科學(xué)方法在《化工原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

張佳麗，儀桂云

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454000)

科學(xué)方法是人類科學(xué)實(shí)踐的產(chǎn)物，并且隨著科學(xué)的發(fā)展不斷得到充實(shí)和提高?？茖W(xué)的發(fā)展往往依賴于科學(xué)方法的正確運(yùn)用，科學(xué)技術(shù)的重要突破往往依賴于科學(xué)方法的重大變革和創(chuàng)新?？茖W(xué)方法的創(chuàng)立、移植和滲透，已成為一系列重大發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)、一系列邊緣科學(xué)的生長點(diǎn)［1］?！痘ぴ怼肥歉咝；ゎ悓W(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，《化工原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)舉足輕重，是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論、分析和解決化工單元操作中各種工程實(shí)際問題的重要平臺，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、科研能力和綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)?！痘ぴ怼穼?shí)驗(yàn)教學(xué)改革應(yīng)站在科學(xué)方法論的高度，在教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式的改革中，應(yīng)注重對學(xué)生進(jìn)行思維方法的訓(xùn)練，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

1 運(yùn)用科學(xué)方法促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革

科學(xué)思維方法有感性思維方法(觀察、實(shí)驗(yàn))、理性思維方法(科學(xué)抽象、歸納和演繹、分析和綜合)和非理性思維方法(想象、直覺和靈感)等［2］。人們認(rèn)識問題往往由淺入深，由簡單到復(fù)雜，由感性到理性，由單一到綜合。鍛煉多種思維方法而不是單一的思維方法是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、提高綜合素質(zhì)的有效途徑。然而，傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)大多是形式單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這種單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不是培養(yǎng)而是扼殺了學(xué)生的一些創(chuàng)新思維。因此，遵循科學(xué)思維循序漸進(jìn)、逐步深化的規(guī)律，《化工原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革應(yīng)構(gòu)建階梯式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系。

1.1 基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)必不可少

《化工原理》實(shí)驗(yàn)中，第一層次即是基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，必不可少。主要內(nèi)容有基本技能實(shí)驗(yàn)，如流量、壓力、泵等各類儀器設(shè)備的使用與校正;基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試實(shí)驗(yàn)如雷諾實(shí)驗(yàn)、柏努利實(shí)驗(yàn)、阻力實(shí)驗(yàn)等?；A(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中，教師應(yīng)給出具體的實(shí)驗(yàn)步驟、設(shè)備操作方法和注意事項(xiàng)等，注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能，熟悉化工儀表操作，注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和分析等能力。扎實(shí)而深厚的基礎(chǔ)知識是進(jìn)行創(chuàng)新的基礎(chǔ)和前提，離開基礎(chǔ)知識空談創(chuàng)新能力培養(yǎng)，無疑就成了無源之水，無本之木;片面強(qiáng)調(diào)綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，而忽視認(rèn)知性、方法性實(shí)驗(yàn)的作用，無疑是舍本逐末，因此，基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不可或缺。

1.2 設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)為主要內(nèi)容

大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革永恒的主題。思維方法既需要潛移默化的滲透，也需要有目的的訓(xùn)練。創(chuàng)新源于問題，始于實(shí)踐。設(shè)計(jì)性、綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求和?shí)驗(yàn)條件，以“問題”為中心，要求學(xué)生針對某一些問題自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。要求學(xué)生綜合多門學(xué)科的知識和多種實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，要求學(xué)生掌握從設(shè)定問題到提出和優(yōu)化解決方案，從新理論、新方法、新技術(shù)入手，強(qiáng)調(diào)新思路、新數(shù)據(jù)、新證據(jù)和新認(rèn)識，鼓勵(lì)創(chuàng)新，有效地提高學(xué)生整體的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力［3］。

化工原理實(shí)驗(yàn)具有典型的科學(xué)性、工程性、研究性等特點(diǎn)，復(fù)雜的工程問題，實(shí)用性較強(qiáng)的專題研究實(shí)驗(yàn)往往能激發(fā)學(xué)生的研究興趣和探索熱情。在設(shè)計(jì)性、綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)調(diào)科學(xué)方法教育，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行集中思維與發(fā)散思維，正向思維與逆向思維、整體思維與局部思維、類比思維與聯(lián)想思維，以鍛煉學(xué)生科學(xué)思維方法為落腳點(diǎn)，目標(biāo)則是營造自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐、大膽創(chuàng)新的環(huán)境［4］。

在設(shè)計(jì)性、綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)中，教師只需給出命題或任務(wù)，提供網(wǎng)絡(luò)資源供學(xué)生查找相關(guān)資料，沒有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，沒有操作步驟，以學(xué)生為主、教師為輔，鼓勵(lì)學(xué)生多觀察、勤思考，善于發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題;允許學(xué)生失敗;重視實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的“悖論”［5］。在設(shè)計(jì)性、綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生有了主動(dòng)權(quán)，就可充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，激發(fā)求知欲與創(chuàng)造力;在查找資料過程中，能加深學(xué)生對理論知識的理解，并拓寬了學(xué)生的知識面;在實(shí)驗(yàn)過程中，培養(yǎng)了學(xué)生觀察能力，激發(fā)創(chuàng)造靈感;在失敗中，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，百折不撓的科學(xué)精神;重視“悖論”，既可培養(yǎng)學(xué)生思辮能力，也往往是新發(fā)現(xiàn)的開始。總之，重視設(shè)計(jì)性、綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革，是我國國家人才培養(yǎng)模式改變的重大突破，代表了國家的未來和希望。

2 運(yùn)用科學(xué)方法促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革

實(shí)驗(yàn)室是高校人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)平臺，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要基地，需要大量的資金投入。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，造成實(shí)驗(yàn)室忙時(shí)暴滿，閑時(shí)大半年無人問津的奇怪現(xiàn)象。隨著《化工原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革，尤其是設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)大量增加，資金需求更為巨大，這種矛盾也更加尖銳，亟須改變。因此，改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，建立實(shí)驗(yàn)室開放管理制度，充分發(fā)揮仿真技術(shù)的作用，迫在眉睫。

2.1 改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

《化工原理》實(shí)驗(yàn)需要比較大的資金投入，因此，即使資金雄厚的高校，其每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目臺(套)數(shù)也不過6～7臺(套)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，是一種集中教學(xué)，是在同一實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有時(shí)多達(dá)十幾人一臺套設(shè)備，多數(shù)同學(xué)沒有動(dòng)手機(jī)會，實(shí)際操作能力不能得到鍛煉?！痘ぴ怼穼?shí)驗(yàn)做完后，往往是糊里糊涂的大有人在，還談什么綜合能力的培養(yǎng)。

隨著《化工原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革，改變傳統(tǒng)的集中式實(shí)驗(yàn)教學(xué)為分散式實(shí)驗(yàn)教學(xué)是行之有效的方法。所謂分散式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就是每個(gè)學(xué)生可根據(jù)自己意愿，結(jié)合預(yù)約，參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。分散式實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有許多優(yōu)點(diǎn):①每個(gè)學(xué)生都能參與實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)動(dòng)手能力、觀察能力及與他人的分工協(xié)作能力，鍛煉基本的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc技能。②減少實(shí)驗(yàn)投資。進(jìn)行分散式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，則每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只需1～2臺(套)即可，可節(jié)省大量的資金用于購買設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。③學(xué)生有了主動(dòng)權(quán)，從“要我實(shí)驗(yàn)”改變成“我要實(shí)驗(yàn)”，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性與能動(dòng)性。

2.2 建立實(shí)驗(yàn)室開放制度

以前，高等學(xué)校的大部分實(shí)驗(yàn)室學(xué)生是封閉式的。學(xué)生只能在課程安排的時(shí)間內(nèi)到實(shí)驗(yàn)室做規(guī)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這種封閉式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不利于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力。為此，教育部于2001年正式頒布《關(guān)于加強(qiáng)本科教學(xué)工作的若干意見》，正式提出要在高校建設(shè)開放實(shí)驗(yàn)室。并在本科教育評估體系中也將開放實(shí)驗(yàn)室作為一個(gè)評估指標(biāo)［6］。這樣，實(shí)驗(yàn)室真的成了學(xué)生自己的實(shí)驗(yàn)室，是學(xué)生培養(yǎng)興趣、探索自然、大膽設(shè)想、細(xì)心求證的舞臺。這種可隨時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自習(xí)、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)的制度是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一項(xiàng)重大改革，是為適應(yīng)形式發(fā)展需要，適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革，提高教學(xué)質(zhì)量，切實(shí)增加學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會、選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的制度，為學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮主動(dòng)性、能動(dòng)性、創(chuàng)造性提供條件。有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

2.3 充分發(fā)揮仿真技術(shù)的作用

計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)教學(xué)是一種新型的教學(xué)方法。它以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)上用實(shí)時(shí)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)模型代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)裝置完成實(shí)驗(yàn)操作、采集數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并得出結(jié)果。利用多媒體技術(shù)真實(shí)地再現(xiàn)生產(chǎn)中的基本單元過程，使學(xué)生通過親自動(dòng)手，反復(fù)操作，加深理解化工單元過程及設(shè)備的基本原理、熟練掌握各個(gè)單元過程的實(shí)際操作技能。提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。在分散式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)可作為學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作的重要工具。在設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)又可預(yù)演、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的正確性，可以在一定程度上避免實(shí)驗(yàn)的盲目性。

總之，學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)方法，對未來人才培養(yǎng)、科學(xué)發(fā)展以及社會進(jìn)步至關(guān)重要。《化工原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)集“科學(xué)性、工程性、研究性”于一身，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)貫穿科學(xué)方法教育。在《化工原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式的改革中，始終關(guān)注科學(xué)方法教育，將有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，有利于科學(xué)技術(shù)的研究及社會進(jìn)步，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高和學(xué)校的可持續(xù)發(fā)展。

［1］陳小兵，楊曉明.科學(xué)思維與科學(xué)方法論［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2003:1-36.

［2］陳 洪.科學(xué)的沉思與沉思的科學(xué)［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2008:47-56.

［3］高 燕，夏慶霖，邊建華，等.構(gòu)建“3+1”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力［J］.中國地質(zhì)教育，2009，371:98-100.

［4］趙朝暉，梁 紅，陳 姚，等.設(shè)計(jì)性化工原理實(shí)驗(yàn)的探索與實(shí)踐［J］.化工高等教育，2009，6(110):46-48;52.

［5］潘 嵐.從美國大學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式談實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)改革［J］.中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，10(12):53-55.

［6］湯 芳，倪 靜.開放性實(shí)驗(yàn)室管理研究與實(shí)踐［J］.西北醫(yī)學(xué)教育，2009，17(5):891，947.