新工科理念下化工原理實驗教學(xué)改革初探

朱丹琛 陳彰旭 鄭炳云 劉秀秀

(1. 莆田學(xué)院 環(huán)境與生物工程學(xué)院，福建 莆田 351100；2. 福建省新型污染物生態(tài)毒理效應(yīng)與控制重點實驗室，福建 莆田 351100)

近年來，為推動高等學(xué)校工程教育發(fā)展，適應(yīng)新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，國家教育部及眾多教育工作者積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)?！靶鹿た啤崩砟蠲鞔_工程教育的重要地位，致力于培養(yǎng)專業(yè)基本功扎實、實踐能力強(qiáng)，同時具備整合能力、有全球視野、能適應(yīng)快速變化和解決矛盾問題能力的工程技術(shù)人才[1]?！靶鹿た啤币孕陆?jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)為背景，既包含信息化、智能化的新興工科專業(yè)的建設(shè)，也包括傳統(tǒng)工科專業(yè)的改革創(chuàng)新[2]。

《化工原理實驗》課程是高?；ゎ悓I(yè)一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是將化工原理的理論知識應(yīng)用于化工單元操作的重要實踐環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實驗課程中，學(xué)生機(jī)械化地進(jìn)行實驗，無法滿足新工科對高校人才的培養(yǎng)要求，因此應(yīng)主動改革該實驗課程的教學(xué)。本文總結(jié)了近年來我?；ぴ韺嶒炚n程的改革思路，包括如何提升課程在人才培養(yǎng)體系中的作用，如何調(diào)動學(xué)生實驗積極性，如何踐行OBE理念并激勵學(xué)生“在做中學(xué)，在學(xué)中做”，如何進(jìn)一步深化所學(xué)知識并培養(yǎng)工程安全意識，如何提高學(xué)生的工程實踐水平。這些舉措促進(jìn)學(xué)生通過實驗課程加深理論知識，鍛煉實踐能力，提高解決問題的能力。

1 實驗教學(xué)內(nèi)容

1.1 提高設(shè)計環(huán)節(jié)的比例

化工原理實驗以實際生產(chǎn)中的單元過程設(shè)立化工單元操作，在實踐過程中驗證化工原理理論，從而學(xué)習(xí)工程試驗的原理和測試手段，初步建立學(xué)生的工程概念、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力[3]?；ぴ韺嶒烅椖恐饕芯C合和驗證兩個類型，驗證實驗通過學(xué)生動手對儀器的操作，掌握典型的化工單元操作實驗，通過數(shù)據(jù)處理和實驗報告達(dá)到對化工單元過程的理解和掌握，鞏固和深化所學(xué)的理論知識。綜合型實驗不僅要求學(xué)生掌握各單元實驗的操作，還要求根據(jù)所學(xué)的理論知識，選取參數(shù)、控制比例，并確定實驗方案，進(jìn)而分析判斷所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性或計算效益，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的。

為響應(yīng)新工科對人才的要求，提高學(xué)生參與實驗的積極性，可以增加綜合型實驗，也可以在一些驗證實驗適當(dāng)?shù)丶尤朐O(shè)計性環(huán)節(jié)，提升該課程在人才培養(yǎng)體系中的作用。在綜合實驗和一些設(shè)計性的環(huán)節(jié)中，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識選取參數(shù)、控制比例，確定實驗方案，并運用理論來分析設(shè)計的理由和可能的結(jié)果。如：化工流體過程綜合實驗通過問題：要測得完整的離心泵特性曲線，測試點應(yīng)如何分布比較合理？哪些測試點比較關(guān)鍵？引導(dǎo)學(xué)生合理設(shè)計數(shù)據(jù)測試點，得出離心泵效率最高點附近取密集的測試點的結(jié)論。

1.2 知識交叉融合

新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)是適應(yīng)并滿足未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要，培養(yǎng)具有更強(qiáng)實踐能力、創(chuàng)新能力、國際競爭力的高素質(zhì)、復(fù)合型人才。化工相關(guān)行業(yè)的人才需求與此高度契合，因此對化工專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)不僅需要學(xué)生有扎實的化工專業(yè)基礎(chǔ)知識，還要求學(xué)生具備相關(guān)課程知識、交叉融合學(xué)習(xí)和應(yīng)用的能力?；ぴ韺嶒炑b置中的各類儀表和自動控制等裝置涉及到工程儀表及自動化、計算機(jī)技術(shù)、機(jī)械構(gòu)造等技術(shù)領(lǐng)域；實驗數(shù)據(jù)的處理涉及到《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》、《化學(xué)化工常用軟件及應(yīng)用》等課程。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)僅僅要求學(xué)生利用這些儀表獲取工程過程中的基本測量數(shù)據(jù)、驗證基本理論，缺乏對其他領(lǐng)域和其他課程的知識融合。改革后的課程中教師應(yīng)對這些知識進(jìn)行綜合應(yīng)用，有效訓(xùn)練學(xué)生對各課程知識的融合和拓展。比如每臺化工原理實驗設(shè)備上都有儀表，教師示范儀表讀取、調(diào)節(jié)和設(shè)置方法時，引導(dǎo)學(xué)生回顧《化工儀表及自動化》課程中儀器儀表的相關(guān)知識，如測量元件的控制規(guī)律、流量計的類型等內(nèi)容。

2 實驗教學(xué)方法

化工原理實驗設(shè)備、實驗流程，以及數(shù)據(jù)處理方法與以往的基礎(chǔ)實驗相比，復(fù)雜程度明顯上升。這就需要教師靈活的采用示范式、互動式、探究式、案例式和基于問題學(xué)習(xí)(PBL)等多元化教學(xué)方法，結(jié)合現(xiàn)代教育技術(shù)和手段，讓學(xué)生“在做中學(xué)，在學(xué)中做”，將工程概念的培養(yǎng)滲透到課前預(yù)習(xí)、教學(xué)過程和實驗報告環(huán)節(jié)中。

2.1 課前預(yù)習(xí)

化工原理實驗課是在化工原理的理論課程之后開展，上課之前，老師應(yīng)該有針對性的要求學(xué)生復(fù)習(xí)相關(guān)的理論知識。

針對學(xué)生課前預(yù)習(xí)率低、預(yù)習(xí)報告潦草應(yīng)付、依靠老師實驗前的講解來把握實驗等問題，可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的資源，達(dá)到有效預(yù)習(xí)的目的。實驗課之前，要求學(xué)生觀看超星泛雅、MOOC上的教師操作儀器的視頻，學(xué)生可以提前熟悉儀器和操作手法，此外，還可以通過虛擬仿真實驗解決因?qū)嶒炘O(shè)備套數(shù)不足而導(dǎo)致學(xué)生動手機(jī)會少的情況。每位學(xué)生都可以虛擬操作實驗，熟悉各個化工單元操作流程和注意事項。這樣在實驗課中，學(xué)生就能得心應(yīng)手的進(jìn)行實驗。此外，超星平臺上還建立“資料”、“作業(yè)”“討論”等互動欄目，可進(jìn)行線上線下教學(xué)互動。如“討論”欄目中設(shè)置精餾實驗的問題：如何防止溶液暴沸？暴沸的原因是什么？取樣分析應(yīng)注意什么？進(jìn)料、塔頂、塔底的折光率大小順序如何？何時可以取樣分析？學(xué)生課前進(jìn)行討論學(xué)習(xí)，提高預(yù)習(xí)的質(zhì)量。

2.2 教學(xué)過程

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)流程中學(xué)生過于依賴?yán)蠋熀徒滩?，不利于工程概念的培養(yǎng)。在新工科背景下，對學(xué)生的創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)和分析解決問題的能力尤其看重，教師可以通過以團(tuán)隊為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)(TBL)、基于問題的學(xué)習(xí)(PBL)的方法，踐行OBE理念，提高學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的積極性。

教師通過問題切入實驗，考察學(xué)生預(yù)習(xí)情況和對實驗的把握程度。不急著糾正學(xué)生的錯誤，而是引導(dǎo)學(xué)生帶著這些問題去探索實驗，小組內(nèi)討論分析，發(fā)現(xiàn)自己的錯誤。除預(yù)留的預(yù)習(xí)問題，還可設(shè)置一些關(guān)于設(shè)備結(jié)構(gòu)和流程的問題，如：填料吸收實驗中填料塔中水和空氣或氨氣的流向？吸收塔塔底為什么必須有液封裝置，液封裝置是如何設(shè)計的？恒壓過濾實驗中板、框、洗滌板有什么區(qū)別？過濾和洗滌時，液體流向？此外，實驗流程及注意事項也可適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化為問題，貫穿整個教學(xué)過程。如：傳熱開關(guān)先開后關(guān)，離心泵開啟前，為什么檢查所有閥門關(guān)閉？其他類型的泵應(yīng)該怎么操作？實驗過程若有設(shè)備損壞或故障，由教師指導(dǎo)學(xué)生小組討論找出損壞或故障和原因。這樣的實驗過程以問題為導(dǎo)向，由學(xué)生主導(dǎo)，通過團(tuán)隊合作進(jìn)行實驗操作和討論解決各種問題，能有效提高學(xué)生實驗的參與度和分析解決問題的能力。

2.3 實驗報告

此課程前，學(xué)生尚未接觸過工程類實驗，對實驗的印象還停留在基礎(chǔ)實驗上，面對復(fù)雜的裝置和大量的實驗數(shù)據(jù)，無法從整體上把握數(shù)據(jù)；對實驗中數(shù)據(jù)的波動還停留在設(shè)備老化層面上，很難進(jìn)行深入的分析。針對前者，要求每組至少一位同學(xué)攜帶電腦到實驗室，在實驗操作結(jié)束后，將數(shù)據(jù)輸入電腦，并進(jìn)行簡單處理。學(xué)生運用Excel或Origin軟件處理數(shù)據(jù)和作圖，處理數(shù)據(jù)中碰到的難題能及時請教師協(xié)助解決，這樣學(xué)生的數(shù)據(jù)處理水平得到切實的提高。針對后者，教師應(yīng)當(dāng)充當(dāng)引導(dǎo)的角色，引導(dǎo)學(xué)生比較實驗中不同參數(shù)對過程的影響、新舊設(shè)備實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果的不同等等，使學(xué)生能夠體會工程與科學(xué)的區(qū)別與聯(lián)系，加強(qiáng)教學(xué)效果，也有利于學(xué)生理解工程概念[4]。最后，小組內(nèi)討論數(shù)據(jù)的合理性，教師評價學(xué)生對實驗結(jié)果分析的把握程度，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生完成一份完整的工程性報告。

3 成績評定標(biāo)準(zhǔn)

實驗課程成績是教師對學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度和效果的綜合評價。通常實驗課程由預(yù)習(xí)報告(平時成績)、實驗報告和考核三項評分組成，按比例綜合后得到最終成績。但由于預(yù)習(xí)報告幾乎雷同，同組同學(xué)的實驗報告相似，導(dǎo)致成績無法真實客觀的體現(xiàn)學(xué)生綜合情況，學(xué)生也因此缺乏積極性。

為了改善這點，教師可適當(dāng)提高實驗過程和實驗效果在成績中的比例。平時成績按分項考核記分，綜合評定學(xué)生各個實驗環(huán)節(jié)的成績，通過學(xué)生預(yù)習(xí)和實驗過程中預(yù)留問題的回答情況、實驗操作掌握程度、處理問題的能力等方面進(jìn)行評分，突出實驗過程的表現(xiàn)成績，讓學(xué)生重視實驗過程的操作技能和處理問題的能力。對預(yù)習(xí)報告不完整者在平時成績中適當(dāng)扣分。實驗報告中要求學(xué)生選一組數(shù)據(jù)進(jìn)行示例計算，所選數(shù)據(jù)組內(nèi)不得重復(fù)。結(jié)果分析部分自我組織語言，不得抄襲，抄襲不得分。這樣將考查貫穿整個教學(xué)過程的綜合考評，既可以調(diào)動學(xué)生實驗的積極主動性，又可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行針對性的改進(jìn)，完善教學(xué)過程，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

4 技能競賽

為了推動高?；ゎ悓I(yè)“新工科”建設(shè)，加強(qiáng)大學(xué)生綜合素質(zhì)與能力培養(yǎng)，自2017年起，教育部高等學(xué)校化工類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會協(xié)同中國化工教育協(xié)會舉辦了全國大學(xué)生化工實驗大賽。大賽考察大學(xué)生的化工基本理論知識及工程實踐能力，還考察其團(tuán)隊協(xié)作能力、應(yīng)變能力和安全責(zé)任意識。與化工原理實驗教學(xué)相比，大賽的賽題難度與廣度都高出很多，要求學(xué)生能夠靈活應(yīng)用化工基本理論知識，并且具有廣闊的化工知識面。我校鼓勵學(xué)生參加競賽，教師在賽前對選拔出來參加競賽的學(xué)生進(jìn)行針對輔導(dǎo)，通過化工實驗大賽，學(xué)生的理論和實踐能力都有很大的提高。

5 安全意識

近年來，高校安全事故頻發(fā)，這其中有管制不夠嚴(yán)格的因素，也有學(xué)生們欠缺相關(guān)知識、自我保護(hù)能力差的原因。提高學(xué)生的安全意識和自我保護(hù)能力，迫在眉睫?；ぴ淼膶嶒炘O(shè)備不同于以往基礎(chǔ)實驗的小型儀器，設(shè)備的流程與實際生產(chǎn)接軌，設(shè)備的規(guī)模通常接近實際工程的中試規(guī)模，體積較大，且實驗中經(jīng)常會涉及電、水、蒸汽等。這給實驗增加了很多的危險性。教師在實驗教學(xué)中不但要教學(xué)生如何正確使用實驗設(shè)備，還要要求學(xué)生在每個實驗進(jìn)行前，評估設(shè)備是否完好、化工實驗中涉及的電、水、熱的安全性和安全防護(hù)措施情況，并分析可能發(fā)生的突發(fā)情況，如何做好自我保護(hù)措施、掌握撤離路線。通過這樣的評估和分析，提高學(xué)生在今后的就業(yè)中的安全意識和自我保護(hù)能力。

當(dāng)然，灌輸安全意識并不是讓學(xué)生害怕而不敢操作，而是讓學(xué)生學(xué)會評估安全性能，實施自我防護(hù)，將危險控制在可控范圍內(nèi)，如傳熱實驗，布置學(xué)生查閱人體皮膚燙傷的資料，了解熱源的溫度和作用的時間這兩個燙傷的因素，學(xué)生學(xué)會評估傳熱實驗以及今后接觸到熱源時是否應(yīng)帶手套；精餾實驗的原料均為可燃物，布置學(xué)生查閱乙醇和正丙醇的閃點和爆炸極限，讓學(xué)生認(rèn)同嚴(yán)禁明火的重要性，再通過問題“若不慎引燃，少量和大量時應(yīng)如何處理？”訓(xùn)練學(xué)生處理突發(fā)情況的思維。

6 結(jié)語

化工原理實驗是化工類學(xué)生首次接觸到的工程類實驗，對培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新能力至關(guān)重要，能有效提高學(xué)生的工程操作能力和綜合應(yīng)用技能?；谛鹿た评砟畹钠鯔C(jī)，完善化工原理實驗的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方法，提高學(xué)生的安全意識，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)具有綜合工程技術(shù)能力的新工科專業(yè)人才奠定良好的基礎(chǔ)。