以培養創新人才為目標的化工原理課程教學改革*

李 燕，李 翔

(廣東石油化工學院化工學院，廣東 茂名 525000)

在中國目前的創新浪潮中創新人才是關鍵,高等教育承擔著培養創新人才的重任。相較于傳統教育，創新教育強調學生創新能力的培養、學生的主動性、主體作用和開拓創新能力，是當前國際形勢和社會經濟發展的對人才知識與能力結構的新要求，是高等教育教學改革的趨勢。化工原理是化工類專業的專業基礎課程，主要研究化工單元操作中的動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞的原理、單元操作設備的設計和選型[1]，課程具有很強的工程實踐性[2]，主要培養學生的工程意識、工程計算能力、解決實際工程問題的能力、動手能力、團隊合作能力等[3]。新形勢下化學工業面臨轉型,朝著集約、清潔、低碳、安全[4]和可持續的方向發展,迫切需要大批高素質的應用型、創新能力能力強的化工人才[5-6]。

1 化工原理教學中存在的問題

長期以來,化工原理的教學強調原理講解和模型推導，教學內容僅限于書本知識，和生產實踐緊密聯系度不高，學生學習提不起興趣；授課內容大多以單元操作為主線，著重介紹各個單元操作的基本原理、過程及設備計算，常常忽略其內在聯系，內容多且雜，學生常感學習難度大難掌握規律。化工原理的教學方式也主要是老師講、學生聽，課堂上學生的積極性沒有得到激發，只是機械地去記憶知識點，不能上靈活地解決實際的工程問題，扼殺了其創造性。其次教師布置的課后作業形式單一、答案固定,導致部分學生抄襲作業應付了事,分析問題的能力、計算設計能力和靈活應用知識解決問題的能力沒有得到提升。第三課程考核方式主要是期末考試，成績所占比大，學生只需期末突擊復習也能可過關，這樣的授課與考核方式不利于學生對化工原理課程知識的邏輯性、系統性和整體性的把握，不利于知識的工程運用和設計能力的提升。針對目前化工原理課程所存在的問題,結合當前社會對化工類人才的要求,以培養學生的創新能力，提高學生的綜合素質為目標,我們對教學內容、教學方式、考核方式方面進行教學改革。

2 化工原理課程教學改革

2.1 教學內容改革

以問題為導向設計教學內容，設計原則為以教學大綱為核心，綜合教學目標和學生能力，按照由易到難，循序漸進的步驟進行，同時涵蓋化工原理各章節單元操作的基本概念和主要知識點，并結合專業特點選擇學生感興趣的實際問題。例如自動噴泉是許多城市的一個美化環境的亮點，其主要原理是利用動量傳遞中的機械能守恒定律，以自動噴泉高度設計為問題通過分析噴口流速、壓力差等應用伯努利方程設計噴泉的噴射高度，能讓學生加深對流體流動過程中連續性方程和伯努利方程的理解。在流體輸送設備單元中用生活中如何實現長距離輸送水的問題，向學生講解離心泵的主要用途、基本結構、性能參數、操作要點等，用離心泵將江水送至敞口高位槽的案例，根據已知基礎數據，給出幾種管路輸送設計方案，并比較幾種方案的經濟成本；通過自來水如何凈化的問題引入非均相物系分離單元，講授重力沉降和過濾的基本原理、數學模型、基本公式和相關設備重力沉降室、沉淀池、煉油裝置中的油水分離器等；通過煉油過程中催化裂化工藝中的催化劑回收引入旋風分離器，介紹旋風分離器的主要類型、工作原理、操作要點、基本計算公式等。提出為什么夏天人們穿薄衣服、冬天穿厚衣服等問題引出傳熱的基本原理與計算，利用柴油與原油換熱案例介紹間壁式換熱的換熱模型、影響因素、計算公式、列管式換熱器類型；利用苯-甲苯精餾塔工藝，講授板式塔的工作原理、板式塔的塔板類型、回流比確定與影響、理論板數計算、塔高的計算等；二氧化碳作為一種溫室氣體其排放是影響全球氣候的焦點，我國目前努力實現在 2030 年前碳達峰與2060 年碳中和的目標。通過結合我校化工原理實驗中心低濃度二氧化碳吸附裝置，講解氣體吸收中的相關基本原理、分子擴散中的菲克定律、渦流擴散、亨利定律、雙膜理論、吸收速率進行計算、吸收速率的影響因素、填料吸收塔的物料衡算與操作線方程、吸收劑用量、填料層高度的計算等。通過用水萃取煤油中的苯甲酸的工藝，講授液液萃取操作的基本流程、應用原則、相平衡、萃取的影響因素、物料衡算與杠桿規則、萃取的計算、液液萃取的相關設備等；講授干燥操作單元時,從生活現象“為什么不同面料的衣服晾曬在同一陽光下有的衣料干得快，有的衣料干得慢”、奶粉干燥工藝等介紹利用空氣作為干燥介質干燥物料的基本原理、空氣性質對干燥過程的影響、干燥速率、干燥時間的計算等。通過這些由淺入深，由生活問題到工業問題的一系列關聯問題，使學生清楚，要解決這些問題不能僅僅從教材上找答案，必須查閱相關資料，將所學知識拓展、延伸，進而培養其獨立思考，分析問題和解決問題的能力。在講授時充分利用多種教學資源并用的優勢，用動畫、影像、實物教學和演示實驗等講解離心泵、換熱器、精餾塔、吸收塔、干燥器等設備,從最初簡單的篩板塔到現代具有較高分離效果填料板式復合塔板與噴射塔板,從套管式換熱器到浮頭換熱器與板式換熱器,利用多媒體課件生動、形象的演示,將枯燥、抽象的內容形象化,使學生更易理解教授的內容，也提高了學生學習興趣。同時以團隊合作學習方式設計教學內容，主要為各章節單元操作難點、涉及多章節知識的綜合習題、企業生產案例，這些內容難度大，方案多種，花費時間長，學生以團隊形式可以發揮團隊的才智優勢，綜合運用理論知識、計算機知識和其他基礎知識解決這些問題，以此激發學生的創新意識和創造力，對于培養具有創新創造能力具有很好的推動作用。

2.2 建立探究型教學模式

以問題為中心的教學，教學活動自始至終圍繞著問題的探究和解決展開。將學習置于問題中有利于激發學生學習的欲望，學習的主動性，學生在解決問題的同時中完成對知識的掌握。例如自然界河水為什么能自發的從高處流往低處？電風扇為什么尺寸越大轉速越快風量越大？為什么雨后的空氣清新？保溫杯為什么能保暖或保冷？大風的天氣為什么衣服容易干？從這些生活中常見的現象引出問題，使學生對化工原理理論產生興趣，掌握機械能轉換的基本規則、離心設備工作原理，了解氣固分離的方法和原理，了解熱傳導的基本原理，干燥的影響因素等。課堂教學采用討論式與互動，有利于培養學生獨立思考能力和運動知識的能力。化工原理課程中有很多知識點和難點，而解決某一工程問題常需要運用多個知識點、多種基本技能，團隊合作的學習可以讓學生之間互相幫助，充分利用團隊的才智優勢，完成工程設計或工程問題。在團隊合作的學習中，把班級分成若干學習小組，小組長負責組織、協調團隊成員的學習活動，任務完成后，團隊成員在課堂上PPT展示講解團隊完成思路、解決方案、完成步驟、結果，同時對教師和其他團隊的疑問進行解答。教師根據團隊展示的過程與最終成果對團隊成員的學習效果進行成績評定，這個成績作為平時成績的一部份，并算入期末總分中。例如學習完蒸餾一章布置了丙烯丙烷精餾塔綜合練習大作業,給出物料濃度、分離要求、操作壓力等條件，要求學生查找物系平衡數據、參照工廠實際操作參數選擇回流比、塔頂氣相冷凝方式、塔進料加熱方式、計算塔理論板數等,并畫出裝置工藝流程圖,內容包括塔、冷凝器、再沸器、原料罐、頂產品罐、底產品罐、泵、主要管線、標出進料溫度、塔頂溫度、塔底溫度等主要控制參數，通過綜合作業學生可較為詳細了解典型精餾過程的工藝設計初步步驟、工藝流程和典型設備、儀表控制等方面知識，也為化工原理精餾塔課程設計打下一定基礎。氣體吸收章節布置了填料吸收塔由于吸收率提高而進行改造的綜合習題，要求采用幾種不同的方案進行計算，并對不同的方案進行比較。學生匯報方案的同時，教師對不同的方案根據工程實際進行分析，對比不同方案的優缺點和實現的可行性，讓學生了解解決工程實際問題多樣性、復雜性，工藝方案要兼顧專業理論知識、投資費用、實際用地面積等綜合因素。學生通過團隊合作學習有機會相互探討，利用集體的智慧解決較為復雜的工程問題，提高的學生的學習效率，同時也培養了學生的團結精神和協作能力。團隊合作教學模式如圖1所示。

圖1 團隊合作的研究型教學模式結構圖Fig.1 Structure diagram of research-based teaching mode of team cooperation

2.3 課程考核考試方式改革

考試不僅具有測評教師教學水平和學生學習效果的功能,也是引導學生積極學習的無形指揮棒。化工原理課程總評成績原來由平時成績+期末考試成績共同評定，平時成績占30%，主要由課堂出勤和作業來評定，作業一般為書本后的練習題，網上一般都有答案，因此平時成績激勵不了學生，為考察學生平時學習對課程知識的掌握程度，增加課程學習過程對學生的量化考核。學生成績考核采取考勤(10%)、課后作業(10%)、課堂小測驗(15%)、課外大作業(10%)與期末閉卷考試(55%)相結合綜合考核方式，更加關注知識獲取以及能力培養過程中的監督管理。其中, 課外大作業是給學生一個與該課程及工程相關的課題,讓學生自己通過調研及資料學習,培養獨立思考和靈活運用知識的能力,寫出一篇有一定分量的論文報告,提高其綜合運用能力。將化工原理課程分為流體流動及輸送機械、非均相物系分離、傳熱、蒸餾、吸收、萃取、干燥7個性單元，每2個單元結束后進行小測驗，測驗成績按一定比例計入平時成績。將平時學習量化考核，督促學生在平時學習中不斷進行總結、復習，加深了理解，促使學生及時了解在學習過程中對存在的問題，以便及時做出改進。

3 結 語

化工原理是化學工程技術學科的基礎，化工原理課程的創新教育對培養化工類創新人才具有重要的意義。要開展化工原理課程的創新教育，關鍵是正確實施化工原理研究型教學，即在注重教學內容的基礎上，以考核評價改革為輔助手段，從以問題為中心的教學模式和團隊合作的教學模式入手，有效管理學生課程學習的全過程，才能全面培養學生的邏輯思維能力、團隊協調能力、溝通能力和創新能力，為行業培養出符合社會形勢發展的人才。