發揮；有利于學生自主學習和個性化發展。為此，我校以具體實驗類別為基礎，以知識的內在聯系為出發點，將原高分子化學、高分子物理、化工原理、分析測試、化工儀表和計算機仿真等實驗室整合成了化工基礎實驗教學中心，促進了開放式管理和實驗資源優化配置，為良好的開放式實驗環境創造了條件，也為每年舉辦的校化工技能大賽奠定了物質基礎。

在實驗時間上，實驗中心將每學期的后10周全部開放，前半學期根據學生需要靈活開放。對于基礎和綜合性實驗，學生通過網上提前1周預約；對于設計研究型實驗，學生需提前2周預約，以便于準備相關設備、材料和安排指導。同時將化工原理實驗由原來的12個擴展至18個，學生可根據興趣愛好進行選做，提高了學生學習的主動性。

2.5 實驗考核的改革

傳統的實驗考核多以學生的實驗報告為依據，這種考評方法容易忽略學生的動手能力、創新能力和綜合能力，不利于評價學生的綜合素質。基于此，強化實驗考核力度，實驗課的成績考核包括實驗教學的整個過程，包括實驗前準備(預習)、實驗中的操作和實驗報告3個環節。首先，在實驗開始前對學生的預習情況、實驗態度、回答實驗問題的準確性等環節進行考核；其次，是對學生實驗過程中實驗操作的規范性、實驗中發現問題及解決問題的能力等的考核；最后，是對學生的實驗結果以及對實驗結果的分析與討論、實驗報告、實驗成敗的分析、對所用實驗裝置的評價和設計改進措施等進行考核。根據學生在各個環節中的實際表現與能力水平客觀真實地給出預習分、操作分和實驗報告分，總成績由這3個方面按一定比例計算。3項成績分別占總成績的30%、30%、40%。這種考評方法不僅能較好地反映學生的綜合素質，也能使學生重視實驗課程的學習并養成良好的學習習慣。

3 結束語

化工原理實驗教學對于工科學生工程素養及創新能力的培養具有重要作用，對學生工程意識、實驗技能、科研能力和綜合素質能力的提高是理論教學無法代替的。實驗教學作為教學改革的一個重要組成部分也在不斷創新與完善，實驗教學在培養能夠適應可持續發展需要和有創新能力的復合型人才中將發揮越來越重要的作用。

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