提高化工工藝學課程教學質量的方法

趙蘇亞，梁鵬舉，陳亞輝，呂喜風

（1.新疆兵團南疆化工資源利用工程實驗室，新疆阿拉爾 843300；2.塔里木大學化學化工學院，新疆阿拉爾 843300）

化工工藝課程具有內容豐富、多學科相互交叉、實踐性和理論性強等特點，對一個化工工藝的設計和分析，在考慮環保、安全、經濟的情況下結合熱力學和動力學兩方面的影響因素來完成[1]。化工工藝學課程主要是在化工設備、化工原理、分離工程等課程方面的延伸，從而形成的一門學科，化工工藝學課程主要的內容關系到分離與反應過程的設備與方法選擇等，這門學科是將實踐與理論進行了有機融合，可以為學生畢業之后從事科研與化工相關的工作奠定基礎[2-3]。但在實際的教與學的過程中對于化工專業學生來說，由于物理和工程力學基礎普遍相對薄弱，學習難度大，因而教學效果不夠理想且容易與實際脫離。此外，化工工藝學介紹了幾個比較典型的工藝過程，而這些工藝過程的分析其實遵循著同樣的原理，如操作參數的選擇，都是結合動力學和熱力學兩方面的影響進行取舍[4-5]。而在講授型課堂中，老師通常會對每一個工藝都進行一遍同樣的分析，容易使課堂變得重復無聊，學生的學習興趣會極大降低。為了提高學生的學習興趣，就需要對現有的教學方法進行改進提升，現有的教學手段大多是基于課堂的講授式教學，對于激發學生的學習興趣方面還有不足之處。同時，化工工藝與我們的日常生活息息相關，化工工藝品在日常生活也總隨處可見，所以在教學過程中要緊密與生活相結合，這樣就有助于學生的理解和掌握。本文基于這門課程的教學特點，就提升化工工藝課程的教學質量提出一些意見和建議。

1 項目式教學方式

講授型課堂中，老師通常會對每一個工藝都進行一遍同樣的分析，容易使課堂變得重復無聊，學生的學習興趣會極大降低，無法開發學生的創新和主動學習的能力。為了打破傳統教學模式的局限性，采用項目式教學的方式，如以主要生產的產品，學生主動思考生產工藝過程中的生產原理、生產過程、動力學、熱力學取舍、方法、設備選擇等，使學生更主動地學習。以第三章氮加氫制合成氨教學為例，設計如圖1所示。

針對原料合成氨這一工藝，為了制定科學的流程，教師應該提出下述幾個問題：首先是目標產物需要經過何種反應才能生產？反應的具體原理是什么？反映了動力與熱力學哪些方面的特征？采用其他原料怎么樣、如何選擇適宜的反應條件、催化劑？這種反應需要何種類型的反應器？在進行反應之后形成的新物質與氫氣通過什么方式來循環回收、分離以及其存在什么理化性質？結合一系列的性質，應該需要通過何種回收、分離方案？需要在何種環境中進行？進一步總結課程的教學思路，詳見圖1。結合該教學思路，在老師的引導下，以學生生產符合要求的產物為基本目的，考慮該目標的實現適合哪種反應，然后全面地分析經濟指標與環境因素，進一步明確單元操作，從而形成工藝流程[6]。并且，該教學思路的適用范圍較廣，能夠使學生掌握全局，使學生主動學習。

2 科研教學相融合的教學手段

化工工藝學是一門實踐性較強的學科，對于化工各專業學生，老師可以將自己的科研項目融入課程，做好教學和科研之間的相互融合，可以有效促進學生對課堂理論知識的快速消化，同時也能擴展學生的知識層面，這樣也可以激發學生對有機化學的學習興趣。

例如講到無機化工反應單元時，會講到焙燒與煅燒，焙燒和煅燒是兩種常用的化工單元工藝，除在無機鹽工業中處理礦石或產品加工以外，在制備生物質吸附材料時也經常用到。目前利用農業廢棄物制備碳基活性炭吸附有害物質是一種“以廢治廢”的有效手段，但在制備的過程中吸附性能、得率等受到焙燒溫度、時間等因素的影響，研究其制備過程中的最佳制備條件，對制備高吸附性能的生物質基碳材料具有一定意義。通過這個講述可以使學生了解到前沿的研究，激發學生的科研探索精神。以下是指導學生通過查閱相關文獻制備的生物質碳基吸附材料時，溫度對吸附性能、得率、粒徑等性質的影響結果。

在不同溫度下，棗木炭和棉稈炭的得率，揮發分、固定碳、灰分測試結果如表1所示。由于棉稈、棗木中不同組成成分的含量不同，得率也不同。隨著溫度的升高，兩種炭的得率均不斷下降，在700℃時棉稈炭的得率下降為30.15%，棗木炭下降為25.7%。可見在低溫下生物質中半纖維素和纖維素開始大量分解，生物炭質量下降，產率變化較大，木質素主要在高溫階段分解；隨著熱解溫度的升高，原材料熱解趨于完全，所以產率變化逐漸穩定，變化較平緩[7]。當溫度較低時（400℃），揮發分尚未完全析出，溫度升高（600℃），纖維素和木質素不斷裂解，揮發分開始大量析出，殘留在生物炭內的揮發分減少，導致揮發分在此溫度下急速下降。700℃時揮發分含量變化緩慢，說明揮發分幾乎全部析出。可見，較高的溫度能夠促使氣體與炭的二次反應，且使得揮發物逸出，而不是裂解為炭。因此，棗木炭和棉稈炭的得率隨溫度的升高而降低，而固定碳和灰分相對增加，導致炭中揮發分有所下降。

表1 兩種生物質炭的工業分析結果 %

不同的熱解溫度對棗木炭和棉稈炭的亞甲基藍和碘吸附值差異明顯。如表2可知，隨著溫度升高，棗木炭和棉稈炭的亞甲基藍值均呈先增大后減小趨勢；棗木炭的碘值持續增大，棉稈炭的碘先迅速增加后降低。實驗結果表明，在700℃時制備的棗木炭的亞甲基藍值和碘值都達到了最大值，分別是79.5 mg/g、447.71 mg/g，分別約為400℃時所制備炭材料的2.2倍和1.2倍；而棉稈炭的亞甲基藍值也在700℃達到最大值258 mg/g，是400℃時的10.75倍，而碘值在溫度為600℃時達到最大值，為1 377.57 mg/g，是400℃時的2.6倍。碘值和亞甲基藍值的增加表明，隨著溫度的升高，炭的微孔、中孔數量有明顯變化。溫度由400℃升高至600℃，棉稈炭的亞甲基藍值急速增加，溫度增加至700℃時，亞甲基藍值增加速度緩慢，而碘值則有所下降。這表明隨著溫度的增加，棉稈炭的微孔數量也有所增加，中孔數量有些許下降。高溫條件下木質素分解產生的氣相產物逸出，導致了生物質內部更深層次的變化。另外，隨著溫度升高，生物質芳香性增強，結構更為致密，并產生大量的微小孔徑[8]。

表2 兩種生物質炭的碘/亞甲基藍吸附值結果

學生表示，通過實踐訓練，將理論知識與實際很好地結合了起來，幫助他們樹立了嚴謹的科研態度，還拓寬了他們的知識層面，并且在實驗過程中的不斷找出、總結失敗的原因，磨煉了他們不怕失敗，遇事不退縮的精神品質，增強了他們科研信心，激發了學生對科學知識的探索。同時在一定程度上激勵了學生對課堂理論知識的學習興趣，激發了學生對這門課程的喜愛。這也充分體現了“科教相融、教研相長、注重實際發展”的人才培養體制，很好地提高了教學質量，實現了“寓教于研，不流于形式”。

3 豐富多樣的教學方法

對于大部分同學來說一堂課程的知識點是可以及時掌握理解的，但也有少部分同學由于之前的基礎課程知識掌握不牢靠等問題，對于本課堂知識點的掌握不是很透徹。同時也有些學生相對比較內向，課堂上遇到了問題不敢舉手，課下不敢詢問，這樣長此以往，這些學生就會對這門課程失去興趣。受到疫情影響，部分學生無法返校上課，各高校紛紛將雨課堂、慕課、智慧樹、學習通，以及釘釘、騰訊會議等網絡平臺引入教學。課前：通過網絡平臺不布置課前預習、資料分享等，讓學生提前了解預習本節課的知識點；課中：老師也可以通過語音、彈幕等功能及時關注并解答線上學生的疑惑，增加師生互動，活躍課堂學習氛圍，增加學生的學習熱情；課后：內容會自動保留在平臺，方便學生回看溫習，還可在平臺上發布作業，學生完成后交到平臺，方便老師統計成績及了解學生對知識點的掌握情況。

4 引入思政元素，加強人文教育

人文素養是一個民族、一個國家的可貴品質，為了提高學生的人文和政治素養，從而提高化工工藝學這門課程的教學質量，可以在化工工藝學的教學過程中有機地融合化工工藝的發展歷史，可以給學生講身邊用到的化工產品的生產工藝發展過程，學習科學家們在實踐中奮斗不屈的精神，讓學生接受人文精神的熏陶，以史明志，以史明理，以史為鑒，培養全面發展的高素質人才。

如第一章緒論的教學中，著重論述了疫情防控有關的案例，比如在疫情暴發初期，口罩的需求量暴增，而熔噴布作為其主要的原材料，需求也迅速增長，當時口罩十分缺乏。而熔噴布最核心的材料就是聚丙烯，該材料屬于石化工業下游產品，所以說只有化學工業發展到一定程度，才能為國民提供口罩，以更好地開展防疫工作。根據這一案例，可以引發學生思考，通過學習化工在某些方面可以為國家作貢獻，有利于提高學生的社會責任意識與職業認同感。在第二章中能源里可以放能源的紀錄片，引發學生對現在能源現狀的思考，以及在制備化工產品時如何選擇才能為祖國節能減排，為我國早日達到“雙碳”計劃作出貢獻，激發學生創新思維的同時增強環保意識。在第三章烴類熱裂解的教學中，引導學生了解現階段使用的各種催化劑，如何做到綠色催化劑。

所以通過每一章節與思政課程進行融合，讓學生積極主動思考未來化工的發展方向，激發學生學習內在動力，思考自己是否符合當代大學生思想政治要求，讓學生的思想認識得到進一步升華，從而促成從“要我學”到“我要學”的學習動機轉變，使思政教育和提高課程教學質量相互促進、相得益彰。

5 優化課程考核方式

對于化工工藝學這門課程的考核方式基本上是平時成績加期末成績，但是主要以期末成績為主，一般期末成績占總評成績的70%，這樣雖然在一定程度上反映了學生對課本知識的掌握程度，但是卻忽視了學生平時學習的狀況。另外，化工工藝學課程的實踐性較強，需要學生將理論和實際應用聯系起來，應當更加注重平時學生對知識點的理解和應用程度的掌握。隨著“互聯網+”的發展，各種先進的技術相繼涌現，教師可以根據實時環境，通過學習平臺中的信息，導出學生在班課中簽到、課前預習、課后復習、參與活動等相關的數據，明確其權重，然后進行加權計算，作為考核學生的平時成績依據，建議在考核部分占比30%；由于化工工藝學每單元涉及的單元工藝都有較大差異，知識點復雜繁瑣，建議設置單元測試，成績在考核部分占比30%，那么期末考核占比40%，其中在期末考試中增加以完成某一產品工藝流程為目標的綜合性試題，用于考查學生解決開放性問題的能力，同時反饋問題導向教學理念在實際應用中的問題，以便及時調整教學方法。這不僅可以實現對學生長時間的考核、監督，也可提高學生對這門課程的專注度和參與程度。

6 結束語

在化工工藝學教學過程中，為提高教學質量就必須不斷創新化工工藝學的教學方法和手段。根據學生的特點靈活改變教學方法和模式，將教師科研融入教學，做到科研反哺教學，同時，在授課過程中要堅持以人為本的教學理念，重視學生對理論知識的學習、應用創新能力和人文素養的培養，從而提高化工工藝學的課程教學質量。