膜分離特色化工實驗項目和教學資源的建設及應用

高明麗，王鈺煕，魏偉，吳亮，汪耀明，馮紅艷,＊

1化學國家級實驗教學示范中心(中國科學技術大學)，合肥 230026

2中國科學技術大學化學與材料科學學院應用化學系，合肥 230026

化學工程實驗是中國科學技術大學化學學科唯一的一門工科類基礎實驗課，是理科化學和應用化學專業的工程技術教育中一個重要的實踐性教學環節。理科化學工程基礎實驗課程的教學目標是：(1) 培養學生的工程意識、創新意識和技術經濟觀點；(2) 初步掌握一些有關化學工程學的實驗研究方法和實驗技術；(3) 培養學生運用所學理論分析問題和解決問題的能力。近年來，緊緊圍繞課程教學目標，我?；嶒灲虒W團隊在課程內容建設、教學資源建設、教學模式創新等方面做了一些特色化工作，對提升化工實驗教學質量起到了一定的積極作用。以下將展開介紹。

1 課程內容的特色化建設

為培養學生的創新意識，加強對學科前沿的了解，學生除了掌握如吸收、精餾等一些常規的分離技術外，還必須掌握一些新型的分離技術。膜分離技術具有高效、節能、分離過程簡單等特性，目前已經廣泛應用于各個領域，已成為當今分離科學中重要的手段之一[1,2]。近年來，結合中國科學技術大學功能膜研究室的科研實力，課程組開設了很多緊跟學科前沿并具有特色的新型膜分離實驗[3-8]，與傳統實驗內容形成互補。

1.1 開設緊跟學科前沿的膜分離實驗項目

“卷式擴散滲析分離酸鹽實驗”是一個將科研項目轉化為實驗教學項目的新型實驗[4,9]，它來源于課程組教師的國家面上基金項目“卷式擴散滲析膜組件的優化設計和應用基礎研究”(2012)科研課題。課程組教師對科研儀器進行改造設計，其中核心元件卷式擴散膜組件，已獲得國家專利(201010144042.4)，是我校首套帶有“USTC”字樣的化工教學儀器。實驗設備由合肥科佳中心生產，目前已在安徽大學等高校推廣。該實驗自2015年春季用于本科教學。

“膜蒸餾海水淡化實驗”是一個將浸沒式膜蒸餾工業用設備引入實驗教學的實驗項目[5]。為符合本科生實驗教學要求，我們對引入設備進行管路改造，從2017年春季學期開始，它作為一個原創性的實驗項目應用于本科生的化工基礎實驗教學。通過該實驗使學生了解膜蒸餾相關的前沿知識，增強將科技成果轉化為生產力的應用意識。

此外，還開設了“納濾法分離糖和鹽的水溶液實驗”“超濾法分離明膠蛋白水溶液實驗”等膜分離前沿實驗。

1.2 開發綜合設計性實驗[3,6,7]

以引導學生自主思考、調動學生學習主動性、激發學生研究興趣為目標，近年來，課程組開發了一些與膜前沿技術相關的綜合設計性實驗。如“超濾膜組件的組裝及茶葉中茶多酚的分離實驗”“超濾法分離明膠蛋白水溶液綜合實驗”等，在超濾綜合實驗中大小型設備并用，讓學生根據實驗方案進行膜堆組裝，在組裝組件的過程中，了解板框組件的內部結構和原理，解開膜分離設備原理的“黑匣子”。這類實驗有的用于本科生基礎化工實驗教學，有的曾用于夏季學期的“化學科研基礎訓練”課程，收到了學生較好的反饋。

1.3 形成多層次課程體系

經過多年的建設積累，形成了更適合理科院校開設的實驗內容，構建了多層次教學體系，分為“傳統化工實驗”“膜分離單元操作實驗”和“膜分離綜合實驗”(表1)。在保留經典的三傳一反實驗的基礎上，增加了適合理科專業又具有特色的膜分離實驗，提高學習的挑戰度。每學期從傳統化工實驗和新型膜分離實驗中選取6-8個實驗項目作為開課內容，使實驗內容既有基礎性實驗，又有綜合性實驗；既有傳統性實驗，又有能反映學科發展方向的新實驗。

表1 化工實驗內容與類型

2 教學資源建設

結合化工實驗課程的特點，運用現代化信息技術，我們建設了多層次的信息化教學資源。利用信息化教學資源，不僅較大程度地提高了教學效果，也增加了學生學習的主動性。

2.1 建設實驗操作視頻庫

教學中發現，傳統的實驗課實施過程中存在著一些問題，如：化工設備比較復雜，有的還比較龐大，學生僅按教材預習實驗，待課上做實驗時仍然不明確該如何操作儀器設備。另外，學生課后撰寫實驗報告進行實驗總結時，僅憑回憶實驗過程，難以實現實驗過程完整準確地再現。針對這些問題，我們借助電子信息技術，將化工實驗操作拍攝成教學視頻(圖1)，為學生自主學習、輔助教師教學服務。目前，已完成常用于教學的8個實驗項目的教學視頻錄制。實驗教學視頻具有實時播放和點播功能，具有較強的可視性和可模仿性，可以應用在課前預習、課堂、課后復習等整個教學活動過程之中。

圖1 部分實驗操作視頻截屏

2.2 開發實驗原理動畫

為了幫助學生加深對實驗原理的理解和掌握，解決因為管路封閉無法看到儀器內部結構或實驗流程的問題，我們制作了一系列有關實驗原理和儀器結構的小動畫，如膜蒸餾海水淡化實驗的原理及流程動畫、卷式擴散滲析實驗原理動畫、離心泵原理動畫、填料塔結構動畫等。圖2為部分動畫截屏。

圖2 動畫截屏

2.3 開發虛擬仿真實驗和運用優質共享資源

借助現代信息技術，結合課程的實際情況，我們開發了具有自身特色的虛擬仿真實驗，包括膜蒸餾海水淡化虛擬仿真實驗和卷式擴散滲析綜合實驗虛擬仿真實驗(圖3)，前者已經運用在本科生的實驗教學中，學生反映虛擬實驗的體驗性、交互性較好；后者已經完成制作，也即將運用于教學。

圖3 虛擬仿真實驗截屏

對于傳統化工實驗內容，設備統一采購于“天津大學”開發的成型教學設備，我們將與之契合度最佳的天津大學開發的4個虛擬仿真實驗引入教學，包括精餾、吸收、傳熱和離心泵虛擬實驗項目(圖4)，其中精餾實驗為國家級虛擬仿真實驗內容。

圖4 引入的虛擬仿真實驗截屏

線上虛擬仿真實驗使學生的實驗時間和地點不受傳統課堂限制，同時其也是線下實驗內容的延伸與拓展。依托虛擬仿真實驗，可以開展翻轉課堂，將線上虛擬實驗和線下實驗項目有機結合，促進實驗項目更加靈活和豐富，虛擬實驗也使2020年新冠疫情期間線上化工實驗授課得以實現[10]。

2.4 建設課程網站

課程組制作了專門的化學工程實驗網站(網址：http://chemenglab.ustc.edu.cn/，或掃二維碼登錄，圖5)，網站全面介紹化工實驗課程、教學課件、教學視頻、教學成果、特色教學等。這些資料有助于學生了解本課程的設置和教學概況，給學生預習和復習實驗內容提供了一種渠道。

圖5 化學工程實驗網站

3 教學模式的改革與實踐

教學模式的創新改革是教學質量提升的助推劑。目前，課程組開發了豐富的與課程配套的教學資源，包括化工原理動畫、虛擬仿真實驗、實驗操作視頻等。除了在課程網站上發布教學資源，我們還使用“教學立方”智能教學模式，將教學資源靈活應用在實驗教學之中。

“教學立方”是一種智能的課堂輔助教學平臺，它是智能化、綜合性的教學互動和管理系統，具有功能強大、操作方便的特點[11]。它可由網頁端(網址：https://teaching.applysquare.com/Home/User/login)和微信公眾號兩種渠道登陸?！敖虒W立方”教學模式可以貫穿于課前、課中、課后整個教學環節，包括線上教學資源的推送、實驗預習、課程簽到、課堂測試、問題討論及進行問卷調查(圖6，圖7)。

圖6 “教學立方”資料推送

圖7 “教學立方”微信公眾號

在學期結束時，通過“教學立方”給學生做的調查問卷顯示，同學們普遍反應該教學模式對他們的化工實驗學習很有幫助，可以很方便觀看實驗課件和操作視頻，有利于實驗預習和總結。

4 結語

歷經多年的建設和實踐，我?；嶒炚n程形成了將傳統實驗和膜分離實驗相結合的多層次課程體系，構建包括動畫、虛擬仿真實驗、實驗操作視頻和PPT課件在內的豐富的、與課程配套的教學資源，改革教學模式，將“教學立方”智能教學輔助平臺應用到實驗教學的各個環節，推進教學資源的有效運用，做了一些具有自身特色的化工實驗教學工作。之后，我們將在現有基礎上，持續改進和更新實驗內容，做好虛擬仿真實驗的應用和再建設，推進新形態教材的編訂工作，爭取將化工實驗課程再推上一個臺階。