面向自動化專業的《化工原理》課程教學改革與實踐

鐘瑞琴

(中國石油大學(北京) 化學工程與環境學院，北京 102249)

化工原理是中國石油大學(北京)石油化學工程及相關專業本科生必修的一門專業基礎課，是我校作為石油特色鮮明、工科為主的院校的核心主干課程之一，擔負著我校化學工程、石油加工、化工過程機械和自動化等專業的本科生教學由理論到工程、由基礎到專業的過渡橋梁作用，對這些專業本科生的專業素質和工程能力的培養都起著至關重要的作用[1-2]。

化工原理課程涵蓋了化工生產過程及其裝置，內容涉及多種常見的基本單元操作、各種化工機械的結構和原理以及操作，其中既有由淺入深的過程和理論分析，又有諸多實踐的經驗總結[3-4]。由于《化工原理》課程內容較多，涉及的知識面較廣，實踐性和應用性強等特點，不僅學生普遍反映該課程較難，教師也面臨若干教學難題。雖然我校自動化專業《化工原理》課程已開設多年，課程性質也早已從專業限選課變為專業必修課，但是在歷年的該課程教學中普遍存在著學生學習目的不明確、學習動力不足，教師教學效果不佳等問題。

作者通過自身多年的自動化專業《化工原理》課程教學經歷和對自動化專業本科生的調研發現這些問題主要是由以下幾個因素造成的：

(1)《化工原理》課程的內容和體系相對穩定和陳舊，并未涉及自動化專業與《化工原理》課程講授的化工單元操作之間的關系和應用的實例，導致不少學生認為該課程與自動化專業的其它專業課程之間沒有太大關系，對其將來從事自動化專業工作沒有太多用處，因此不僅限制了學生知識面的擴展，而且不利于學生建立起對《化工原理》課程必要性和重要性的正確認識，大大降低了該專業學生深入學習的興趣。

(2)課程的大部分內容是從工程實踐中抽象出來的數學模型和經驗方程式[5]，由教師主導對每一個單元操作進行詳盡的闡述及公式推導，對此學生不僅有枯燥感，也不能體會出課程應用性強的特點。

(3)自動化專業的《化工原理》課程學時短，任務重。相比于我校化工專業的兩學期128學時授課，自動化專業的《化工原理》課程僅有一學期64學時，又同時包括流體流動、流體輸送機械、傳熱、吸收和蒸餾五大基礎章節的內容，因此若教學過程中仍沿用以往以教師課堂授課為主的教學方式，則顯得教學節奏過于緊湊，不利于學生對課程內容的消化理解，教學效果不佳。

為了實現面向自動化專業的《化工原理》課程中教與學的質量和效果的雙提高，通過對我校2014、2015、2016級三個年級自動化專業本科生化工原理課程的教學實踐，對課程進行了教學改革。

1 建立化工原理課程與自動化專業間重要聯系

針對自動化專業本科生普遍認為的《化工原理》課程與自動化其它專業課程相關性不強的問題，在教學過程中有意識地將化工原理課程與自動化其它專業課程內容進行關聯化，在教學中增加了其它專業課中需要用到化工原理知識的講述。

根據我校自動化專業培養方案中課程設定，經調研后發現專業必修課《過程控制工程》、《過程檢測儀表》，專業選修課《石油加工工程》，專業實踐或者實習《過程控制綜合實踐》、《煉廠認識實習》等自動化專業課均直接或間接應用到化工原理課程部分知識。自動化專業也稱為控制科學與工程，核心就是做控制，我校的自動化專業是以學習化工過程控制為主的。在化工過程控制中，經常對四種量進行控制：流量、液位、壓力、溫度。在學習如何對這四種量進行控制之前，首先必須要學習化工生產過程的操作和原理，才能加深對控制范圍的理解，以達到正確高效的控制。在自動化本科生專業必修課《過程檢測儀表》的課程學習中流量檢測儀表需要用到《化工原理》課程中流體流動章節的相關知識。《化工原理》中講授的伯努利方程是該章學習的重點和難點，也是設計和使用各種流量檢測儀表裝置如孔板流量計，轉子流量計等的原理和基礎。只有掌握了這些裝置的測量原理才會懂得如何使用或設計儀表。

在自動化本科生專業必修課《過程控制工程》中更是多處都體現了與《化工原理》課程內容相關的知識。例如該課程的液體輸送設備的控制、傳熱設備的控制、精餾塔的控制這三章，分別對應了《化工原理》課程的流體輸送機械、傳熱、蒸餾三章的相關知識。在課堂講授《化工原理》中液體輸送設備的流量計的結構和原理部分時，適當結合《過程控制工程》中的液體輸送設備的控制方案內容。在講授《化工原理》中傳熱過程原理、換熱設備結構時，適當結合《過程控制工程》中的傳熱設備熱焓和熱量控制方案內容。在講授《化工原理》中精餾過程原理、精餾設備結構及性能影響因素分析時，適當結合《過程控制工程》中的精餾塔產品質量指標選擇、精餾塔基本控制和優化控制以及自動化專業選修課《石油加工工程》中石油蒸餾章節中的原油蒸餾塔的操作特性和工藝計算等內容。

在自動化本科生專業課程設計《過程控制綜合實踐》中，以上《化工原理》相關知識的理解和掌握更是在學生作設計過程控制系統時會進一步得到加深。

通過這些關聯性介紹不僅增強了學生對《化工原理》課程基礎性和重要性的認識，也增加了學生對于《化工原理》課程的學習興趣。

2 變被動學習為主動學習和趣味學習

為了增強學生學習的主動性和積極性，在教學手段中還嘗試開展了研討式教學模式。例如在蒸餾章節中講授精餾塔的安全操作問題上，結合《過程控制工程》專業課中的相關內容，讓學生自己思考討論精餾塔的哪些操作參數必須限制在約束條件之內？在精餾塔發生不正常操作中，精餾塔的限制條件包括液泛限、漏液限、壓力限及臨界溫差限等會引起哪些控制方面的擾動？常用的控制方法有哪些？怎樣設計出比較完善、合理的控制方案？基于以上問題的討論，不僅加深了自動化專業同學對《化工原理》的基礎性和重要性的認識，而且提高了學生應用多種課程所學知識協同解決問題的能力。再如在傳熱章節中講授到換熱器冷熱流體流程的選擇問題時，教師先把常見的冷熱流體都羅列出來，讓學生根據之前所學的一些原理性知識和生活常識來自己思考如何設置該流體應走管程還是殼程的問題，說出理由，與同學們一起思考討論。在研討中，學生很深刻地記住了正確的選擇。

3 網絡學習資源平臺建設

為自動化學生搭建了課下學習的網絡學習資源平臺，具有指導、學習、總結、檢測四大功能部分。通過這一平臺，使學生更深入地了解這門課的有效學習方法，多方面促進學生對課堂知識的理解和消化，以及對自己學習情況的及時掌握，最終達到使學生對這門課從理論到實踐的雙促進和提高。

鑒于《化工原理》課程知識點瑣碎、工程思維的特點，學生在學習過程中，普遍存在課上能聽懂，但課下不會用的現象，即使基本概念和公式都記住，但是遇到問題仍然不知從何下手，分析和解決問題的能力較差。這種現象歸根到底還是因為學生的工程意識不足，不具備工程思維所導致。因此，幫助學生盡快掌握《化工原理》課程正確的學習方法是非常必要的，有助于學生掌握整個化工原理的各個單元操作的研究方法、研究手段的規律。在網絡學習平臺中提供了編寫的針對每一章節內容的學習方法、學習要求和學習重點，讓學生在明確并掌握正確的學習方法的基礎上，對每章的各個知識點和重點知識點有個清晰的認識和重視，從而調整學習方向、合理分配學習時間。

又因為《化工原理》課程課時短、教學任務重，若教學過程中仍沿用以往以教師課堂授課為主的教學方式，則顯得教學節奏過于緊湊，不利于學生在課堂的有限學習時間內對課程內容的消化理解，將嚴重影響教學的效果。因此，在網絡學習平臺中上傳了學生復習和預習版的課件，而之所以不同于教師課堂上使用的課件，是考慮到多給學生留下思考的機會和空間，同時提高對教師課堂講授的關注度。同時增加了動畫和圖片，加深學生對某些知識點的形象化認知和理解，作為教材和課堂的有益輔助和補充。

自動化專業本科生常常反映《化工原理》課程知識點過多，只能死記硬背，難以活學活用，如何幫助學生梳理順每個章節的大知識點之間以及各個細小知識點之間的邏輯關系和有機聯系至關重要。在網絡學習平臺中編寫了每章的知識點之間的脈絡關系圖，展現該章節主要研究內容之間的邏輯順序和相互關系，進而延伸到每一部分的組成和相互間關系，最終形成了一章內容的整體脈絡關系，對于幫助學生學習時由點到面，再由面到點的思考問題方式培養非常有益。

《化工原理》作為典型的工程學科課程代表，學以致用是最終的學習目的，因此對于本科生而言，只能通過大量的做題練習來提高分析問題和解決問題的能力，對于這門課的學習也可以起到檢測學習效果和查缺補漏的作用。在網絡學習平臺中匯總編寫了針對自動化專業學生學習的《化工原理》教材的思考題和習題。思考題的設置有助于鍛煉學生多角度和全面分析解決問題，鍛煉學生串聯多個知識點進行分析問題的能力。計算題的設置有助于培養學生利用所學知識來解決實際工程問題的能力。

4 結語

綜上，通過以上對自動化專業本科生有針對性的教學改革措施，有效提高了學生對《化工原理》課程的重視度，增強了學習熱情和興趣，鍛煉了學習能力，體現了以學生為主體的教學觀念。