基于工程素養培養的化工原理實驗教學改革

王麗梅，李榮春，劉明麗，耿龍龍，張秀玲

(德州學院 化學化工學院，山東 德州 253023)

近年來，為適應對外開放和國際競爭與合作的需求，促進工程技術人員國際交流，我國成立了中國工程教育認證協會，建立了工程教育專業認證體系，對化工等工程專業進行認證[1-3]。與此同時，我國的卓越工程師教育培養計劃也是進行的如火如荼[4-6]。不管是工程教育專業認證還是卓越工程師培養，其根本目的都是提高我國工程人才培養質量，增強人才工程實踐能力。我校結合自身實際，適時定位培養創新性應用型人才。德州學院的化學工程與工藝專業被山東省教育廳2013年批準開展“卓越工程師”培養計劃，2016年被山東省教育廳批準籌建高水平應用型專業。在應用型人才培養的過程中，提高學生的工程能力和工程素質勢在必行，培養全體學生的工程素養也受到越來越多的人的重視[7-8]。

化工原理作為化學工程與工藝、材料化學等專業必修的一門專業基礎技術課，也是學生接觸的第一門工程類課程。其教學內容即具有理論性、又具有工程性和應用性[9]。化工原理實驗作為化工原理課程的重要組成部分，延續了其工程性的特點。每一個實驗項目實際上都是化工生產中單元操作的“縮小版”[10-11]，在培養學生工程意識、工程素養等方面起著舉足輕重的作用[12-13]。團隊成員潛心教學[14]，從實驗預習、實驗教學方法、實驗運行模式、實驗理論與實踐分析等方面進行了改革，提高了教學效果，強化了工程素養的培養。

1 多方舉措，改革實驗預習途徑

一般來講，實驗環節的設置主要是為了鞏固理論知識的學習，并達到實踐訓練的目的。實驗原理就是理論課上講過的知識，化工原理實驗大致就是如此。所以，學生在預習時，普遍覺得實驗原理相對簡單。但是，實驗裝置體積龐大、結構較復雜。因此，實驗裝置就成了困擾學生的地方，實驗裝置的預習就成了實驗成敗的關鍵。

1.1 模型展示，直觀形象

購買模型，在化工原理實驗室中開放展示，方便學生了解、認識掌握化工原理實驗裝置中的各個閥門、管件和設備。既幫助學生更好地掌握化工原理知識，又有利于后續課程的開展。如各種傳熱器模型，都是透明塑料裝置，通過顏色的不同區分各部件，使學生直觀地了解設備內管子的分組，分清楚冷熱流體的流通路徑，掌握管程和殼程的劃分。又如實驗裝置會用到的渦輪流量計、鼓風機等儀表設備，在實驗前介紹它們的工作原理、使用方法。這些都增加了學生的工程知識儲備，為提高學生的工程素養起到了一定的作用。

1.2 科學設疑，物盡其用

實驗裝置較復雜，但實驗內容卻較單一。如何根據現有實驗裝置，讓學生學習更多的專業知識，更好地掌握實驗技能？

科學設置問題，如雷諾實驗，該演示實驗的目的是讓學生觀察流體在管內流動的兩種不同流型，測定臨界雷諾數。通過實驗，確實可以讓學生直觀地認識兩種不同的流體形態。但是，實驗內容相對簡單。預習時，給學生提出問題“如何設置一個雷諾實驗的實驗裝置？”讓學生在實驗前給出設計流程圖。此時，學生需要充分考慮穩態流動、管路長度，甚至機器振動對實驗現象的影響。然后讓學生比較自己設計的實驗裝置和實際應用的實驗裝置各有什么優缺點。通過比較，不但可以加深流體流動這一章知識的學習，而且提高了學生理論與實踐相結合的能力，培養了學生的工程意識、工程素養。

1.3 現場預習，構思方案

組織學生進行實驗室現場預習，了解設備裝置的結構原理和工藝流程，對實驗的順利開設起到舉足輕重的作用。部分學生還可以根據學習進度，在實驗開始前自己構思實驗方案，經指導教師允許后，進行實操練習。

1.4 仿真預演，明確關鍵

利用仿真軟件[15]，提前進行實驗演練。以離心泵性能測試實驗為例，通過仿真實驗練習，可以讓學生更好地掌握離心泵開關機順序，意識到順序顛倒可能造成的后果，防止實驗過程中出現錯誤。

2 善用理論公式，改革實驗教學方法

工程實驗不同于基礎課程的實驗，后者采用的方法是理論的、嚴密的，研究的對象通常是簡單、基本的甚至是理想的，而工程實驗面對的是復雜的實驗問題和工程問題[11]。

化工原理作為學生接觸的第一門工程類基礎課程，承擔了從理論到工程的紐帶作用。而此時，學生的思維方式還停留在理論基礎上。以學生掌握的理論知識為出發點，改進實驗教學方法，提高實驗教學效率，培養學生整體意識、工程意識、工程素養。

在實驗教學中利用化工原理公式，提綱挈領式進行講解。以流體流動阻力實驗為例，從公式出發，引導學生理解實驗裝置設計原理。直管流體流動阻力的計算公式Wf=λ(l/d)(u2/2)，公式中的l、d是管路尺寸，由實驗裝置確定；速度u可由測速裝置確定；對于水平等徑直管，其ΔPf等于管路兩端壓力差ΔP，從而得出Wf=ΔPf/ρ(ρ由流體和溫度決定)。因此，依次確定實驗裝置中應有測速裝置、水平等經直管、測壓差裝置和測溫裝置。這樣看似從學生熟知的理論公式推理出了工程裝置的設計依據，方便學生對實驗裝置的認識。以一個公式，統攬整個實驗，培養學生的整體意識、工程素質。

3 實施大學生助教制度，改革實驗教學運行模式

各實驗課程的實驗教學模式有相通的地方，也有自己獨特的地方，因此，實驗教師必須根據課程特點進行相應的教學改革。化工原理實驗課程一直面臨設備臺套數少，學生人數多的問題。除了多個實驗項目并行開設，增加分組數外，聘任大學生助教也是不錯的方法[16]。這種方法本身也是一種因材施教的范例。

選擇學習基礎好、自主性強的學生進行培訓，采用先培訓后聘用的方法聘用大學生助教，代替老師進行一些重復性的講授工作。聘用大學生助教并不能完全代替授課教師指導實驗，教師仍要在場指導、答疑。學生反映對自己指導的實驗項目印象尤為深刻，這得益于其充分的實驗前準備和預習。同時，也讓其意識到提前預習的重要性。對學生而言，做助教也是一種鍛煉。通過授課，助教不僅可以培養其邏輯能力和語言表達能力，而且更能培養其自信，提升學生的綜合素質。

4 辨析理論與實驗的關系，培養工程素養

理論教學與實驗教學的關系，毫無疑問是相輔相成、相互滲透的[12]。在化工原理實驗中，理清理論教學與實驗教學的關系，解釋實驗結果與理論推測不一致的現象，變得尤為重要。

化工原理是一門工程學科，很多知識是理論與實踐相結合的產物，也就是說理論知識的形成是參考了實踐內容的。化工原理中的很多公式正是如此，是通過理論推導與實踐結果相結合而得到的。因此，在化工原理實驗教學中，可以結合實驗和理論的關系，解釋實驗中遇到的一些問題。如雷諾實驗中，學生觀察到的層流邊界和湍流邊界對應的雷諾準數(Re)，并不是2000和4000，而是介于倆者之間。而這顯然和理論推測是不一致的。殊不知，2000和4000這兩個邊界代表的不是某一次實驗的結論，而是多個實驗的綜合結果。當學生拿自己所得的層流邊界(如2600)與教材上的數據對照時，這個2600不等于2000，但是卻也滿足了“當Re≤2000時，肯定是層流流動；Re≥4000時，肯定是湍流流動；2000

5 結論

在化工原理實驗教學中，改進實驗教學方法，改革實驗教學運行模式，理論與實驗的關系。通過模型展示、科學設疑、現場預習和仿真預演，增設實驗預習途徑，不僅擴大了學生自主學習的時間與空間，而且培養了學生的工程意識，預習效果大大提高。以理論公式為核心采用提綱挈領法進行實驗教學，即復習了理論知識，又明確了實驗裝置結構的合理性，體現了理論指導工程實踐的過程，培養了學生的而工程素養。通過辨析理論知識與實驗結果的關系，理清工程中理論與實驗相互依存的關系，培養了學生的工程素養和綜合素質。