項目驅(qū)動法在化工原理課程教學中的實踐與創(chuàng)新

吳志國 曹井國 楊希越 王耀環(huán)

（天津科技大學，天津 300457）

項目驅(qū)動法在化工原理課程教學中的實踐與創(chuàng)新

吳志國 曹井國 楊希越 王耀環(huán)

（天津科技大學，天津 300457）

針對化工原理傳統(tǒng)教學在培養(yǎng)學生工程實踐能力方面存在的問題，提出了以學生為主體的項目驅(qū)動教學方法，其目的是將工程實踐項目作為課堂教學和實驗實踐教學的紐帶，在強化學生對化工原理理論知識學習的同時，培養(yǎng)學生的工程觀念和團隊合作能力，從而解決工程實際問題[A4]。論文具體闡述了項目驅(qū)動教學法的基本思路，以及項目的具體實施及考核要求。項目驅(qū)動教學法有助于培養(yǎng)創(chuàng)新型的大化類應用型人才。

項目驅(qū)動教學法；化工原理；文丘里管；工程觀點

化工原理課程是大化類專業(yè)的一門專業(yè)基礎課。它在基礎課與專業(yè)課之間，起著重要的“橋梁”作用?；ぴ碚n程具有以下特點：首先，工程實踐性強。化工原理研究的對象是實際工程問題，而解決問題的方法手段也多從工程角度出發(fā)，不同的單元操作都有相應的工程設備與其對應?；ぴ斫虒W旨在使學生初步養(yǎng)成良好的工程思維和工作習慣，提高分析解決化工生產(chǎn)中實際問題的能力。因此，該課程特別強調(diào)的是理論與實踐相結(jié)合。其次，綜合應用性強?；ぴ碚n程教學內(nèi)容主要涉及流體流動、傳熱和傳質(zhì)的基本原理及主要單元操作典型設備的原理、結(jié)構(gòu)、設計、選型、操作等內(nèi)容，該課程應用數(shù)學、物理、物理化學和化學學科中的原理知識來解決生產(chǎn)中的實際問題，有極強的理論性與綜合性。

基于以上化工原理課程特點，學生在接觸這門課后，存在畏懼心里，加之不了解實際工程，普遍認為較難掌握。另一方面，隨著社會、企業(yè)對培養(yǎng)出的人才的工程實踐能力提出了更高要求，使課程教學改革迫在眉睫。針對以上情況，筆者通過教學實踐探索，提出在傳統(tǒng)化工原理教學基礎上融入項目驅(qū)動教學方法，提高化工原理課程的教學效果，培養(yǎng)學生的工程觀點和工程實踐能力。

一、項目驅(qū)動教學法的理念與思路

項目驅(qū)動教學（Project Based Teaching）模式是一種建立在建構(gòu)主義（Constructivism）教學理論基礎之上的教學法。同時，也是 CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate，即構(gòu)思、設計、實現(xiàn)、運行）理念所倡導的教學模式[1-2]。與傳統(tǒng)教學方式不同，項目驅(qū)動教學模式要求以學生為中心，充分發(fā)揮學生的主動性、積極性和創(chuàng)新精神，使學生置身于探索知識的情境之中。教師在項目驅(qū)動教學過程中要適時引導和啟發(fā)學生，解決學生在學習和項目實踐過程中存在的共性和個性問題[3]。項目驅(qū)動教學模式的基本思想就是將學生的學習與實際工程項目相結(jié)合，師生通過共同完成一個與教學相關(guān)的“項目”而逐步深入、全面展開教學活動，通過探究問題和解決問題來提高學生的學習興趣，進而樹立他們的信心，培養(yǎng)他們的能力[4]。

如圖1a所示為項目驅(qū)動教學的一般思路。首先根據(jù)學生專業(yè)選擇、設計好項目，使學生明確學習目的，帶著項目任務進行理論學習和實踐學習?；A層的學習通過課堂教學和查閱文獻等方式進行，其目的是要夯實學生的理論基礎知識和拓展學生思維。課堂教學主要以教師的教學為主，而查閱文獻主要以學生為主，在閱讀文獻的過程中讓學生了解專業(yè)和學科的發(fā)展；應用層的學習以學生為主體，通過驗證性實驗教學培養(yǎng)學生的實驗基本技能和工程操作能力，在驗證性實驗的基礎上，教師指導學生自主設計實驗方案和設備的操作參數(shù)，以訓練學生初步的工程設計能力；創(chuàng)新層的學習以項目實踐為目的，以學生為主體，通過理論與實踐結(jié)合完成設計的相關(guān)項目。在項目的實施和完成過程中，使學生對已學習到的理論知識和實驗技能融會貫通，最終通過獲得定型設計產(chǎn)品等方式實現(xiàn)知識技能學習的升華，使學生的實踐能力和創(chuàng)新能力得到全面鍛煉和提高。

圖1 項目驅(qū)動教學法的一般思路（a）與具體項目實施（b）

二、項目驅(qū)動法在化工原理教學中的實踐

1.項目選擇和設計

合理選擇項目是化工原理項目驅(qū)動教學的核心，也是提高學生學習興趣，培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)與能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)課程特點和學生專業(yè)，項目的選擇來源主要有以下三個方面。

（1）提升素養(yǎng)——培養(yǎng)學生專業(yè)素質(zhì)的項目課題

針對大化類不同專業(yè)的學生，以培養(yǎng)學生的專業(yè)素養(yǎng)為目標，設計了不同的項目驅(qū)動課題。因為項目驅(qū)動主要以學生為主體，所以在項目的選擇和設計時，充分考慮了項目的安全性和綠色環(huán)保性。

針對化學工程與工藝專業(yè)，設計了項目“利用精餾回收乙醇-水物系中的乙醇”。該項目致力于利用精餾單元操作回收發(fā)酵專業(yè)學生的實驗廢棄液乙醇，使學生在深刻理解化工生產(chǎn)中重要的單元操作—精餾的基本原理與操作過程的同時，也使廢棄的低濃度乙醇得到了回收利用，一舉兩得。

針對食品糧油專業(yè)的學生，設計了項目“稻谷干燥綜合實驗”。該項目將干燥單元操作中的濕物料定位為待干燥的稻谷，從而使干燥過程較課程中原簡單的濕物料（含水毛布或磚塊）的干燥更加復雜。學生須根據(jù)稻谷自身特性來設計合理的干燥過程，在不影響稻谷品質(zhì)的前提下，測定稻谷的干燥曲線、干燥速率曲線等基礎數(shù)據(jù)，從而大大加深了學生對干燥單元操作知識的理解并與其所學專業(yè)完美結(jié)合。

針對生物化工專業(yè)，生物分離工程是他們重要的專業(yè)課，因此設計的項目為“利用萃取單元操作來提取大蒜素”。該項目要求學生要選取合適的萃取劑，畫出相圖并設計合理的萃取操作過程，最終從大蒜中得到較高收率的大蒜素。該項目不但使學生熟悉掌握了萃取單元操作的原理和操作，同時兼顧了專業(yè)特點。

針對環(huán)境化工專業(yè)的學生，將環(huán)保理念與化工原理的典型吸收單元操作相結(jié)合，設計了“利用填料吸收塔脫除尾氣中氨的綜合實驗”項目。該項目以化工生產(chǎn)過程中的尾氣清潔排放為目標，使用化工原理中的吸收單元操作來進行尾氣的凈化，該項目實施過程中會結(jié)合虛擬仿真實驗軟件進行尾氣吸收的模擬條件優(yōu)化過程，最終對實際尾氣進行吸收脫除氨的驗證。

以上所述項目的選擇和設計均與學生的專業(yè)相結(jié)合，理論聯(lián)系實際，運用扎實的理論知識解決專業(yè)實際問題，同時也為學生后續(xù)的專業(yè)課的學習打下了良好的基礎。

（2）關(guān)注市場——解決市場需求的項目課題

以市場為導向選擇設計項目也是化工原理項目驅(qū)動教學選擇項目的重要來源。自動投藥設備廣泛應用于農(nóng)藥噴灑、泳池消毒、水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘投藥等方面，市場需求量較大。結(jié)合化工原理教學內(nèi)容設計了“文丘里管自動投藥設備”項目來訓練培養(yǎng)學生的綜合能力、市場化觀念和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識。

文丘里管是化工原理流體流動章節(jié)中要學習的一個重要裝置，其中包含了流體機械能守恒的重要知識點，利用了靜壓能轉(zhuǎn)化為動能所產(chǎn)生的負壓來實現(xiàn)流體的自動吸入和噴灑。學生通過該項目，一方面掌握了文丘里管的工作原理并將其用于實際設備的設計、計算和應用中，另一方面建立了工程觀念，真正體會到了化工原理在解決工程實際問題中的重要性，提高了學生學習興趣和積極性。

（3）教研相長——科研反哺教學的項目課題

將教師的科研項目和成果與教學相結(jié)合，突出工程學科的特點，科研反哺教學也是設計項目的一個重要來源。學生通過參與教師的實際工程項目，不僅增加了學習興趣，還提高了實踐和創(chuàng)新能力，可為其今后的工作和學習奠定良好專業(yè)基礎。

“藍藻水華應急打撈裝置”項目來源于教師科研項目，根據(jù)該科研項目成果，設計了流體流動及輸送機械、離心沉降、過濾等多個單元操作綜合的教學項目。通過該項目的訓練，使學生充分認識到所有化工工程均是多個單元操作進行合理組合的結(jié)果。因此，綜合多個單元操作的聯(lián)合使用，可以訓練學生處理復雜工程問題的能力。

2.項目驅(qū)動教學環(huán)節(jié)設計與實施

以“項目選擇和設計”中提到的解決市場需求的“文丘里管自動投藥設備”為例，具體說明化工原理項目驅(qū)動教學的實施過程（圖1b）。根據(jù)項目驅(qū)動教學思路，分三個層次、層層遞進地對學生進行教學和訓練?；A層教學學生主要進行流體流動和文丘里管工作原理等基本理論的學習，學生須掌握伯努利方程在流體流動中設計計算和應用；同時，通過查閱相關(guān)資料進一步了解目前文丘里管的工程實際應用。教師在該層次中除了講授基本理論外，更重要的是要針對學生即將實施的項目給出必要的提示、建議和引導，讓學生帶著疑問自主學習。

應用層是以學生為主進行的驗證性實驗，要求學生熟悉和掌握文丘里管實驗裝置等設備的使用和操作，并提交實驗分析報告。學生通過觀察文丘里管實驗現(xiàn)象，運用理論知識分析、調(diào)試和控制實驗過程，如通過控制文丘里管中流體的流速來控制其輸送流體的壓差，為創(chuàng)新層準確控制投藥量提供可靠實驗數(shù)據(jù)。該層次的學習是使學生將書本的理論知識變?yōu)閷嵺`知識的過程，教師在這一階段主要充當一個引導員的角色，將實驗設備基本情況和參數(shù)講解清楚后，由學生自主進行實驗驗證和實驗設計。

創(chuàng)新層階段師生通過共同完成“項目”而逐步深入、全面展開教學活動，在教師的指導下，學生自主設計項目方案，以著力培養(yǎng)學生初步工程設計和自主解決工程問題的能力。這一階段學生須完成文丘里管自動投藥設備的設計，主要包括流程圖的繪制、文丘里管設備尺寸和相關(guān)配管的設計計算、設備圖紙繪制以及設備的安裝調(diào)試和運行。

學生針對項目目標，在教師的引導下，通過自主學習和不斷探索，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。通過工程項目的方案設計、計算、實驗和運行，學生把所學知識融會貫通，加深對課程的認識，查找理論計算與操作效果之間的差距，學會解決設計型問題和操作型問題的方法。在解決實際項目問題過程中，學生通過合作與討論，并不斷克服所遇到的各種困難，得以親身認識和體會到團隊合作的價值和意義，培養(yǎng)和鍛煉他們的團隊精神和主動探索的創(chuàng)新精神。

3.項目驅(qū)動教學的評價與考核

項目驅(qū)動教學以小組為單位進行，4-6人組成一個學習團隊，設組長1人。教師在劃分小組之前，先要對班級的每一個學生的情況有所了解，按照異質(zhì)性原則，做到不同層次學生的合理搭配，實現(xiàn)小組成員之間的優(yōu)勢互補、互幫互學。[5]所以，團隊中每個人的角色不同，每個成員可以根據(jù)自己的特長承擔相應的任務，在教師指導下，在組長帶領下合作完成項目。

在每個教學階段，學生以小組為單位，將項目實施的所有內(nèi)容制作成ppt，以答辯的方式匯報各小組的項目進展和所取得的結(jié)果。三個階段的成績要進行加權(quán)平均，成績分配比例分別為30%、30%和40%，成績由指導教師按照標準統(tǒng)一給出，如在第一階段主要以理論學習和文獻查閱情況為根據(jù)，第二階段主要以實驗室動手操作和對原理的掌握情況為根據(jù)，第三階段以設計計算書和最終產(chǎn)品情況為依據(jù)來評價；成績評定不僅有團隊成績，也有個人成績，使項目驅(qū)動教學法的成效落到實處。整個答辯過程既能鍛煉學生的口語表達能力和概括總結(jié)能力，又能使學生對化工原理理論學習和工程實踐有更為深入的了解。整個項目驅(qū)動教學過程，學生一直帶著項目任務進行相關(guān)學習，極大地調(diào)動了積極性，發(fā)揮了他們的主觀能動性和創(chuàng)造性，而最后的成果也極大提高了學生的自信心，為今后走上工作崗位打下堅實的理論和工程基礎。

指導教師對學生的考核貫穿于項目驅(qū)動教學的整個過程：包括理論學習、文獻查閱、項目設計與選擇、項目方案設計與實施、匯報答辯等環(huán)節(jié)。教師通過整個過程的監(jiān)督和評價，既能客觀反映學生的學習能力，又能有效發(fā)揮項目驅(qū)動教學在培養(yǎng)學生工程觀點、工程實踐能力和創(chuàng)新能力方面的作用，切實達到培養(yǎng)具有團隊合作精神的應用創(chuàng)新型人才的目的。

三、結(jié)束語

采用項目為導向的項目驅(qū)動教學法，將化工原理的課堂教學和實驗實踐教學聯(lián)系起來，明顯提高了學生的學習興趣，使學習過程由被動變?yōu)橹鲃?。項目?qū)動教學法通過與課程相關(guān)的工程實踐項目的選擇、設計和實施，調(diào)動了學生學習的積極性、主動性和創(chuàng)造性，增強了學生對化工原理課程的全面理解與掌握，并學以致用，有效發(fā)揮了化工原理在培養(yǎng)學生工程實踐能力方面的重要作用，收到了良好教學效果。項目驅(qū)動教學法不僅使學生學習的理論知識更扎實，與實驗技能和工程實踐能力融會貫通，而且培養(yǎng)了學生的團隊合作意識，從而為學生后續(xù)專業(yè)課的學習、為社會、企業(yè)培養(yǎng)合格的工程創(chuàng)新性人才打下堅實的基礎。

[1]方園，鄭繼兵，姚云飛.項目驅(qū)動法在專業(yè)基礎課教學中的應用[J].中國電力教育，2014，319（24）：21-22.

[2]王成勇，周慧杰，朱曉勇.基于科研項目驅(qū)動的大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)新途徑[J].高教論壇，2011（10）：23-25.

[3]葉汝盛．將工程項目引入到教學－“項目驅(qū)動教學法”的實踐[J]．福建電腦，2010（6）：190-192．

[4]Beckett G.H.Beyong second language acquisition projectbased second and foreign language education：past，present and future [M].Greenwich：Information Age Publishing，2006.

[5]柯勝男，黃明和，雷剛.基于“項目驅(qū)動”的教學研究與探索[J].計算機教育，2007（4）：25-33.

（責任編輯：張華凡）

Application of Project Based Teaching Method to Chemical Engineering Principle Course

WU Zhiguo,CAO Jingguo,YANG Xiyue,WANG Yaohuan
（Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300457,China）

In the traditional teaching process of chemical engineering principle course,there are some problems in training the practical engineering abilities of the students.To solve the problems,the student-oriented and project based method was applied to the teaching process and serves as a link between theoretical and experimental teachings.The project based method could strengthen the students’learning of the course and cultivate their sense of engineering and team work.In this paper,not only the basic ideas but also specific implementation and assessment of project based teaching method were clarified,all because the new teaching method is beneficial to cultivating creative and applied talents of chemical engineering specialty.

project based teaching method；chemical engineering principle；venturi tube；engineering view

G642.0

吳志國（1979—），男，講師，研究方向：土壤污染防治技術(shù)。

曹井國（1980—），男，副教授，研究方向：水污染防治技術(shù)。

天津科技大學青年創(chuàng)新基金（教育教學類）（2015JXD02）。