化工原理實驗教學模式創(chuàng)新探索

鐘建軍，喻冬秀(電子科技大學中山學院 材料與食品學院，廣東 中山 528402)

0 引言

化工原理是一門綜合運用所學數(shù)學、物理、化學、物理化學、計算機基礎等知識，分析和解決化工生產(chǎn)中各種物理過程問題的工程性基礎學科課程，是高校化工、制藥、生物、環(huán)境、輕化等工科專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎課程[1-3]，涉及到化工過程中常見單元操作的基本理論、設備結構、工程應用，導致課程學習中涉及的計算繁瑣、設備結構復雜、工程應用靈活多現(xiàn)。為更好地認知、理解和掌握相關內容的學習，常會在化工原理課程教學中匹配有相關單元操作的實驗實踐內容，以期通過實物認知和實際操作來強化對理論部分的學習效果。化工原理實驗是以單元操作設備為載體，通過對單元操作的設備原理、設備操作和實驗數(shù)據(jù)處理等內容的學習來培養(yǎng)學生的工程觀點，強化工程動手能力，讓學生學會用基本理論知識去分析和解決單元操作的工程問題，提高學生的工程素養(yǎng)、動手實踐能力、設計創(chuàng)新能力及處理復雜工程問題的能力[4]。化工原理實驗作為從基礎化學實驗教學向化工專業(yè)實驗教學過渡的橋梁，旨在幫助學生實現(xiàn)從化學學習向工程實踐的轉變[5]，可見化工原理實驗在相關工科專業(yè)實驗實踐學習中有著舉足輕重的作用。

1 化工原理實驗教學現(xiàn)狀和問題

1.1 教學資源有限，傳統(tǒng)教學方式受挑戰(zhàn)

不同于基礎實驗中以小型玻璃儀器為主，可以做到學生人手擁有獨立的操作平臺和實驗設備，化工原理實驗是以單元操作設備為載體的，基本上是化工生產(chǎn)過程中的實際設備或者接近于實際設備，具有單臺設備費用高、投資大、維修復雜、占地面積大等特點，導致單個化工原理實驗項目能使用的設備數(shù)量非常少，且設備更新?lián)Q代慢。以我校化工原理實驗室為例，現(xiàn)有雷諾實驗、能量轉化實驗、離心泵、傳熱、過濾、精餾、吸收、萃取、干燥(普通干燥、噴霧干燥)等單元操作各一套，于2021 年換新，前一套設備使用了14 年，在相當長的一段時間內，設備陳舊，無法與現(xiàn)代化生產(chǎn)實踐相接軌。這給教學帶來極大的挑戰(zhàn)：若是按照傳統(tǒng)教學模式，一個標準班(大約為30 人)同時來開展一個實驗項目，勢必會導致“僧多粥少”，真正可以動手操作學習的非常有限，影響教學效果。

1.2 僵化的教和學，能動性調動受限

教師的“教”常常是以該實驗要完成的目標、要求、實驗原理、設備原理及操作流程等方式來完成。學生的“學”則分為課前預習、課中操作、課后數(shù)據(jù)處理三部分。課前預習依靠課程提供的有著清晰實驗目的、實驗要求、實驗原理、操作步驟、實驗注意事項和實驗結果分析示例的實驗教材，進行預習，并準備包括實驗目的、實驗要求、實驗原理、操作步驟、實驗注意事項等內容的預習報告。整個預習過程形同于“搬運工”：把教材的內容完整地謄寫到預習報告上，嚴重影響學生的學習主動性和個性化學習，預習效果較差。課中操作則有依賴教師的手把手“教”。課后數(shù)據(jù)處理則由于有實驗結果分析示例，學生對實驗結果的處理也就照樣完成，不思考數(shù)據(jù)處理的方法和數(shù)據(jù)涵義，更不懂整個實驗操作和結果涵蓋的學習內容，無法把握整個實驗的目的，學生無法理解相應的知識，更不能培養(yǎng)其能力和素養(yǎng)。

1.3 單一的考核機制，自驅學習力下降

學生的成績由平時成績和實驗報告成績兩部分構成，學生的平時成績主要是通過考勤、預習報告的完成情況、課堂上的操作表現(xiàn)來衡量，考核點較為粗放。預習報告和實驗結果機械抄寫、套用現(xiàn)象是非常常見的，學生缺乏獨立思考。而課堂上的操作表現(xiàn)局限于設備、實驗時間有限，加之實驗人數(shù)又多的情況下，難以考核到每一個學生在實驗整個操作過程中的表現(xiàn)，更不用說來考核實驗目標是否在每一個學生學習過程中的達成度。多數(shù)情況下，只能以大組的形式，以集體評估方式來完成，勢必會有實驗操作“劃水”而機械抄寫的學生獲得了較優(yōu)的成績，出現(xiàn)考核成績未客觀評價到學生的真實學習狀態(tài)，進而影響“學”的主動性、滋生了“學”的惰性，不利于整個課程目標的達成。

2 化工原理實驗教學創(chuàng)新措施和實施

2.1 運用多維手段，豐富教學資源的形式

受限于實驗建設經(jīng)費和實驗室固有面積，固定資產(chǎn)在短時間內難以充盈。一方面，把換下的舊設備留下，請專業(yè)人士拆開的同時，錄制相關拆開視頻，使學生預習時更好地了解設備結構，理解實驗原理，同時拆開部件留放于實驗室專有位置，進入實驗室后，學生可再次真實的感受和認識設備。另一方面，引入虛擬仿真軟件，它不僅把實驗操作仿真，而且把實訓、生產(chǎn)實習、半實物仿真工廠也引入了仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了從單一單元操作到流程化操作的整個過程，使單元操作的實驗學習由單個設備操作過渡到整個工廠的實際流程，讓學生由局部認知，拓展到整體認知，在增強學生對單元操作認知深度、提高實驗操作能力的同時，加深了對整個生產(chǎn)流程的認知，培養(yǎng)了學生對現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)流程的構思、設計、實施、運行等工程能力和工程素養(yǎng)[6]。疫情期間，北京歐倍爾軟件技術開發(fā)有限公司將其化工原理相關的仿真實驗部分供我校試用于線上教學，操作界面逼真，操作形式設置非常人性化，設置任務闖關，即時的反饋模式，極大吸引了學生的學習興趣。輔以虛擬仿真軟件內容，在學生預習階段布置任務要求，進行仿真學習，深入了解實驗操作和實驗結果的正確性。最后，實驗操作時采用小組制，分組輪換式來完成實踐，有效解決實際操作時實驗設備少的困境。例如離心泵實驗，學生在上這門課前沒有見到更別說是使用過離心泵，受限于教學資源，原來的教學模式只能依賴于教材，學生只能通過理論課授課內容、實驗教案預習到實驗原理及實驗操作，在預習階段依然處于抽象狀態(tài)，若是有真實設備的拆開視頻并提前進入實驗室認知實驗設備結構，必然是原本的抽象學習具體化。結合虛擬仿真操作，再對整個設備進行仿真操作，學生通過多次的反復仿真，優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)，達到對實驗重點和難點認知和理解的突破。最后，進入實驗室來實地操作，驗證自己在前期預習中的設計方案，并進行數(shù)據(jù)的合理處理和分析，提高了學生的設計、構思、實際操作能力和解決問題能力，夯實了學生整體的學習效果。因學生的仿真操作情況都直觀地記錄在系統(tǒng)，結合預習報告為實驗預習的一部分，而在實驗操作過程也進行了多維考核設計，即學生在整個實驗開展過程的每一步都進行了考核記錄，可有效督促學生獨立學習實驗內容，提高了學生的參與度。

2.2 啟發(fā)式教學方式設計，活化“教”和“學”

化工原理實驗教學不應定位于訓練學生的操作技能和數(shù)據(jù)處理能力上，而應從培養(yǎng)學生工程觀念和提升學生理論聯(lián)系實際和解決復雜工程問題能力的角度考慮。除了豐富教學資源和改進課程內容設計之外，教學理念轉變和教學方式改進是非常必要的。如何引導學生在實驗過程中既主動參與實際操作，又摒棄惰性，主動學習是化工原理實驗教學改革的核心。課程組實施了基于EIP 理念的“查、閱、思、寫、講、踐、析、享”啟發(fā)式教學方式設計，“教”發(fā)生變化：首先是改變了教學資源的提供，由傳統(tǒng)的實驗教材改為實驗設備資料學習，然后課程組對預習報告進行了啟發(fā)式設計：實驗任務是什么？完成此任務需要哪些單元操作，對應于哪些設備？設備如何選型？設備該如何連接？實驗流程該如何設計？參數(shù)該如何設置？如何正確操作？實驗結果是否合理？如何由實驗結果來判斷實驗任務的完成度？整個過程設計依據(jù)的原理是什么？該單元操作可應用于哪些生產(chǎn)流程？在具體應用中，可能會產(chǎn)生問題，該如何解決？引導學生主動思考、積極探尋，達成實驗目的。分化實驗任務單，采用學生“小老師”破解任務單形式來進行課間講解，老師點評和解惑重難點。根據(jù)學生的預習情況初步掌握其理解程度，在課間操作過程中進行有針對性的指導，實驗共性問題組內即時解答，個性問題則單獨指導，做到共同成長中差異化教學，同時引導學生形成同伴學習氛圍，增加團隊意識。“學”發(fā)生變化：學生僅依靠教師提供的教學資源無法破解任務單，需要查相關資料、進行精細閱讀、分析、思考，并總結形成預習報告文字，以小老師的身份來分享，通過實驗操作來實踐，要對實驗結果進行組內預分析，組間分享，實驗任務達成后才可離場。

2.3 增加設計性內容，拓展實驗的廣度和深度

根據(jù)現(xiàn)有的實驗設備，課程組進行教學設計，在保留原有演示性實驗、驗證性實驗和綜合性實驗類型的基礎上，新增設計性實驗，拓展實驗內容的廣度和深度，提高學生解決復雜問題的能力。例如離心泵實驗，該實驗的原教學目標主要是進行泵性能參數(shù)的測定，應用性不強。由于新設備是由2 臺泵組成的流體輸送系統(tǒng)，課程組結合此次情況給出不同的任務單：(1)現(xiàn)有2 臺相同的泵，應串聯(lián)還是并聯(lián)操作來獲得最大揚程？(2)現(xiàn)有2 臺相同的泵，應串聯(lián)還是并聯(lián)操作來獲得最大流量？采用每組現(xiàn)場隨機獲取任務單的形式，來設計完成，允許學生試錯，但需準備分析正確與否的原因。通過設計性實驗的引入，增加了課程的高階內容，一方面增強學生團隊合作能力，另一方面加深了學生對理論知識的理解深度，培養(yǎng)了學生實踐操作能力、分析問題和解決問題的能力。

2.4 強化數(shù)據(jù)處理能力，增強學生工程能力

數(shù)據(jù)處理能力是工科學生工程素養(yǎng)很重要的環(huán)節(jié)[7]，直接影響實驗結果表達正確與否。在化工原理實驗過程中，有大量的數(shù)據(jù)需要處理，要求學生使用excel 軟件[7]、origin 軟件[8]對數(shù)據(jù)進行擬合、數(shù)值計算及圖形繪制，有目地性地驅動學生用好已會的軟件，甚至去掌握新的軟件，增強學生的工程能力。

2.5 “全過程、即時性、多元化”的多維考核模式，驅動自主學習

為鼓勵參與學習、考核成績盡可能客觀評價到學生的真實學習狀態(tài)，課程組探討并實施了“全過程、即時性、多元化”的多維度考核模式，具體考核指標如表1所示。該考核模式細化了考核點，覆蓋到預習、操作和任務達成的整個學習過程，結合現(xiàn)代化手段，采用線上線下評價相結合的方式來完成，擯棄考評單一滋生的無法給學生準確評價和成績的弊端，更好地激發(fā)學生學習參與度和積極性。每一項都清晰給分，即時反饋的方式讓學生在學習中獲肯定的同時也即時糾偏，尤其是在實驗操作過程中，對不愛動手操作的學生多鼓勵，對動手能力差的學生進行個性化指導，及時肯定其付出。

表1 多維度考核指標

3 化工原理實驗教學成效

衡量教學改革效果的一個重要指標就是學生的學習效果和教學目標的達成度。化工原理實驗教學改革是2021 開始執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)豐富教學資源后，啟發(fā)式教學方式的實施使學生的學習態(tài)度發(fā)生了根本性轉變，由機械式預習變?yōu)橹鲃邮筋A習，沉悶的課堂變得活躍，學生有更多問題需要解答，團隊之間的合作度提升，總評成績對每一個學生在課程學習中的每一個環(huán)節(jié)都有了積極的回應。從圖1 中2021、2022 學年教學改革班成績可以看出，學生的成績出現(xiàn)了顯著的差異度，鼓勵了認真學習者，“劃水”學習者從成績上被甄別出來。隨著教學改革的推進，學生整體成績優(yōu)秀率(80 分以上者)在提高，同時也發(fā)現(xiàn)學生的工程能力在提升，說明教學改革是朝著既定的教學目的而行的，整個教學改革是有效的。

圖1 2021、2022 學年學生成績分布圖

4 結語

實踐是工程的本質、創(chuàng)新的基礎，是培養(yǎng)學生動手操作能力和解決復雜工程問題的主要培養(yǎng)方法。化工原理實驗作為一門與生產(chǎn)實際緊密連接的工程性實踐課程，需更新教學理念，豐富教學資源，改進教學方式，培養(yǎng)學生整合知識能力、動手操作能力和解決復雜工程問題的能力。