新工科理念下化工原理實驗教學改革初探

朱丹琛 陳彰旭 鄭炳云 劉秀秀

(1. 莆田學院 環(huán)境與生物工程學院，福建 莆田 351100；2. 福建省新型污染物生態(tài)毒理效應與控制重點實驗室，福建 莆田 351100)

近年來，為推動高等學校工程教育發(fā)展，適應新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，國家教育部及眾多教育工作者積極推進“新工科”建設。“新工科”理念明確工程教育的重要地位，致力于培養(yǎng)專業(yè)基本功扎實、實踐能力強，同時具備整合能力、有全球視野、能適應快速變化和解決矛盾問題能力的工程技術人才[1]。“新工科”以新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)為背景，既包含信息化、智能化的新興工科專業(yè)的建設，也包括傳統(tǒng)工科專業(yè)的改革創(chuàng)新[2]。

《化工原理實驗》課程是高校化工類專業(yè)一門必修的專業(yè)基礎課程，是將化工原理的理論知識應用于化工單元操作的重要實踐環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實驗課程中，學生機械化地進行實驗，無法滿足新工科對高校人才的培養(yǎng)要求，因此應主動改革該實驗課程的教學。本文總結(jié)了近年來我校化工原理實驗課程的改革思路，包括如何提升課程在人才培養(yǎng)體系中的作用，如何調(diào)動學生實驗積極性，如何踐行OBE理念并激勵學生“在做中學，在學中做”，如何進一步深化所學知識并培養(yǎng)工程安全意識，如何提高學生的工程實踐水平。這些舉措促進學生通過實驗課程加深理論知識，鍛煉實踐能力，提高解決問題的能力。

1 實驗教學內(nèi)容

1.1 提高設計環(huán)節(jié)的比例

化工原理實驗以實際生產(chǎn)中的單元過程設立化工單元操作，在實踐過程中驗證化工原理理論，從而學習工程試驗的原理和測試手段，初步建立學生的工程概念、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和能力[3]。化工原理實驗項目主要有綜合和驗證兩個類型，驗證實驗通過學生動手對儀器的操作，掌握典型的化工單元操作實驗，通過數(shù)據(jù)處理和實驗報告達到對化工單元過程的理解和掌握，鞏固和深化所學的理論知識。綜合型實驗不僅要求學生掌握各單元實驗的操作，還要求根據(jù)所學的理論知識，選取參數(shù)、控制比例，并確定實驗方案，進而分析判斷所測數(shù)據(jù)的準確性或計算效益，達到綜合訓練的目的。

為響應新工科對人才的要求，提高學生參與實驗的積極性，可以增加綜合型實驗，也可以在一些驗證實驗適當?shù)丶尤朐O計性環(huán)節(jié)，提升該課程在人才培養(yǎng)體系中的作用。在綜合實驗和一些設計性的環(huán)節(jié)中，引導學生根據(jù)所學的知識選取參數(shù)、控制比例，確定實驗方案，并運用理論來分析設計的理由和可能的結(jié)果。如：化工流體過程綜合實驗通過問題：要測得完整的離心泵特性曲線，測試點應如何分布比較合理？哪些測試點比較關鍵？引導學生合理設計數(shù)據(jù)測試點，得出離心泵效率最高點附近取密集的測試點的結(jié)論。

1.2 知識交叉融合

新工科人才培養(yǎng)目標是適應并滿足未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要，培養(yǎng)具有更強實踐能力、創(chuàng)新能力、國際競爭力的高素質(zhì)、復合型人才。化工相關行業(yè)的人才需求與此高度契合，因此對化工專業(yè)學生的培養(yǎng)不僅需要學生有扎實的化工專業(yè)基礎知識，還要求學生具備相關課程知識、交叉融合學習和應用的能力。化工原理實驗裝置中的各類儀表和自動控制等裝置涉及到工程儀表及自動化、計算機技術、機械構(gòu)造等技術領域；實驗數(shù)據(jù)的處理涉及到《實驗設計與數(shù)據(jù)處理》、《化學化工常用軟件及應用》等課程。傳統(tǒng)的實驗教學僅僅要求學生利用這些儀表獲取工程過程中的基本測量數(shù)據(jù)、驗證基本理論，缺乏對其他領域和其他課程的知識融合。改革后的課程中教師應對這些知識進行綜合應用，有效訓練學生對各課程知識的融合和拓展。比如每臺化工原理實驗設備上都有儀表，教師示范儀表讀取、調(diào)節(jié)和設置方法時，引導學生回顧《化工儀表及自動化》課程中儀器儀表的相關知識，如測量元件的控制規(guī)律、流量計的類型等內(nèi)容。

2 實驗教學方法

化工原理實驗設備、實驗流程，以及數(shù)據(jù)處理方法與以往的基礎實驗相比，復雜程度明顯上升。這就需要教師靈活的采用示范式、互動式、探究式、案例式和基于問題學習(PBL)等多元化教學方法，結(jié)合現(xiàn)代教育技術和手段，讓學生“在做中學，在學中做”，將工程概念的培養(yǎng)滲透到課前預習、教學過程和實驗報告環(huán)節(jié)中。

2.1 課前預習

化工原理實驗課是在化工原理的理論課程之后開展，上課之前，老師應該有針對性的要求學生復習相關的理論知識。

針對學生課前預習率低、預習報告潦草應付、依靠老師實驗前的講解來把握實驗等問題，可以通過網(wǎng)絡教學平臺的資源，達到有效預習的目的。實驗課之前，要求學生觀看超星泛雅、MOOC上的教師操作儀器的視頻，學生可以提前熟悉儀器和操作手法，此外，還可以通過虛擬仿真實驗解決因?qū)嶒炘O備套數(shù)不足而導致學生動手機會少的情況。每位學生都可以虛擬操作實驗，熟悉各個化工單元操作流程和注意事項。這樣在實驗課中，學生就能得心應手的進行實驗。此外，超星平臺上還建立“資料”、“作業(yè)”“討論”等互動欄目，可進行線上線下教學互動。如“討論”欄目中設置精餾實驗的問題：如何防止溶液暴沸？暴沸的原因是什么？取樣分析應注意什么？進料、塔頂、塔底的折光率大小順序如何？何時可以取樣分析？學生課前進行討論學習，提高預習的質(zhì)量。

2.2 教學過程

傳統(tǒng)的實驗教學流程中學生過于依賴老師和教材，不利于工程概念的培養(yǎng)。在新工科背景下，對學生的創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)和分析解決問題的能力尤其看重，教師可以通過以團隊為基礎的學習(TBL)、基于問題的學習(PBL)的方法，踐行OBE理念，提高學生學習和思考的積極性。

教師通過問題切入實驗，考察學生預習情況和對實驗的把握程度。不急著糾正學生的錯誤，而是引導學生帶著這些問題去探索實驗，小組內(nèi)討論分析，發(fā)現(xiàn)自己的錯誤。除預留的預習問題，還可設置一些關于設備結(jié)構(gòu)和流程的問題，如：填料吸收實驗中填料塔中水和空氣或氨氣的流向？吸收塔塔底為什么必須有液封裝置，液封裝置是如何設計的？恒壓過濾實驗中板、框、洗滌板有什么區(qū)別？過濾和洗滌時，液體流向？此外，實驗流程及注意事項也可適當?shù)霓D(zhuǎn)化為問題，貫穿整個教學過程。如：傳熱開關先開后關，離心泵開啟前，為什么檢查所有閥門關閉？其他類型的泵應該怎么操作？實驗過程若有設備損壞或故障，由教師指導學生小組討論找出損壞或故障和原因。這樣的實驗過程以問題為導向，由學生主導，通過團隊合作進行實驗操作和討論解決各種問題，能有效提高學生實驗的參與度和分析解決問題的能力。

2.3 實驗報告

此課程前，學生尚未接觸過工程類實驗，對實驗的印象還停留在基礎實驗上，面對復雜的裝置和大量的實驗數(shù)據(jù)，無法從整體上把握數(shù)據(jù)；對實驗中數(shù)據(jù)的波動還停留在設備老化層面上，很難進行深入的分析。針對前者，要求每組至少一位同學攜帶電腦到實驗室，在實驗操作結(jié)束后，將數(shù)據(jù)輸入電腦，并進行簡單處理。學生運用Excel或Origin軟件處理數(shù)據(jù)和作圖，處理數(shù)據(jù)中碰到的難題能及時請教師協(xié)助解決，這樣學生的數(shù)據(jù)處理水平得到切實的提高。針對后者，教師應當充當引導的角色，引導學生比較實驗中不同參數(shù)對過程的影響、新舊設備實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果的不同等等，使學生能夠體會工程與科學的區(qū)別與聯(lián)系，加強教學效果，也有利于學生理解工程概念[4]。最后，小組內(nèi)討論數(shù)據(jù)的合理性，教師評價學生對實驗結(jié)果分析的把握程度，進而引導學生完成一份完整的工程性報告。

3 成績評定標準

實驗課程成績是教師對學生學習態(tài)度和效果的綜合評價。通常實驗課程由預習報告(平時成績)、實驗報告和考核三項評分組成，按比例綜合后得到最終成績。但由于預習報告幾乎雷同，同組同學的實驗報告相似，導致成績無法真實客觀的體現(xiàn)學生綜合情況，學生也因此缺乏積極性。

為了改善這點，教師可適當提高實驗過程和實驗效果在成績中的比例。平時成績按分項考核記分，綜合評定學生各個實驗環(huán)節(jié)的成績，通過學生預習和實驗過程中預留問題的回答情況、實驗操作掌握程度、處理問題的能力等方面進行評分，突出實驗過程的表現(xiàn)成績，讓學生重視實驗過程的操作技能和處理問題的能力。對預習報告不完整者在平時成績中適當扣分。實驗報告中要求學生選一組數(shù)據(jù)進行示例計算，所選數(shù)據(jù)組內(nèi)不得重復。結(jié)果分析部分自我組織語言，不得抄襲，抄襲不得分。這樣將考查貫穿整個教學過程的綜合考評，既可以調(diào)動學生實驗的積極主動性，又可根據(jù)學生的學習效果進行針對性的改進，完善教學過程，提高實驗教學質(zhì)量。

4 技能競賽

為了推動高校化工類專業(yè)“新工科”建設，加強大學生綜合素質(zhì)與能力培養(yǎng)，自2017年起，教育部高等學校化工類專業(yè)教學指導委員會協(xié)同中國化工教育協(xié)會舉辦了全國大學生化工實驗大賽。大賽考察大學生的化工基本理論知識及工程實踐能力，還考察其團隊協(xié)作能力、應變能力和安全責任意識。與化工原理實驗教學相比，大賽的賽題難度與廣度都高出很多，要求學生能夠靈活應用化工基本理論知識，并且具有廣闊的化工知識面。我校鼓勵學生參加競賽，教師在賽前對選拔出來參加競賽的學生進行針對輔導，通過化工實驗大賽，學生的理論和實踐能力都有很大的提高。

5 安全意識

近年來，高校安全事故頻發(fā)，這其中有管制不夠嚴格的因素，也有學生們欠缺相關知識、自我保護能力差的原因。提高學生的安全意識和自我保護能力，迫在眉睫。化工原理的實驗設備不同于以往基礎實驗的小型儀器，設備的流程與實際生產(chǎn)接軌，設備的規(guī)模通常接近實際工程的中試規(guī)模，體積較大，且實驗中經(jīng)常會涉及電、水、蒸汽等。這給實驗增加了很多的危險性。教師在實驗教學中不但要教學生如何正確使用實驗設備，還要要求學生在每個實驗進行前，評估設備是否完好、化工實驗中涉及的電、水、熱的安全性和安全防護措施情況，并分析可能發(fā)生的突發(fā)情況，如何做好自我保護措施、掌握撤離路線。通過這樣的評估和分析，提高學生在今后的就業(yè)中的安全意識和自我保護能力。

當然，灌輸安全意識并不是讓學生害怕而不敢操作，而是讓學生學會評估安全性能，實施自我防護，將危險控制在可控范圍內(nèi)，如傳熱實驗，布置學生查閱人體皮膚燙傷的資料，了解熱源的溫度和作用的時間這兩個燙傷的因素，學生學會評估傳熱實驗以及今后接觸到熱源時是否應帶手套；精餾實驗的原料均為可燃物，布置學生查閱乙醇和正丙醇的閃點和爆炸極限，讓學生認同嚴禁明火的重要性，再通過問題“若不慎引燃，少量和大量時應如何處理？”訓練學生處理突發(fā)情況的思維。

6 結(jié)語

化工原理實驗是化工類學生首次接觸到的工程類實驗，對培養(yǎng)學生的工程意識和創(chuàng)新能力至關重要，能有效提高學生的工程操作能力和綜合應用技能。基于新工科理念的契機，完善化工原理實驗的教學內(nèi)容、教學方法和考核方法，提高學生的安全意識，有利于提高教學質(zhì)量，為培養(yǎng)具有綜合工程技術能力的新工科專業(yè)人才奠定良好的基礎。