化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探討*

雷雪霏 李瑞海 孟 營(yíng) 臧 娟 崔金玉

（遼寧中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院制藥工程教研室，遼寧 大連 116600）

化工原理是我校為制藥工程、食品工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課?；ぴ硎侵v授在制藥或者食品等工業(yè)生產(chǎn)中各類(lèi)單元操作的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。化工原理實(shí)驗(yàn)課以過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)工藝為教學(xué)內(nèi)容，是培養(yǎng)化工工藝、制藥工程、食品工程、生物制藥等專(zhuān)業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要課程［1］。筆者根據(jù)多年化工原理課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出化工原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的三個(gè)要點(diǎn)。在教學(xué)實(shí)踐中特別注重工程觀念的講解和開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)專(zhuān)用設(shè)備，提高了化工原理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中突出工程觀念

制藥工程專(zhuān)業(yè)是一門(mén)化學(xué)、藥學(xué)和工程學(xué)交叉學(xué)科。本專(zhuān)業(yè)以培養(yǎng)從事藥品生產(chǎn)，新工藝、新設(shè)備的開(kāi)發(fā)、放大和設(shè)計(jì)的工程人才為目標(biāo)。制藥工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，在學(xué)習(xí)化工原理理論課之前學(xué)習(xí)的課程，均為本專(zhuān)業(yè)的理學(xué)基礎(chǔ)課，比如物理化學(xué)、高等數(shù)學(xué)、有機(jī)化學(xué)等。這些課程不涉及到工程生產(chǎn)方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，學(xué)生對(duì)藥品的工業(yè)生產(chǎn)操作是陌生的，也完全沒(méi)有接觸過(guò)工程觀念和思想。

化工原理課程服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)踐，因而課程中的半經(jīng)驗(yàn)公式，工程規(guī)范和生產(chǎn)過(guò)程知識(shí)明顯多于物理化學(xué)這類(lèi)基礎(chǔ)理論課。同大學(xué)基礎(chǔ)課比起來(lái)，化工原理課程具有鮮明的工程觀念特點(diǎn)。通過(guò)化工原理課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將具有初步的工程思想，從工程設(shè)計(jì)角度來(lái)思考分析遇到的單元操作問(wèn)題。工程思想觀念貫穿整個(gè)化工原理的教學(xué)過(guò)程［2］。除了理論課教學(xué)中要有意識(shí)的培養(yǎng)工程思想觀念外，化工原理實(shí)驗(yàn)則是一個(gè)從實(shí)踐和現(xiàn)實(shí)角度來(lái)接觸了解工程思想觀念的重要課堂。學(xué)生在化工原理實(shí)驗(yàn)中首次接觸到和生產(chǎn)設(shè)備接近的工程實(shí)驗(yàn)裝置［3］。學(xué)生在化工原理實(shí)驗(yàn)課堂上，親自操作設(shè)備，親自設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)中的工程觀念將具有直觀的體驗(yàn)和感受。對(duì)很多設(shè)備的操作與調(diào)節(jié)使得學(xué)生從書(shū)本的理性認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變到具體的感性認(rèn)識(shí)上來(lái)［4］。

例如在“列管式換熱器傳熱系數(shù)測(cè)量”的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生第一次接觸到真實(shí)的換熱器。實(shí)驗(yàn)中的換熱器結(jié)構(gòu)就能讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到工程實(shí)踐和純粹的理論上的差異。理論上，一個(gè)列管式換熱器的管子的管徑和長(zhǎng)度完全可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)出任意的粗細(xì)和長(zhǎng)度。但是在工程實(shí)踐上，根據(jù)目前列管式換熱器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，常用的管徑有φ（19×2） mm，φ（25×2.5） mm 2種規(guī)格，而管長(zhǎng)有1.5 m、2 m、3 m、6 m 4種規(guī)格。實(shí)驗(yàn)課上就要結(jié)合換熱器實(shí)物，向?qū)W生說(shuō)明工程上為什么這樣安排管徑和管長(zhǎng)，而不是可以隨意設(shè)計(jì)管徑和管長(zhǎng)。在本實(shí)驗(yàn)中的傳熱系數(shù)K的測(cè)量后分析討論中，也要結(jié)合工程觀念合理的討論。比如為了增大K值單純從理論上可以通過(guò)增加流體流速u(mài)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是現(xiàn)實(shí)工程上的u的增加幅度是有限的，輸送功率增加也是要增加生產(chǎn)成本的。工程上增加K值可以首先考慮優(yōu)選逆流流動(dòng)換熱。諸如此類(lèi)在實(shí)驗(yàn)中結(jié)合工程觀念的講解，對(duì)于學(xué)生樹(shù)立工程觀念，學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用理論知識(shí)解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題顯現(xiàn)出重要的價(jià)值。

2 為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備

我?；ぴ韺?shí)驗(yàn)中有驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)類(lèi)型。對(duì)于化工原理實(shí)驗(yàn)而言，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在理論課上學(xué)習(xí)了某個(gè)單元操作的規(guī)則，在實(shí)驗(yàn)室使用固定的設(shè)備通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該規(guī)則的真實(shí)合理性。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、操作流程，以團(tuán)隊(duì)方式完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，包括數(shù)據(jù)處理和分析。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行岣邔W(xué)生分析解決問(wèn)題的能力，同時(shí)對(duì)于學(xué)生是否靈活掌握了理論課內(nèi)容是個(gè)很好的檢驗(yàn)。在我校化工原理實(shí)驗(yàn)大綱中，有接近一半的實(shí)驗(yàn)為綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，比如管路特性曲線測(cè)定、精餾實(shí)驗(yàn)、干燥實(shí)驗(yàn)等。以管路特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生需要設(shè)計(jì)出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集表格，最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及討論。

實(shí)驗(yàn)裝置是學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室綜合水平的體現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)裝置既要與本學(xué)科的內(nèi)容與發(fā)展相匹配，又要與人才培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)［5］。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備提出了更高的要求。學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟，要根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況設(shè)計(jì)。比如本校實(shí)驗(yàn)室如果沒(méi)有高精度的壓力傳感器，就不能在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)測(cè)量精密的氣壓變化。所以設(shè)備的裝備水平，決定了學(xué)生設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和效果。筆者根據(jù)化工原理實(shí)驗(yàn)課大綱的要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的流體實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 多功能流體實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

該設(shè)備從設(shè)計(jì)論證到制造出實(shí)物用于教學(xué)歷時(shí)兩個(gè)學(xué)期。本設(shè)備主體結(jié)構(gòu)為304不銹鋼材，包括直管、彎頭、三通、閥門(mén)等。流量計(jì)設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)，耐腐蝕性強(qiáng)，可讀性好。對(duì)于沒(méi)有使用耐腐蝕材質(zhì)的流體實(shí)驗(yàn)老設(shè)備，在使用多次后會(huì)出現(xiàn)老化腐蝕的現(xiàn)象。這些腐蝕問(wèn)題會(huì)造成測(cè)量阻力的數(shù)據(jù)變化，會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差增大甚至嚴(yán)重不準(zhǔn)確。本設(shè)備的不銹鋼材質(zhì)能夠保證主體材質(zhì)不受腐蝕，所采用的儀表均為不銹鋼充油防震長(zhǎng)壽命儀表，無(wú)需維護(hù)保養(yǎng)。該設(shè)備可以用于多個(gè)流體實(shí)驗(yàn)，如測(cè)量層流摩擦系數(shù)、測(cè)量局部阻力系數(shù)、離心泵特性曲線測(cè)定、管路特性曲線測(cè)定等。使用一套設(shè)備可進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)，有效的提高了設(shè)備的利用率，節(jié)約了學(xué)校的設(shè)備投資費(fèi)用。該設(shè)備的一個(gè)重要特點(diǎn)即模塊化。對(duì)于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)而言，實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量的內(nèi)容很多，而模塊化的設(shè)計(jì)可以通過(guò)更改模塊來(lái)進(jìn)行全新的實(shí)驗(yàn)，滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容多的要求。例如該設(shè)備測(cè)量局部阻力處的閥門(mén)即為模塊化設(shè)計(jì)。將該閥門(mén)處的裝置更換為孔板流量計(jì)后即可進(jìn)行新的孔流系數(shù)實(shí)驗(yàn)。由于該設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)，學(xué)生在設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中可以大膽設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，為我?；ぴ碓O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)多功能的平臺(tái)。

3 重視實(shí)驗(yàn)考核

傳統(tǒng)高校的化工原理考試課成績(jī)以理論課考核成績(jī)作為最終總成績(jī)，也有些學(xué)校把實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)折算到總成績(jī)中。類(lèi)似這樣的考核方法會(huì)使學(xué)生重視理論課的解題能力培養(yǎng)，而不重視實(shí)驗(yàn)操作，甚至不會(huì)做實(shí)驗(yàn)，卻追求實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完美高分。這樣的考核體系不能準(zhǔn)確的體現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)綜合運(yùn)用能力，特別是無(wú)法體現(xiàn)出學(xué)生的動(dòng)手操作能力。因此我校將化工原理實(shí)驗(yàn)課占考核總成績(jī)的比例提高到15%。這15分包括學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的課前預(yù)習(xí)、課堂回答提問(wèn)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)操作方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度及最終報(bào)告書(shū)寫(xiě)成績(jī)。其中最能體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)核心的操作方法問(wèn)題占7分。這樣安排成績(jī)考核是考慮到實(shí)驗(yàn)的總成績(jī)要能夠全面體現(xiàn)出學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平和治學(xué)態(tài)度。這樣的考核方法既符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中突出動(dòng)手能力的特點(diǎn)，又有利于學(xué)生綜合專(zhuān)業(yè)素質(zhì)的提升。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作方法的提問(wèn)從學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)前開(kāi)始并貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前以提問(wèn)形式讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行梳理。通過(guò)提問(wèn)讓學(xué)生對(duì)該次實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟有清醒的認(rèn)識(shí)。比如在精餾實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)精餾實(shí)驗(yàn)使用的塔設(shè)備提出下面幾個(gè)問(wèn)題：（1）原料液從哪里進(jìn)入到塔內(nèi)，如何調(diào)整原料液的流量？（2）塔釜?dú)堃?、原料液、塔頂產(chǎn)品的流量調(diào)節(jié)閥、溫度、壓力等測(cè)量?jī)x表位置及讀數(shù)顯示在哪里？（3）產(chǎn)品濃度變化時(shí)，如何調(diào)整回流比？這些問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵控制過(guò)程有了思考和解答。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前的提問(wèn)并記錄提問(wèn)的成績(jī)，能夠讓學(xué)生積極主動(dòng)思考該實(shí)驗(yàn)的操作問(wèn)題，比教師灌輸式講解的效果要好很多。

4 結(jié)語(yǔ)

在我校制藥工程專(zhuān)業(yè)的化工原理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中尤其注重工程觀念的啟發(fā)和引導(dǎo)。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)課的實(shí)踐，對(duì)工程上的設(shè)計(jì)規(guī)律，操作規(guī)律獲得了感性認(rèn)識(shí)。在化工原理實(shí)驗(yàn)課的考核中，也突出了以實(shí)驗(yàn)操作為主的評(píng)價(jià)方式，成績(jī)要體現(xiàn)出學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的真實(shí)操作水平。我校針對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)投入教學(xué)多年。通過(guò)這樣的多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備，極大地拓展了化工原理實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)范疇，從根本上提高了化工原理實(shí)驗(yàn)課的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。