理科化學(xué)專業(yè)化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革

賈志謙

(北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 北京 100875)

化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)是相互依存、相互促進(jìn)、共同發(fā)展的兩個(gè)學(xué)科。理科化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，可以通過(guò)學(xué)習(xí)化學(xué)工程學(xué)掌握過(guò)程研究的知識(shí)、方法和技能，使知識(shí)結(jié)構(gòu)更加完整，素質(zhì)和能力更加全面。所以，化學(xué)工程學(xué)是理科化學(xué)專業(yè)的必修課，而化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)研究是化學(xué)工程研究的主要方法，它明顯有別于化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，屬于工程實(shí)驗(yàn)范疇。

1 化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容

我院的化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)包括化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和化工綜合實(shí)驗(yàn)兩部分。化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)質(zhì)是測(cè)量化工參數(shù)[1]，如流動(dòng)阻力系數(shù)、差壓式流量計(jì)流量系數(shù)、對(duì)流傳熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)、理論塔板數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)、停留時(shí)間分布等，要求學(xué)生掌握離心泵、熱交換器、吸收塔、精餾塔、反應(yīng)器、流量計(jì)等設(shè)備和儀表的使用方法。我院將化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、儀器分析實(shí)驗(yàn)、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)合并，稱為化學(xué)測(cè)量與計(jì)算實(shí)驗(yàn)，屬于化學(xué)專業(yè)的必修課?；ぞC合實(shí)驗(yàn)具有綜合型和研究型的特點(diǎn)，我院將化工綜合實(shí)驗(yàn)與其他化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)合并，稱為化學(xué)綜合與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，也是化學(xué)專業(yè)的必修課，要求學(xué)生選作其中2個(gè)實(shí)驗(yàn)。

2 化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)課程的改革

近年來(lái)，我們?cè)诨瘜W(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了一些改革，主要包括：

(1) 完善和更新了化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)共包括7個(gè)實(shí)驗(yàn)(表1)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)為4學(xué)時(shí)，涵蓋了動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和反應(yīng)工程4個(gè)部分；另外，在傳熱實(shí)驗(yàn)中還增加了強(qiáng)化傳熱的內(nèi)容，在吸收實(shí)驗(yàn)中增加了解吸操作。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，采用了國(guó)內(nèi)先進(jìn)的化工實(shí)驗(yàn)裝置(天津大學(xué)化工系研制)，實(shí)驗(yàn)硬件在綜合大學(xué)理科化學(xué)中處于先進(jìn)水平。所有實(shí)驗(yàn)均采用了多種測(cè)量技術(shù)(差壓式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、濕式流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器等)，精餾實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制，力求能反映現(xiàn)代化工生產(chǎn)和科學(xué)研究的最新進(jìn)展，拓寬學(xué)生知識(shí)面，提高學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的能力，并提高他們的綜合素質(zhì)和技能。

(2) 增加了化工綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

根據(jù)教師的科研成果，開發(fā)了若干設(shè)計(jì)和研究型化工綜合實(shí)驗(yàn)(表1)，包括孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)和制作、超濾分離聚乙二醇、膜吸收制備納米材料、反應(yīng)精餾等，涉及膜技術(shù)、過(guò)程耦合、催化等領(lǐng)域，每個(gè)實(shí)驗(yàn)約20學(xué)時(shí)。

在孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)和制作實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)和制作孔板流量計(jì)，以加深對(duì)差壓式流量計(jì)原理的理解，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力；同時(shí)學(xué)習(xí)小型機(jī)床的使用，提高動(dòng)手能力。在超濾分離聚乙二醇實(shí)驗(yàn)中，改進(jìn)了文獻(xiàn)[2]中的用Dragendorff試劑測(cè)定聚乙二醇濃度的方法[3-4]。在膜吸收制備納米材料實(shí)驗(yàn)中[5-6]，使氣液兩相分別在微孔膜兩側(cè)流動(dòng)，互不分散，膜提供了穩(wěn)定而巨大的氣液界面面積，易于實(shí)現(xiàn)線性放大，氣體可被完全吸收，過(guò)程能耗低，克服了傳統(tǒng)的鼓泡攪拌釜反應(yīng)器的缺點(diǎn)，是一種綠色、高效的氣液反應(yīng)器形式。根據(jù)氣液反應(yīng)理論，引導(dǎo)學(xué)生建立連續(xù)操作和半間歇操作的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)液相濃度、氣相分壓、液相流速等對(duì)吸收速率的影響，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較；同時(shí)研究操作條件對(duì)粒子形貌和膜污染的影響規(guī)律。上述綜合實(shí)驗(yàn)反映了化學(xué)工程研究的最新進(jìn)展，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新精神，使學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)得到協(xié)調(diào)發(fā)展。

表1 化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

(3) 修訂了實(shí)驗(yàn)講義和改進(jìn)教學(xué)方法。

在編寫的化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)講義中，首先概括介紹化工實(shí)驗(yàn)的研究方法、數(shù)據(jù)處理方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(正交實(shí)驗(yàn)法)，旨在使學(xué)生掌握化工實(shí)驗(yàn)研究的方法，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析能力。在實(shí)驗(yàn)編寫中設(shè)計(jì)了若干思考題，以幫助學(xué)生深入掌握教學(xué)內(nèi)容。另外，將與每個(gè)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的補(bǔ)充資料以附錄形式附于各實(shí)驗(yàn)后面，以反映實(shí)驗(yàn)的有關(guān)知識(shí)背景，增加可讀性，擴(kuò)大學(xué)生知識(shí)面。

化工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等內(nèi)容較為枯燥，集中講授往往效果不佳。我們將該部分內(nèi)容分散在各實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)講授，取得了較好效果。另外，在教學(xué)中注意創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。例如，在流體流動(dòng)阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，提出以下問題： “在化工設(shè)計(jì)中，需要計(jì)算管路流動(dòng)阻力，這就需要知道直管阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線，以及閥門、彎頭等的局部阻力系數(shù)。如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定這些阻力系數(shù)呢？”在離心泵特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，提出“如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定離心泵特性曲線？如何根據(jù)特性曲線選泵呢？”在利用內(nèi)循環(huán)無(wú)梯度反應(yīng)器測(cè)定反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，提出“如果你研制出了新的固相催化劑，如何測(cè)定反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)以表征催化活性呢？”在超濾分離聚乙二醇實(shí)驗(yàn)中，提出“在分離回收溶液中的聚乙二醇時(shí)，可以采用蒸發(fā)、萃取等方法，但能耗較高，還有沒有其他更好方法呢？”這些問題可以啟發(fā)并引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)的意義、目的和原理，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(4) 改進(jìn)教學(xué)評(píng)價(jià)方法。

實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括預(yù)習(xí)、操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、考試等，在課程結(jié)束后進(jìn)行閉卷考試，以考察學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和技能的掌握情況，使學(xué)生更加重視化工實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)。

通過(guò)上述改革措施，進(jìn)一步提高了化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，使我院化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在國(guó)家化學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心建設(shè)中發(fā)揮了積極作用。

[1] 教育部理科化學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).大學(xué)化學(xué),1999,14(2):9

[2] 時(shí)鈞,袁權(quán),高從堵.膜技術(shù)手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001

[3] Jia Z Q,Tian C.Desalination,2009,247:423

[4] 賈志謙.大學(xué)化學(xué),2007,22(5):33

[5] Jia Z Q,Chang Q,Qin J,etal.JMembrSci,2009,342:1

[6] Jia Z Q,Chang Q,Qin J,etal.JMembrSci,2010,352:50