基于工程實踐能力培養(yǎng)的化工原理實驗教學(xué)模式的研究與探索

焦緯洲，劉有智，袁志國，祁貴生，高 璟

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

化工原理課程是為培養(yǎng)面向21世紀高等化工創(chuàng)新人才的學(xué)科基礎(chǔ)教育課程，是化學(xué)工程與工藝、制藥工程、應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境工程、生物工程等專業(yè)及其相近專業(yè)的一門主干課程，是學(xué)生在具備了必要的高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、物理化學(xué)、計算技術(shù)基礎(chǔ)知識之后必修的專業(yè)基礎(chǔ)課?；ぴ淼闹饕芯績?nèi)容是以化工生產(chǎn)中的物理加工過程為背景，以“三傳”為主線，分成若干單元操作。研究不同典型單元操作過程的基本原理和常用設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)、選型及工藝尺寸的計算?；ぴ碚n程是一門實踐性較強的課程[1-3]，通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)使學(xué)生牢固建立起“單元操作”的概念，樹立起“工程化”思想，培養(yǎng)學(xué)生工程分析方法及獨立分析問題和解決問題的能力[4-7]。通過系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)與實踐，使學(xué)生具有一定的工程設(shè)計能力，為未來的工作和后繼課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

化工原理實驗屬于工程實驗范疇，不同于前置課程實驗的是它具有工程的特點，每個單元操作實驗就相當(dāng)于化工生產(chǎn)中的一個基本過程，通過它能建立起一定的工程概念。同時，隨著實驗課的進行，會遇到大量的工程實際問題，對理工科學(xué)生來說可以從做實驗過程中更實際、更有效地學(xué)到更多工程實驗方面的原理及測試手段，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的真實設(shè)備與工藝過程同描述這一個過程的數(shù)學(xué)模型之間的關(guān)系，也可以認識到對于一個看似復(fù)雜的過程，一經(jīng)了解，可以只用最基本的原理來解釋和描述。因此，化工原理實驗不僅是驗證化工原理的基本理論，加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，更為重要的還在于對未來的科技工作者進行實驗方法、實驗技能的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)獨立組織和完成實驗的能力及嚴肅認真的工作作風(fēng)和實事求是的科學(xué)態(tài)度，為將來從事科學(xué)研究和解決工程實際問題打基礎(chǔ)[8-11]。

1 化工原理實驗教學(xué)的存在問題

目前，我校化工原理實驗教學(xué)中存在的不足有：

(1) 實驗預(yù)習(xí)中，學(xué)生被動學(xué)習(xí)，學(xué)生大多把化工原理實驗教材的內(nèi)容復(fù)制到預(yù)習(xí)報告中，主動學(xué)習(xí)的主體地位體現(xiàn)不明顯；

(2) 實驗過程中，教師講，學(xué)生照方抓藥，教會學(xué)生的是模仿，養(yǎng)成學(xué)生的是惰性，達不到培養(yǎng)學(xué)生動手能力、觀察發(fā)現(xiàn)能力、思維創(chuàng)造能力的效果；

(3) 化工原理實驗是一門實踐性課程，學(xué)生的工程化思想淡薄，不能很好地用所學(xué)知識解決現(xiàn)實中的實際問題，達不到理論指導(dǎo)實踐，有待進一步強化；

(4) 學(xué)生對化工原理實驗缺乏興趣，對身邊的化工知識了解甚少。

2 化工原理實驗教學(xué)改革與探索

2.1 轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)觀念，突出學(xué)生的主體地位

傳統(tǒng)中國式的教育方式是教師的嚴肅之態(tài)和填鴨式的教學(xué)。教師在講臺進行授課，學(xué)生在下面被動接受知識，缺乏師生間的互動和討論，注重了學(xué)生“學(xué)什么”，而忽視了學(xué)生“如何學(xué)”的重要性，這樣使得學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性不高。實驗結(jié)束后，很多學(xué)生感到就是按照書上的順序去操作了一下閥門，讀了幾個數(shù)據(jù)，對所做的內(nèi)容，為何如此操作及所操作的設(shè)備并不了解。因此，激發(fā)學(xué)生的主體地位，必須轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)觀念，變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”，真正做到以學(xué)生為主體。

在教師的指導(dǎo)下，要求學(xué)生主動參與，自由思考，解決問題，把實驗教學(xué)效率作為教改的主要問題，向?qū)嶒灲虒W(xué)要質(zhì)量，向?qū)嶒灲虒W(xué)要效率。要轉(zhuǎn)變觀念，不要認為提出不同意見是對教師不敬，要多對學(xué)生的提問持肯定、鼓勵和表揚態(tài)度，做到即時反饋；同時注重師生間的互動，教師和學(xué)生共同討論、互相學(xué)習(xí)，實驗教學(xué)效率高。在實驗教學(xué)過程中采用啟發(fā)式、討論式、探索式等方式，在實現(xiàn)“授”與“受”統(tǒng)一的同時，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力和學(xué)習(xí)能力?；ぴ響?yīng)是化工類本科生所需要的基本知識、基本技能、基本工具。在教學(xué)過程中應(yīng)該突出“一突三變”：突出學(xué)生的主體地位；由單純接受知識轉(zhuǎn)向接受與探索相結(jié)合；由培養(yǎng)知識型人才轉(zhuǎn)向培養(yǎng)智能型人才；由“要我學(xué)”為主轉(zhuǎn)向“我要學(xué)”為主。

2.2 創(chuàng)設(shè)問題情境，培養(yǎng)學(xué)生動手和觀察能力以及分析和解決問題的能力

在實驗前教師的準備工作要“精心”，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗有意識地選留一些實驗中經(jīng)常發(fā)生的問題或?qū)W生通常會犯的錯誤(要注意這些問題不能影響到實驗室的安全性或損壞實驗設(shè)備)，讓學(xué)生在實驗中去發(fā)現(xiàn)、去思考。同時實驗教師不必先進行“預(yù)演”。事實證明，教師的演示教會學(xué)生的是模仿，達不到培養(yǎng)學(xué)生動手能力、觀察發(fā)現(xiàn)能力、思維創(chuàng)造能力的效果。教師應(yīng)在學(xué)生預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，抓住關(guān)鍵問題進行總結(jié)性講解，同時提醒學(xué)生注意實驗安全事項，然后要放手讓學(xué)生去動手、去思考、去摸索，要允許學(xué)生犯錯誤。

如在化工原理中的離心泵實驗，學(xué)生往往會忘了“灌泵”，當(dāng)啟動泵后，水就出不了。造成這一現(xiàn)象的原因是多方面的，譬如“氣縛”、管道堵塞、閥門未開等，要讓學(xué)生現(xiàn)場分析并進行仔細的檢查，自己找到答案,這時學(xué)生對泵的“氣縛”現(xiàn)象會有更深的理解和記憶[12]。再如化工原理中的過濾實驗(正壓操作)，學(xué)生往往在裝配過濾裝置時，將濾布、板框等安裝好后進行固定，實驗裝置往往沒有擰緊，致使實驗一開始料漿便噴射出來。通過這個實驗，讓學(xué)生意識到設(shè)備緊固的重要性，若固定時4個角的螺絲不注意對角擰緊，可能造成板框變形和密封圈擰爛等，這在工業(yè)上大型法蘭的緊固時特別重要，因此要給學(xué)生講解緊固時的注意事項：

(1) 要對角擰，保持受力均衡；

(2) 緊固時，一下子擰緊容易造成設(shè)備變形，更起不到密封的作用，因此每個螺絲要分別擰幾扣，然后依次對角再擰緊，這樣不僅保持整個平面受力均衡，同時不容易變形，也起到了密封的作用。

2.3 實驗教學(xué)中，貫穿“化工在我身邊”的教學(xué)理念

“化工原理”課程具有概念多、知識點分布廣、公式繁多、實踐性和應(yīng)用性強等特點，由于學(xué)生對身邊的化工知識和工程實踐了解甚少，所學(xué)知識與實際生活聯(lián)系不起來，致使學(xué)生對課程沒有興趣，也將會直接影響學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)效果。因此，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，是提高化工原理實驗教學(xué)質(zhì)量的重要手段。

在實驗教學(xué)中，將身邊的化工原理知識給學(xué)生進行講解，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊的化工知識，貫穿“化工在我身邊”的教學(xué)理念，設(shè)置或引用一些問題，特別是與實際生活相關(guān)的問題，讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)化工原理很重要，很有用。通過學(xué)習(xí)化工原理，使學(xué)生可以利用所學(xué)的新知識來解決這些問題，達到提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提升學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望。比如在流動阻力實驗時，設(shè)問為什么“西氣東送”過程中，每隔一段距離之后，就需要建一個加壓站？加壓站的作用是什么？在傳熱系數(shù)測定的實驗時，設(shè)問“今冬麥蓋三層被，來年枕著饅頭睡”的本質(zhì)含義是什么？在講解對流傳熱時，設(shè)問為什么夏天打開空調(diào)會感覺比較涼爽[13]？在吸收實驗過程中，設(shè)問為什么打開汽水或可樂的瓶蓋，會有氣泡冒出？

隨著全社會環(huán)保意識的提高，教學(xué)也強調(diào)綠色化學(xué)化工的要求，實驗過程中避免或減少對環(huán)境產(chǎn)生污染，將綠色環(huán)保意識融入實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，改進實驗內(nèi)容。如化工原理的“填料塔吸收實驗”，是用水吸收氨進行填料塔吸收實驗的，由于出塔尾氣和塔底吸收液中均含有一定濃度的氨氣，不僅對實驗室環(huán)境造成較大危害，也對周邊的教學(xué)環(huán)境有較大影響。現(xiàn)在通過適當(dāng)?shù)膶嶒炑芯亢透倪M，將塔底吸收液收集起來，并將塔頂尾氣通入吸收液中，將吸收液作為校園花草樹木的氮肥，既解決了環(huán)境污染問題，達到了綠色環(huán)保作用，又提高了學(xué)生“能用自己所學(xué)知識做有益于社會、能解決具體實際問題”的自豪感和成就感。學(xué)生通過這一改進實驗，既增強了環(huán)保意識，又提高了學(xué)習(xí)興趣。

通過系列課堂教學(xué)與日常生活結(jié)合起來，讓學(xué)生感受到化工就在身邊，用所學(xué)知識可以解決很多問題，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。在實驗教學(xué)中，強化樹立學(xué)生的工程化思想，將身邊的化工原理知識與實驗內(nèi)容結(jié)合起來給學(xué)生進行講解，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊的化工知識，貫穿“化工在我身邊”的教學(xué)理念。

2.4 實行開放式實驗教學(xué)

實驗室開放是實施開放式實驗教學(xué)的基礎(chǔ)和必要條件，有著豐富的內(nèi)涵和多元化的形式，一方面是實驗室儀器設(shè)備和實驗項目的開放；另一方面是實驗室時間和空間的開放。更深層次的開放還在于實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、實驗形式和教學(xué)理念的開放，讓學(xué)生能夠真正做到自主學(xué)習(xí)[14]。

良好的開放式實驗教學(xué)環(huán)境和條件，有利于將實驗室有限的實驗資源、教學(xué)空間以及有限的內(nèi)容、時間進行拓展和延伸；有利于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和潛能的充分發(fā)揮；有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和個性化發(fā)展。為此，我校以具體實驗類別為基礎(chǔ)，以知識的內(nèi)在聯(lián)系為出發(fā)點，將原高分子化學(xué)、高分子物理、化工原理、分析測試、化工儀表和計算機仿真等實驗室整合成了化工基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心，促進了開放式管理和實驗資源優(yōu)化配置，為良好的開放式實驗環(huán)境創(chuàng)造了條件，也為每年舉辦的?；ぜ寄艽筚惖於宋镔|(zhì)基礎(chǔ)。

在實驗時間上，實驗中心將每學(xué)期的后10周全部開放，前半學(xué)期根據(jù)學(xué)生需要靈活開放。對于基礎(chǔ)和綜合性實驗，學(xué)生通過網(wǎng)上提前1周預(yù)約；對于設(shè)計研究型實驗，學(xué)生需提前2周預(yù)約，以便于準備相關(guān)設(shè)備、材料和安排指導(dǎo)。同時將化工原理實驗由原來的12個擴展至18個，學(xué)生可根據(jù)興趣愛好進行選做，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

2.5 實驗考核的改革

傳統(tǒng)的實驗考核多以學(xué)生的實驗報告為依據(jù)，這種考評方法容易忽略學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和綜合能力，不利于評價學(xué)生的綜合素質(zhì)?；诖?，強化實驗考核力度，實驗課的成績考核包括實驗教學(xué)的整個過程，包括實驗前準備(預(yù)習(xí))、實驗中的操作和實驗報告3個環(huán)節(jié)。首先，在實驗開始前對學(xué)生的預(yù)習(xí)情況、實驗態(tài)度、回答實驗問題的準確性等環(huán)節(jié)進行考核；其次，是對學(xué)生實驗過程中實驗操作的規(guī)范性、實驗中發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的能力等的考核；最后，是對學(xué)生的實驗結(jié)果以及對實驗結(jié)果的分析與討論、實驗報告、實驗成敗的分析、對所用實驗裝置的評價和設(shè)計改進措施等進行考核。根據(jù)學(xué)生在各個環(huán)節(jié)中的實際表現(xiàn)與能力水平客觀真實地給出預(yù)習(xí)分、操作分和實驗報告分，總成績由這3個方面按一定比例計算。3項成績分別占總成績的30%、30%、40%。這種考評方法不僅能較好地反映學(xué)生的綜合素質(zhì)，也能使學(xué)生重視實驗課程的學(xué)習(xí)并養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

3 結(jié)束語

化工原理實驗教學(xué)對于工科學(xué)生工程素養(yǎng)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要作用，對學(xué)生工程意識、實驗技能、科研能力和綜合素質(zhì)能力的提高是理論教學(xué)無法代替的。實驗教學(xué)作為教學(xué)改革的一個重要組成部分也在不斷創(chuàng)新與完善，實驗教學(xué)在培養(yǎng)能夠適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展需要和有創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才中將發(fā)揮越來越重要的作用。

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