化工原理及實驗課程教學體系的改革與探索

張莉梅 秦莉曉 譚蕓妃 董立春

[摘 要] 化工原理及實驗是化工類及相近專業的主干課程。為了提高化工原理及實驗課程的教學質量并激發學生的學習興趣，針對課程存在的問題，并結合重慶大學的教學實際，對現有化工原理課程及實驗體系在教學內容、教學方法、教學模式上進行全面改革，從而構建以化工實踐和創新能力培養為導向的化工原理課程體系。

[關鍵詞] 化工原理;課程體系;改革與探索

[基金項目] 2017年度重慶大學教學改革研究項目（2017Y64）;重慶市高等教育教學改革研究項目（193012）;重慶市研究生教育教學改革研究項目（yjg193011）

[作者簡介] 張莉梅（1988—），女，四川人，碩士研究生，重慶大學化學化工學院實驗員;秦莉曉（1985—），女，河南人，碩士研究生，重慶大學化學化工學院實驗師（通信作者）;譚蕓妃（1990—），女，重慶人，碩士研究生，重慶大學化學化工學院實驗師;董立春（1972—），男，河北人，博士研究生導師，重慶大學化學化工學院副院長，教授（通信作者）。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）29-0373-03 ? ?[收稿日期] 2019-10-16

化工原理及其實驗是化工專業本科學生的主要專業基礎課。化工原理課程是綜合運用數學、物理和化學等基礎知識，分析和解決化工類型生產中各種反應過程（或單元操作）問題的工程學科[1，2]。該課程的主要任務是研究化工生產中各種單元過程的基本原理、典型的設備結構、性能與操作原理;研究單元過程及其典型設備的計算方法;通過各種單元過程的操作因素分析，尋找適宜的操作條件，探索強化過程的方向及改進設備的途徑。其知識的傳授主要在課堂理論教學中完成，而實踐工程能力的培養主要在實驗教學中完成。化工原理實驗是化工原理課程中理論與實踐相聯系、相結合的重要環節之一[3]，其基本任務是鞏固和加深對化工原理課程中基本理論知識的理解[4]，培養學生靈活地運用基本理論，分析和解決各種單元過程中的工程技術問題的能力;熟練地進行單元過程和設備的實際操作技能和獨立工作的能力。

一、化工原理理論及實驗課程教學面臨的主要問題

（一）教學形式單一，不能有效激發學生的“科學創新”精神

實驗教學基本上是形式單一的驗證性實驗，學生只是機械的按照老師的指導進行實驗操作、獲得實驗數據并完成實驗報告，無法激發學生的學習興趣和創新性思維，無法培養學生的工程觀念和素質，無法提高學生的探索問題、解決問題和進行化工過程工藝及設備設計的能力;化工原理理論教學以傳統的“保姆式”教學為主，不利于鍛煉學生獨立分析問題和解決問題的能力，也不利于培養學生“科學創新”的精神，對具體單元設備操作、過程、設計選型等的感性認識不足，工程實踐環節比較薄弱。

（二）理論教學和實驗教學銜接不合理

理論教學和實驗教學步調很難協調一致，有的知識點理論教學完成很長時間才進行實驗教學，這樣學生對知識點的深入理解就會減弱，無法達到強化理論知識的效果;有時實驗教學時理論知識還沒有學習，學生在沒有理解理論知識的前提下進行實驗，很難把握實驗的真諦。

（三）知識點更新速度慢

理論課程教學和實驗內容已跟不上工程實際的發展，工程實踐中新的知識、先進的技術和設備以及某些新興工程技術領域的知識無法在教學過程中得到體現。學生在校的知識儲備陳舊或不足，難以滿足科技迅猛發展對人才知識能力的需求，并且會降低他們對未來的工作和生存環境的適應能力，不符合現代教育教學培養基礎扎實、素質全面、實踐能力強并具有一定創新能力的應用型、創新性人才的理念。

化工原理及其實驗對化工類及相近專業學生的業務素質、工程能力與創新能力的培養起著至關重要的作用[5]。做好化工原理理論教學與實驗教學的緊密結合，一直是從事化工原理及其實驗教學者所關注并身體力行的事[6]。本文針對化工原理及其實驗教學存在的不足，結合我校教學實際，對現有化工原理課程體系在教學內容、教學方法、教學模式上進行全面改革，構建以化工實踐和創新能力培養為導向的化工原理課程教學體系[7]，激發學生的學習興趣和創新性思維，以適應“卓越工程師教育培養計劃”及“創新型工程人才”培養的要求。

二、教學改革措施

（一）改進和延伸實驗教學內容，增加設計型實驗，提高學生創新能力

化工原理實驗課程將減少驗證型實驗，增加設計型實驗，樹立以學生為中心的教學觀念，激發學生綜合運用所學理論知識自主設計實驗的積極性和主動性，以提高學生的創新能力。總的思路是緊密結合課堂理論教學，培養學生運用所學基本理論自主設計實驗，以提高其分析、解決實際工程問題的能力，并且在此過程中注重學生創新思維的開拓和創新能力的培養。

常規的驗證性實驗，學生只是按照實驗指導書上的實驗步驟完成實驗，這些實驗的完成，對于學生掌握課堂理論知識具有一定的強化作用，但對提高學生解決實際工程問題的能力尚不足。因此，為提高學生思考、分析和解決實際問題的能力，強化工程意識，將實驗內容由單純的驗證性實驗改進為具有一定設計性和綜合性的實驗。如，恒壓過濾常數的測定實驗，學生只是測定出恒壓過濾常數，至于“溫度如何影響”“餅層厚度如何影響”[8]，學生都沒有深刻的印象，操作性和設計性不強，沒有完全滿足學生的好奇心和動手能力。可讓學生自行設計實驗，考察物料溫度對過濾速率的影響，研究溫度對過濾常數的影響，對不同溫度的實驗結果加以比較分析，解釋原因，得出結論。

（二）理論教學和實驗教學相結合，從課堂教學出發，融入實驗案例，在實驗中印證并鞏固理論，讓實踐賦予理論時代性

在理論教學中應對相關實驗進行教學，尤其是對典型的錯誤操作及可能引起的后果進行講解，因實際的實驗中無法演示誤操作的后果，可在教學環節中引入仿真軟件，使學生觀察誤操作的后果，從而掌握正確的操作方法，加深印象，正面引導學生順利完成實驗。

化工原理實驗教學方式的改進，應緊密結合課堂教學，通過實驗扎實基本理論，強化學生工程意識。在實驗教學過程中，應創設一些“問題”，讓學生在實驗過程中運用基本理論去分析、解決問題。比如，離心泵實驗是化工原理實驗中較簡單的一個，但很多學生在實驗過程中，泵啟動后不出水，此時老師可以引導學生根據理論知識去分析，“不出水的原因是什么？”“離心泵的工作原理是什么？”從而最終確定離心泵在工作前要進行“灌泵”！[8]學生通過對這一實驗失誤的思考、分析，到最終解決問題，就一定會對離心泵的“氣縛”現象有更深的理解，強化學生工程意識和分析問題、解決問題的能力。

化工原理實驗中有很多演示實驗，這類實驗一般是實驗教師做，學生觀察現象，對于這類實驗學生僅僅是浮于表面的、初淺的理解，對于培養學生的工程意識意義不大。我們可以探究型實驗教學模式，結合理論知識，在進行實驗時設計1～2個問題，讓學生在通過化工原理實驗課程學習的同時，對化工原理課程的基本理論進一步理解，樹立工程的觀點，應用所學的知識分析和正確解決工程實際問題。如在機械能轉化演示實驗中，教師可以提出這樣一個問題：精餾塔塔頂連接一個敞口容器，溶劑由敞口容器流入精餾塔，要計算高位槽應放置的高度。提出問題后，老師要引導學生分析問題，要求高位槽的放置高度，實際就是要解決液體進入精餾塔的流速、精餾塔進液口處的壓力，在高位槽液面和精餾塔進液口之間列伯努利方程，求得高位槽與精餾塔進液口的位差，即可計算出高位槽的放置高度。

（三）理論教學時適當增加案例教學

“化工原理理論”課程教學是提高學生培養質量的關鍵環節。課程教學不僅是傳承知識和拓寬基礎的途徑，也是培養學生創新能力的必要手段。現代教學要求的是培養基礎扎實、素質全面、實踐能力強并具有一定創新能力的應用型、創新性復合技術人才。但目前本科生大都是“從學校到學校”的應屆生，具備較扎實的理論知識，但缺乏生產實踐經驗，因此我們在進行化工原理理論教學時，盡量融入一些與生產實踐保持密切聯系的案例，不僅要呈現生產實踐中的現實問題或技術改革方案、措施等，以便讓學生能夠接觸更多的生產實踐知識，有針對性地培養其實踐能力及創新能力，更為關鍵的是教師在授課過程中須對這些事實性案例的理論基礎進行剖析，引導學生用所學的理論知識對這些事實性案例做出科學分析，通過合理的分析與設計，使一個個“死”的案例變得“活”起來，跟化工原理的理論知識點與企業的生產實踐聯系起來，促進知識與技能的有機融合。如學習萃取時，可以融入“1，4丁二醇高粘焦油資源化利用技術開發”案例：1，4-丁二醇（BDO）是一種重要的化工原料，某公司采用雷珀法（Reepe）生產1，4-丁二醇，在BDO精制過程中，每生產1噸1，4-丁二醇可產生約100kg的高粘焦油。目前企業的處理方法為減壓蒸餾回收部分BDO，然后將蒸餾釜底廢液焚燒處理。但減壓蒸餾處理會使焦油粘度進一步提高，造成生產過程中的設備和管道堵塞，更麻煩的是蒸餾釜底廢液中無機鹽含量過高，造成無法焚燒，形成大量無法處理的廢物。學生學習萃取后，老師可以引導學生，由于有無機鹽的存在，導致焦油無法焚燒，因此問題的關鍵就是：如何去除焦油中的無機鹽。老師進一步引導學生，可以考慮以硫酸作鹽析劑，在酸性環境下對高粘焦油進行鹽析萃取，去除焦油中的無機鹽。又如學習液體精餾時，可以融入“萃取精餾分離甲醇—甲苯—水的工藝設計及過程優化”案例：某工廠在生產鄰氨基苯甲酸甲酯化工過程中，會生成甲苯—甲醇—水的廢溶液。甲苯和甲醇均為重要的有機化工的原料，廣泛應用于醫藥、化工和石油等領域，從保護環境和節約資源的角度出發，都需要對甲苯和甲醇進行回收利用。普通精餾無法實現甲苯—甲醇—水三元多共沸體系的高純度分離，需要采用特殊精餾工藝——萃取精餾來對其進行分離。

通過實例講解每個案例涉及的相關知識點，引導學生用所學知識解決實際生產問題，做到學以致用。此外，還可以讓學生參與到課題組相關橫向項目的實施過程中，通過吸納學生參與到實際問題的實施過程中，激發學生的學習興趣，提高學生運用理論知識解決實際問題的能力。

（四）教學方法多樣化，提高學生的主觀能動性

實驗教學過程中可結合多媒體教學，在理論課程的基礎上，每個實驗給出幾個任務書，提前將實驗操作步驟、工藝流程和注意事項，錄制成視頻[9]，學生自由組隊，自主選擇任務書，提前預習實驗。實驗之前可隨機抽取學生來講解實驗原理、操作方法、流程以及演示操作步驟，再由老師進行補充。提高學生的主觀能動性，激發學習積極性，提高學習效率，充分發揮他們的個性特長，促進個性化學習，提高工程實踐能力。另外，在理論教學過程中將傳統的課程教學與多媒體、仿真設備、實物演示融為一體，加強對化工設計軟件如Aspen Plus、Flunet、TG-tower、Heat-exchanger等的講授[3，10 ]，使學生盡早掌握現代化工設計工具。如在精餾操作的講解過程中，可讓學生利用Aspen Plus軟件預測物流的流率、組成和操作條件，設計塔板數、模擬設備尺寸等，再如使用TG-tower軟件讓學生模擬進料組分、操作溫度、壓力的變化對精餾操作的影響，使學生更好地將學到的理論知識運用到真實的工程設計和操作中。

下一步，我們要刪減教材中陳舊的教學內容，優化知識結構，將學科前沿知識引入到教學中，充分利用各種教學手段，向學生介紹新知識在化工領域的應用前景，引導學生應用新知識去解決前人尚未解決或解決得不好的問題，從中訓練學生的創新思維，提升學生的創新能力。

三、結語

通過對化工原理課程理論教學與實驗教學的改革，強化學生“創新性科學思維”能力的培養，注重理論教學與實驗教學相結合，實現理論教學與實驗教學的無縫銜接，使學生更好地將學到的理論知識運用到工程設計和操作中，提前為全國化工設計大賽做準備。優化知識結構，將學科前沿知識引入到教學中，為國家培養出既懂理論又有實踐經驗的創新型人才。

參考文獻

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