應用型高校化學工藝學課程教學方法的探討與分析

＊施達 晏金燦 藺華林 王宸宸 熊力堃 韓生

（上海應用技術大學化學與環境工程學院 上海 200014）

引言

化學工藝學是高校化學工程與工藝專業的一門重要的基礎課程。課程涉及的內容需要化工原理，化工熱力學，化學反應工程和分離工程等一系列化工專業的基礎課程作為基礎，在此基礎上，通過對于實際案例的設計和分析講解，讓學生具有從理論出發，通過課程所學知識，合理應用并去解決實際問題的能力。所以，化學工藝學的課程內容更偏向于實際綜合應用。針對于課程目標，需要學生在課程學習過程中，可以掌握化工生產工藝流程整體設計的基本方法和思路，分析復雜流程的單程轉化率、全程轉化率、選擇性等效率指標，建立初步的工程概念。同時，學會運用化學工藝學的基本原理對化工產品的工藝流程進行設計、對工藝流程中遇到的復雜工程問題提出有效的解決方案。并且，認識化工生產中發國家有關的經濟、環境、法律、安全、健康等政策和制約因素。培養學生可持續發展的理念。除此之外，培養學生能夠運用工藝流程圖對化工生產中的復雜工程問題及解決方案，通過專業的術語進行描述。與此同時，了解影響產品成本的工藝技術因素，理解工藝技術路線的經濟性。綜上，化學工藝學不僅是要求學生對于課本知識的理解，同時要求學生掌握對于實際化工流程中設計，計算等一系列問題的分析能力。針對課程本身的屬性以及目標，目前的教學方法還可以進一步改善。

1.教學方法的現狀

針對于目前化學工藝學課程的教學方法而言，主要的教學手段還是通過課堂講述和PPT結合的方法進行傳授。而且，一般高校對于課程的設計為32個課時左右，但是課程涉及到大量知識點和內容，所以無法在課堂上對所有知識點進行詳細講解。同時，對于目前的教師隊伍而言，由于青年教師的大量引入，大部分新引入的教師，對于實際化工流程的設計操作等理解較為薄弱。

具體而言，首先對于教學手段，課上主要通過PPT和講解的方式進行教學，對于需要與實際案例相結合的化學工藝學課程，這樣的講解不僅較為枯燥，學生的興趣不高，難以接受，導致上課的效率較低，通常學生對于課堂內容的接受比例非常低；與此同時，絕大多數流程的講解都遵循化工流程設計的原則，意味著動力學和熱力學分析在整個教學過程中不斷重復，一定程度上也導致了內容枯燥，難以調動學生的積極性。而且，知識點的理解在沒有現場實際觀察和操作的條件下較難理解，一般需要學生在其他例如化工原理，化工熱力學等化工基礎課程有較為扎實的基礎，可以在基本的知識點理解的基礎上，進行活學活用，從而達到化學工藝學課程的教學目的。但是實際情況，學生通常對于知識的理解以死記硬背為主，無法活學活用和真正的培養分析解決問題的能力。

其次，對于課時而言，化學工藝學一般都為32個課時，但是需要講述的內容多，其中涉及到熱力學、動力學對于設備流程影響的知識點較難，需要較多的時間去講解，特別針對于原理方面的知識點，需要學生回憶已經學習過的內容，從而達到課程中學生理解操作單元的設計，反應流程的溫度、壓力選擇以及流程分離操作方法等問題的目的。除此之外，課程對于知識要求的廣度，也大于其他化工專業基礎課程，例如一氧化碳變換反應過程中，對于最佳反應溫度低于平衡反應溫度的現象，通過理論分析結合工業實際操作，提出解決方法，本知識點的講授，需要學生具有扎實的熱力學背景，同時，對于化工原理中換熱的知識有深入的理解，才可以構建出直接冷卻式反應器的設計思路。所以，較短的課時造成了教學過程中出現教學內容涵蓋廣，無法在有限的時間內完成所有內容的講解，或者在涉及所有方向和知識點的條件下，涵蓋內容不足，深度不夠，很多知識點都是一筆帶過等等一系列問題，導致授課的效果并不理想，學生對于化學工藝學課程的知識掌握程度較差，所以需要調整以及研究更為合適的教學方法，從而達到更好的平衡。

再次，目前國內青年人才引進的力度大，所以高校很多課程目前由剛入職或者入職3～5年之內的青年教師進行授課。部分青年教師在教學方面已經具備一些經驗，但是大多學青年教師在教學方面的基礎相對薄弱，同時，青年教師普遍存在沒有較為系統的化工業界實習或者實踐經驗，對于成果轉化以及落地的經驗相對有限。特別是對于化學工藝學需要和實際化工流程聯系緊密的課程，多數青年教師在實際流程的設計，運行，開車等方面，并不具備充分的了解和長期的經驗。雖然，青年教師上課比較有活力，課堂氣氛活躍，但是這種情況依賴于教師自身性格，本身和課程的關聯程度較低，而且也不能成為一個可以廣泛學習的方法去實踐應用。上述情況導致了青年教師在授課中課本內容和實際案例的脫節，教學內容和實際流程的銜接較為生硬，難以達到讓學生真正理解，學以致用的目的。而且，加重了傳統教學模式所帶來的問題。

2.教學方法的探討

針對目前高校對于化學工藝學課程的所遇到的問題，可以采用一些更為先進以及合適的教學方法以及更為完善的培養體系，可以進一步優化我們目前對于化學工藝學課程的教學體系，從而更好地讓學生去理解和掌握課程內容，達到學以致用的目的。具體而言分為以下幾個方面。

首先，對于化學工藝學課程的教學手段而言，在目前現代技術飛速發展的時代，教學的手段和方法，以及平臺得到了很大的拓展和開發。特別是以來，由于教學全部轉為線上，進一步刺激了線上教學方法和平臺的開發。所以，除了傳統的講授以及PPT之外，還可以通過更多的軟件和平臺來進行輔助教學，例如：微課，超星學習通等一系列學習平臺[1]。

具體而言，在課程的不同階段可以通過不同的教學方法，例如相關軟件和平臺的輔助，設置相對應的內容以及任務，從而達到對應的教學目的（如圖1），通過多種教學方法的混合運用，更好的完成教學任務。具體而言，在課前，對于課程中將要涉及到的知識點，通過微課或者微視頻的形式，提前預習，例如吸放熱反應溫度和平衡常數間的關系，傳熱系數等的理解，對于本身基礎不扎實，或者知識點印象不深刻的情況下，學生可以提前進行自主學習，在課前先鞏固基礎知識。因為就目前的教學現狀而言，學生通常在理解化學工藝學課程的內容之前，需要去回想之前學過的知識點，這樣造成了學生課堂中效率較低，無法及時跟上上課的內容和流程，從而導致學習內容不扎實。所以，通過課前在平臺用5～10分鐘的時間提前復習知識點的方法，不但可以讓化學工藝學課程內容的講授更為流暢，學生更容易跟上教師的教學節奏，同時，可以保證在課堂中有限的時間內將時間更多的分配到化學工藝學本課程需要去重點講解的內容上，例如流程的確定，溫度和壓力的選擇等等。

圖1 課程教授過程的目的和方法

同時，在課堂上，可以穿插一系列的互動的問題，通過互動的方式[2]，調動學生的學習積極性和熱情，同時啟發學生可去思考，通過思考解決問題的過程，進一步加深對于化學工藝學知識的理解，達到事倍功半的效果。例如，在氨合成的講解過程中，通過課前氨對于人類的重要意義，讓學生理解課程目的。在課堂中，通過氨合成的反應方程式，讓學生思考氮氣和氫氣的來源，進一步鞏固化學工藝學中原材料需要來源廣泛，廉價等一系列要求。在探索氫氣的來源時，通過引導，引出甲烷制氫氣的方法。然后通過相關流程、熱力學和動力學的分析，理解流程過程中反應器壓力和溫度的確定，同時對于反應原料的處理，以及產物的分離提純步驟的合理設計。

除此之外，在課堂上，可以通過翻轉課堂等先進的教學方法，增加小組活動，通過課前給出化學品制備的方程式，讓學生以5人左右為小組，進行資料的查閱，通過從原料，反應和分離三個步驟，熱力學和動力學等理論分析，設計一個生產流程。然后，讓學生展示設計的流程以及生產方法，通過對于自己設計的流程和其他流程以及現有實際流程的對比，分析各個流程的優劣點，提出進一步提升改動意見。這樣的方法更有利于學生對于知識的理解以及掌握，更容易明白化學工藝學課程的目標以及實現方法。與此同時，在課后，可以通過超星學習通等平臺給學生布置相關的問題和設計，通過一些開放性問題，使得學生在課后對于課堂講解的內容進行進一步的分析和探討。例如上述提及的氨合成過程中，如果甲烷制氫過程中帶來二氧化碳作為溫室氣體，面對國家“十四五”提出的“碳達峰”和“碳中和”的要求，需要減排二氧化碳，那我們需要對于流程進行改進和優化，學生可以進一步去查閱資料，設計出滿足要求的流程。通過課后的相關問題，可以對課堂的知識點，特別是化學工藝學中流程設計的方法和原則進行進一步的鞏固和理解，有助于學生對于化學工藝學整體設計思路和方法的活學活用。

其次，面對化學工藝學課程課時短的問題，可以通過如下幾種方式進行優化解決。首先，基于化學工藝學課程本身與實踐連接緊密的特點，可以在教學環節中增加實踐環節，實踐環節主要內容為去相關化工廠進行流程的參觀[3]，比如油品的裂解流程，以及甲醇的制備流程等等。實踐環節的流程參觀可以對應化學工藝學中較為成熟的化學品制備工藝流程，這樣學生在字面知識的基礎上，通過對于現場流程的觀察以及認知，有助于加深對于工藝流程的理解。同時，通過化工工程師對于流程的講解以及實際操作，讓學生加深對于書本知識的理解，從而使得課堂上有限的時間可以進行高效的講解以及授課。同時，實踐實習的安排采取了類似于化工原理課程理論和實踐課程相結合的方法，這樣的方法實際上給予了化學工藝學課程更多的教學時間，也有助于知識的講授和學生的理解。其次，結合教學方法的探索，適當的在課前，課中和課后采用一種或多種教學方法進行混合教學的模式[4]，通過實踐環節的引入和教學方法的開拓，可以在有限的課堂時間內，對于化學工藝學課程的教學重點和內容進行深入淺出的講解，不但提高了本身教學的效率，同時也有助于加深學生對于工藝學內容的理解和掌握。

考慮到目前教師隊伍中，青年教師的比例逐漸增加，對于化學工藝學這樣需要廣泛的實踐基礎以及認識的課程而言，青年教師對于課本知識的理解都很扎實深刻，特別對于熱力學和動力學的公式推導和分析，以及流體力學和化學反應工程等理論知識的掌握非常扎實，可以根據設計的要求，進行分析計算，設計滿足條件的流程和反應器，但是對于理論和實際之間的銜接較弱，面對開車，停車或者遇到的一些實際故障，不清楚如何解決。這樣理論和實踐之間的脫節是青年教師需要解決的首要問題。面對這樣的問題，可以組織化學工藝學授課的青年教師，進行短期的化工企業實地培訓，由富有經驗的老教師以及化工廠的工程師帶隊，去進行實地的考察以及學習，特別是書中出現的部分工藝流程，重點了解實際化工流程存在的問題，改進的方法以及流程的發展，同時，面對國情，了解實際情況下，我們國家對于高附加值化學品生產過程中，原材料的選擇以及其對整體流程溫度壓力的影響，以及對于整體流程能耗以及經濟成本的影響等一系列問題的系統學習以及了解，真正的做到了解一個流程和其中設備設計的相關方法，通過實際流程的認知和課本內容相結合，加深自己對于知識的理解。這樣也更有助于青年教師本人，對于化學工藝學課程理論和實際的鏈接，從而在之后授課過程中，進行更有深度的講解。

3.應用型高校教學特點

應用型高校相比較研究型高校而言，更加注重知識的利用以及與實際流程的結合，換言之，對于知識的理解的深度要求較低，但是更注重學生學以致用的能力。對于化學工藝學課程而言，應用型高校的教學目標更注重如何通過熱力學和動力學的分析，去合理的設定反應的溫度，根據原料和反應的過程，設計后續分離過程的方法，從而達到對應產物流程的整體合理設計的目的。在課程的講解過程中，應該更側重設計的過程，以及對于流程的優化等一些內容。所以需要在化學工藝學課程的教學過程中，更多的側重于實際流程的設計和理解，以及后續的調控等知識內容的掌握。使得化學工藝學課程的學習可以增強其對于實際流程的設計以及理解，弱化推理和演算的過程。同時，對于應用型大學而言，可以通過更多校企合作的方式，通過企業教師對于行業的理解和豐富的經驗，在化學工藝學課程之外，進行一到兩次行業相關的講座活動，一方面讓學生更能清楚的認識到現在國內和國際工藝學發展的現狀，同時，另一方面讓學生了解自己所學的化學工藝學知識的應用，進一步增強學生的學習意愿，加深學生對于知識的理解和學習的效率。

4.結論

本文探討和分析了目前高校所出現的一些在化學工藝學課程教學方面的現狀，面對教學方法單一，教學時間有限，青年教師實踐經驗缺乏等現狀，提出了相對應的解決方法。比如，通過合理應用各種線上教學平臺和設備，適當增加學生和青年教師的實踐活動以及培訓等方法，拓寬了教學的方法，增強了教學的趣味性以及效率，鍛煉了學生利用化學工藝學知識處理實際問題的能力，增強了青年教師理論和實踐銜接的能力。特別對于應用新高?；瘜W工藝學課程的授課以及目標，作為更面向實際的教學體系，如何進一步完善和提升教學方法，從而達到滿足應用型大學獨特的化學工藝學教學目的做了清楚的表達。