《化工原理》課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

劉紅姣，路 平

（江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

《化工原理》作為化工及其相近專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)計(jì)劃中起著從理論到實(shí)踐，從基礎(chǔ)到專業(yè)的橋梁作用，理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)［1］。其特點(diǎn)是：知識面廣，工程實(shí)踐性強(qiáng)。該課程一直是老師難教、學(xué)生怕學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)該課程教學(xué)效果的好壞對學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)有著重要的影響。因此，筆者在多年《化工原理》課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，對該課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探索與實(shí)踐，并取得了一定的效果。

1 《化工原理》課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

《化工原理》涉及的知識面廣，各種操作原理和現(xiàn)象抽象，難于理解，計(jì)算過程中大量利用公式、半經(jīng)驗(yàn)公式或關(guān)聯(lián)式，且操作設(shè)備類型多樣復(fù)雜。學(xué)生面對抽象難懂的現(xiàn)象和原理，上課也極易開小差、打瞌睡，幾節(jié)課下來，稍不留神，就會(huì)有學(xué)生感覺像在聽天書。針對這種現(xiàn)象，筆者分析了《化工原理》課程教學(xué)現(xiàn)狀，目前存在的問題主要有以下幾點(diǎn)。

1.1 教學(xué)互動(dòng)不足

《化工原理》實(shí)際的授課方式基本是滿堂灌，即“講授＋練習(xí)”，老師先講授理論知識，給出相關(guān)的例題，然后布置作業(yè)，師生之間缺乏必要的討論與互動(dòng)。而且由于學(xué)生缺乏相關(guān)的工程背景知識，完成作業(yè)也只能照葫蘆畫瓢，難以深入和認(rèn)真把握相關(guān)理論知識及其應(yīng)用［2］。

1.2 工程觀念不足

《化工原理》是一門與生產(chǎn)實(shí)踐緊密相關(guān)的工程學(xué)科，是理論知識和實(shí)踐活動(dòng)之間的一座橋梁，其主要特征是設(shè)備結(jié)構(gòu)幾何形狀的復(fù)雜性以及物料性質(zhì)的多樣化，處理這樣的生產(chǎn)問題純粹的理論知識顯得捉襟見肘?，F(xiàn)有的授課方式大部分與理科課程基本相同，強(qiáng)調(diào)工程背景明顯不足。這樣，大部分學(xué)生由于缺乏對工程現(xiàn)象和問題的認(rèn)識和了解，學(xué)起來很困難，面對實(shí)際問題更是束手無策。

1.3 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化和更新不足

《化工原理》教材是以流體輸送、化工傳熱、精餾、吸收、干燥等化工單元操作為主要內(nèi)容，經(jīng)過近百年的發(fā)展，形成了一套完整嚴(yán)密的理論體系，在教學(xué)方面給老師和學(xué)生都提供了極大的方便［3］。隨著時(shí)代的發(fā)展，秉著把時(shí)間還給學(xué)生、學(xué)為所用的目標(biāo)，必須對該課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新和整合。

2 教學(xué)內(nèi)容的整合和優(yōu)化

由于《化工原理》課程涉及知識面廣、內(nèi)容多、難度大，在學(xué)時(shí)一再壓縮的情況下，整個(gè)教學(xué)過程圍繞進(jìn)度疲于奔命，很難談得上有好的教學(xué)效果［4］。針對以上情況，筆者在教學(xué)改革中精簡內(nèi)容，突出重點(diǎn)，強(qiáng)化工程觀念，引入該領(lǐng)域最新發(fā)展動(dòng)向，使學(xué)生在真正掌握單元操作基本原理的基礎(chǔ)上，能較好地分析和解決實(shí)際問題。

2.1 強(qiáng)化專業(yè)基礎(chǔ)理論

筆者根據(jù)《化工原理》課程的特點(diǎn)，將教材內(nèi)容分成3 部分：課堂講授部分、學(xué)生自學(xué)部分和學(xué)生選讀部分。課堂講授部分作為基本要求內(nèi)容，也是《化工原理》的理論核心，由教師在教學(xué)計(jì)劃的學(xué)時(shí)內(nèi)組織課堂教學(xué)。學(xué)生自學(xué)部分由學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，按照自學(xué)提綱和自學(xué)問題的要求，利用課外時(shí)間進(jìn)行自學(xué)，老師課堂總結(jié)，作為一般要求內(nèi)容（自學(xué)提綱和自學(xué)問題通過QQ布置給學(xué)生，學(xué)習(xí)情況通過自學(xué)問題的完成情況進(jìn)行評定）。學(xué)生選讀部分由學(xué)生根據(jù)自己的興趣和能力，根據(jù)老師給出的學(xué)習(xí)建議和參考書進(jìn)行課外選讀，不作要求。以傳熱為例，3 部分的內(nèi)容分別如表1 所示。

表1 傳熱教學(xué)內(nèi)容分類表

將教學(xué)內(nèi)容分類講授后，老師不再由于學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多而導(dǎo)致一些基本的原理無法深入，課堂也不再是老師趕時(shí)間的滿堂灌，可以在課堂上采用討論、質(zhì)疑等互動(dòng)式的教學(xué)模式。提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對單元操作的基本原理的理解。唯有如此，學(xué)生才能以不變應(yīng)萬變，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

2.2 注重工程觀念

對于課堂講授內(nèi)容，針對化工原理課程的特點(diǎn)，精心教學(xué)設(shè)計(jì)，將基礎(chǔ)理論與工程理念巧妙結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

2.2.1 加強(qiáng)共性分析 在講述《化工原理》基本理論知識模塊的過程中，突出基本概念與各單元操作的共性規(guī)律，把握單元操作的內(nèi)在聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。比如，對于動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，過程的描述方法都是通過物料衡算和熱量衡算的聯(lián)立，其過程速率均可表示為推動(dòng)力除以阻力，而過程的強(qiáng)化本質(zhì)上都是提高過程速率，不外乎提高推動(dòng)力和減小阻力兩種途徑。而且描述動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和傳質(zhì)的3大定律：牛頓粘性定律、傅立葉定律和費(fèi)克定律表達(dá)形式相似，計(jì)算過程中也采用類似的數(shù)學(xué)方法［5］。

通過對各個(gè)單元操作的共性分析，一方面使學(xué)生在接觸新的單元操作時(shí)更容易進(jìn)入狀態(tài)，也加深了對以前講過的知識點(diǎn)的理解；另一方面讓學(xué)生了解處理工程問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。

2.2.2 突出應(yīng)用能力的培養(yǎng) 應(yīng)用能力的培養(yǎng)應(yīng)貫穿在教學(xué)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。例如理論講解中，在推導(dǎo)流體阻力計(jì)算公式時(shí)，流體在圓形直管內(nèi)層流流動(dòng)和流體在圓形直管內(nèi)湍流流動(dòng)阻力研究方法的對比，讓學(xué)生了解對實(shí)際過程的分析簡化，影響因素主次取舍的方法，并在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生分析討論計(jì)算對流傳熱系數(shù)的方法。又如在習(xí)題設(shè)計(jì)上，學(xué)完第一章流體輸送，筆者針對學(xué)生的能力差異，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)不同的管路系統(tǒng)，并要求給出各段管路和管件的基本參數(shù)，運(yùn)用伯努利方程進(jìn)行合理性檢驗(yàn)等。無論是在理論的講解，還是習(xí)題設(shè)計(jì)或是案例分析中，都要突出基礎(chǔ)理論和方法的應(yīng)用，既加深了對基礎(chǔ)理論的理解和記憶，又實(shí)現(xiàn)了課本學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用的有機(jī)統(tǒng)一，在解決問題的同時(shí)讓學(xué)生感受到基礎(chǔ)理論的作用和工程方法的魅力，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念和解決實(shí)際問題的能力［6－7］，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.3 引入專業(yè)領(lǐng)域的前沿知識

對于《化工原理》課程教學(xué)內(nèi)容，一方面要精簡課堂講授內(nèi)容；另一方面，為了豐富教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓寬視野，在課程的相應(yīng)章節(jié)也要大膽增加部分新內(nèi)容，包括新技術(shù)、新設(shè)備，緊跟時(shí)代的發(fā)展，如膜分離技術(shù)、超臨界流體萃取技術(shù)、新型傳熱設(shè)備和傳質(zhì)設(shè)備等。在教學(xué)中穿插單元操作的新進(jìn)展、新動(dòng)向［2］，及時(shí)反映現(xiàn)代化工科技的新成就和最新研究成果。在知識的更新拓寬中融入工程理念：一方面讓學(xué)生了解學(xué)科的最新動(dòng)態(tài)，拓展學(xué)生視野；另一方面讓學(xué)生明了科學(xué)技術(shù)日新月異，但其都根植于那些并不深?yuàn)W的基礎(chǔ)理論和并不復(fù)雜的研究方法之中［8］。強(qiáng)化了學(xué)生分析問題的能力，激發(fā)了他們創(chuàng)新的信心和熱情。

3 教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革

3.1 教學(xué)課時(shí)分配的改革

為了改變滿堂灌和枯燥單調(diào)的課堂氛圍，筆者采取了老師和學(xué)生共同討論，大膽增加學(xué)生講授部分課程內(nèi)容環(huán)節(jié)。其基本前提條件是：在老師講授必要的基礎(chǔ)理論的情況下，采取老師和學(xué)生共同講授和探討的方式，增加師生互動(dòng)性，對提高學(xué)生興趣和主觀能動(dòng)性，提高課堂教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

《化工原理》上冊理論課為40 學(xué)時(shí)，教師講授30 學(xué)時(shí)，采取案例式、啟發(fā)式和討論式教學(xué)。主要講授單元操作的基本原理，并就一些基本理論的應(yīng)用展開討論，要求每個(gè)學(xué)生參與討論，采取學(xué)生主動(dòng)提問和老師提問相結(jié)合的方式，根據(jù)討論情況老師給出不同的評分。

學(xué)生講授10 學(xué)時(shí)，具體內(nèi)容見表2。對于學(xué)生講授的部分，在老師的安排和引導(dǎo)下，將一部分課程內(nèi)容和相關(guān)資料交給學(xué)生，讓學(xué)生以小組的形式完成PPT 的制作，由學(xué)生代表上臺講授，其余同學(xué)補(bǔ)充、糾正，老師和全體同學(xué)參與提問并進(jìn)行討論，最后老師對學(xué)生講解的內(nèi)容進(jìn)行點(diǎn)評和小結(jié)。通過對課程內(nèi)容的講解，學(xué)生慢慢學(xué)會(huì)了如何用通俗易懂、簡單明了的語言把問題講清楚，學(xué)習(xí)由被動(dòng)接受變?yōu)橹鲃?dòng)思考，活躍了課堂氣氛，培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析資料的能力和口語表達(dá)能力。

表2 2012 春季2010 級過程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生講授內(nèi)容

3.2 采用啟發(fā)式教學(xué)方式

啟發(fā)式教學(xué)就是通過某種方式讓學(xué)生參與教學(xué)并能引導(dǎo)學(xué)生思考的教學(xué)方式，如討論、問問題等。問題教學(xué)法是通過問答增加學(xué)生參與的機(jī)會(huì)，刺激學(xué)生積極思考。筆者為了隨時(shí)捕捉學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，問題教學(xué)法有時(shí)會(huì)貫穿整個(gè)課堂：回憶式提問、分析式提問、運(yùn)用式提問和評價(jià)式提問等。大多問題都會(huì)在課前設(shè)計(jì)好，有時(shí)也會(huì)根據(jù)課堂具體情況臨時(shí)提問。有時(shí)也會(huì)就某些問題，引導(dǎo)學(xué)生展開討論。課后筆者在每一個(gè)知識點(diǎn)都會(huì)精心設(shè)計(jì)一兩個(gè)與本知識點(diǎn)相關(guān)的熱點(diǎn)問題的發(fā)展趨勢、存在的問題等，讓學(xué)生帶著問題在好奇心的驅(qū)使下去查資料和復(fù)習(xí)。

通過設(shè)計(jì)問題，引導(dǎo)學(xué)生討論，將一言堂變?yōu)槿貉蕴煤?，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有的學(xué)生在解決問題過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)新的問題，進(jìn)而激發(fā)他們的鉆研精神。

3.3 采用案例教學(xué)法

案例教學(xué)法是以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方法［8］。利用案例教學(xué)，把工程應(yīng)用作為課程基本理論知識的載體和擴(kuò)充。通過案例，可以很系統(tǒng)地剖析如何運(yùn)用基本理論去解決工程實(shí)際問題。例如：在泵向水塔輸水過程中如何選泵、如何確定管徑和流速等才最經(jīng)濟(jì)適用？在水塔供水時(shí)如何布置水管才能保證任何一家用水對其他用戶的影響很??？對于有高度限制的廠房不用泵，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)管路？對于設(shè)計(jì)好的換熱器，當(dāng)用自來水作冷卻介質(zhì)時(shí)，在冬季和夏季如何保證物料的出口溫度以及如何處理換熱器的結(jié)垢問題和精餾塔的改造問題等。

在案例教學(xué)過程中，筆者主要是引導(dǎo)學(xué)生自主探究解決問題，更多的是起一個(gè)向?qū)ё饔?，其操作基本流程如圖1 所示。每個(gè)學(xué)生根據(jù)在案例探討小組扮演的角色選擇不同的案例，整理成書面總結(jié)或研究報(bào)告上交評分。通過對案例的分析和討論，提高了學(xué)生應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)讓他們感覺化工原理就在身邊，改變了“化工原理太深?yuàn)W，學(xué)了沒用”的觀念，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高了教學(xué)效果。

圖1 案例教學(xué)基本流程

3.4 現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)輔助教學(xué)

《化工原理》中很多單元操作的基本規(guī)律、化工現(xiàn)象和生產(chǎn)設(shè)備等會(huì)讓學(xué)生感到比較抽象，不容易理解，也無法用實(shí)物在課堂上進(jìn)行演示。以往的教學(xué)課件主要以文字為主，制作形式簡單枯燥，既不能很好地表達(dá)單元操作的基本原理和生產(chǎn)設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，也很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。在教學(xué)改革中，筆者在現(xiàn)有課件的基礎(chǔ)上，自制（有些是在工廠實(shí)習(xí)拍的照片）或在網(wǎng)上下載了大量的視頻和動(dòng)畫，通過合適的動(dòng)畫和視頻等形式動(dòng)態(tài)地展示各種單元操作的基本原理和化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理、物料走向、操作工況等。如：流體流動(dòng)中層流和湍流以及邊界層的分離現(xiàn)象、換熱器的結(jié)構(gòu)和工作過程、塔內(nèi)氣液熱質(zhì)交換現(xiàn)象等。給學(xué)生以很強(qiáng)的實(shí)物感，豐富了課堂內(nèi)容，增強(qiáng)了學(xué)生對基本原理和實(shí)際操作設(shè)備的理解和感受，有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高了教學(xué)效果。

4 改革考核評價(jià)體系

以往的考核體系主要由考試成績（70%）和平時(shí)成績（30%）構(gòu)成，平時(shí)成績一般由課堂表現(xiàn)和平時(shí)作業(yè)組成，這樣的評定方式勢必發(fā)展為應(yīng)試教育。筆者根據(jù)《化工原理》課程的特點(diǎn)，為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，訓(xùn)練學(xué)生的工程意識，設(shè)計(jì)的考核成績比例分配如表3 所示。學(xué)生的學(xué)習(xí)成績體現(xiàn)在教學(xué)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，需要學(xué)生平時(shí)主動(dòng)去爭取，改變以往平時(shí)抄作業(yè)，考試突擊復(fù)習(xí)，考完還給老師的局面，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生真正融入課堂。

表3 課程成績分配表

5 結(jié)語

在多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，筆者對《化工原理》從課堂教學(xué)內(nèi)容、方式和手段到考核評價(jià)體系進(jìn)行了教改實(shí)踐，取得了良好的效果。

1）通過整合教學(xué)內(nèi)容，夯實(shí)了理論基礎(chǔ)，同時(shí)緩解了課程內(nèi)容增多和學(xué)時(shí)減少的矛盾，在較短的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)，向?qū)W生傳授更多更新的知識，拓寬了學(xué)生知識面。

2）通過教學(xué)方法和考核評價(jià)體系的改革，變單純知識傳授和應(yīng)試為對學(xué)生綜合能力的訓(xùn)練和考察，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力。

當(dāng)然，教學(xué)改革并非一蹴而就，在改革過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。筆者將依據(jù)工科學(xué)生的特點(diǎn)和課程性質(zhì)，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷完善，努力提高教學(xué)水平。

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