面向自動化專業(yè)的《化工原理》課程教學(xué)改革與實踐

鐘瑞琴

(中國石油大學(xué)(北京) 化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院，北京 102249)

化工原理是中國石油大學(xué)(北京)石油化學(xué)工程及相關(guān)專業(yè)本科生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是我校作為石油特色鮮明、工科為主的院校的核心主干課程之一，擔(dān)負著我?；瘜W(xué)工程、石油加工、化工過程機械和自動化等專業(yè)的本科生教學(xué)由理論到工程、由基礎(chǔ)到專業(yè)的過渡橋梁作用，對這些專業(yè)本科生的專業(yè)素質(zhì)和工程能力的培養(yǎng)都起著至關(guān)重要的作用[1-2]。

化工原理課程涵蓋了化工生產(chǎn)過程及其裝置，內(nèi)容涉及多種常見的基本單元操作、各種化工機械的結(jié)構(gòu)和原理以及操作，其中既有由淺入深的過程和理論分析，又有諸多實踐的經(jīng)驗總結(jié)[3-4]。由于《化工原理》課程內(nèi)容較多，涉及的知識面較廣，實踐性和應(yīng)用性強等特點，不僅學(xué)生普遍反映該課程較難，教師也面臨若干教學(xué)難題。雖然我校自動化專業(yè)《化工原理》課程已開設(shè)多年，課程性質(zhì)也早已從專業(yè)限選課變?yōu)閷I(yè)必修課，但是在歷年的該課程教學(xué)中普遍存在著學(xué)生學(xué)習(xí)目的不明確、學(xué)習(xí)動力不足，教師教學(xué)效果不佳等問題。

作者通過自身多年的自動化專業(yè)《化工原理》課程教學(xué)經(jīng)歷和對自動化專業(yè)本科生的調(diào)研發(fā)現(xiàn)這些問題主要是由以下幾個因素造成的：

(1)《化工原理》課程的內(nèi)容和體系相對穩(wěn)定和陳舊，并未涉及自動化專業(yè)與《化工原理》課程講授的化工單元操作之間的關(guān)系和應(yīng)用的實例，導(dǎo)致不少學(xué)生認為該課程與自動化專業(yè)的其它專業(yè)課程之間沒有太大關(guān)系，對其將來從事自動化專業(yè)工作沒有太多用處，因此不僅限制了學(xué)生知識面的擴展，而且不利于學(xué)生建立起對《化工原理》課程必要性和重要性的正確認識，大大降低了該專業(yè)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的興趣。

(2)課程的大部分內(nèi)容是從工程實踐中抽象出來的數(shù)學(xué)模型和經(jīng)驗方程式[5]，由教師主導(dǎo)對每一個單元操作進行詳盡的闡述及公式推導(dǎo)，對此學(xué)生不僅有枯燥感，也不能體會出課程應(yīng)用性強的特點。

(3)自動化專業(yè)的《化工原理》課程學(xué)時短，任務(wù)重。相比于我?；I(yè)的兩學(xué)期128學(xué)時授課，自動化專業(yè)的《化工原理》課程僅有一學(xué)期64學(xué)時，又同時包括流體流動、流體輸送機械、傳熱、吸收和蒸餾五大基礎(chǔ)章節(jié)的內(nèi)容，因此若教學(xué)過程中仍沿用以往以教師課堂授課為主的教學(xué)方式，則顯得教學(xué)節(jié)奏過于緊湊，不利于學(xué)生對課程內(nèi)容的消化理解，教學(xué)效果不佳。

為了實現(xiàn)面向自動化專業(yè)的《化工原理》課程中教與學(xué)的質(zhì)量和效果的雙提高，通過對我校2014、2015、2016級三個年級自動化專業(yè)本科生化工原理課程的教學(xué)實踐，對課程進行了教學(xué)改革。

1 建立化工原理課程與自動化專業(yè)間重要聯(lián)系

針對自動化專業(yè)本科生普遍認為的《化工原理》課程與自動化其它專業(yè)課程相關(guān)性不強的問題，在教學(xué)過程中有意識地將化工原理課程與自動化其它專業(yè)課程內(nèi)容進行關(guān)聯(lián)化，在教學(xué)中增加了其它專業(yè)課中需要用到化工原理知識的講述。

根據(jù)我校自動化專業(yè)培養(yǎng)方案中課程設(shè)定，經(jīng)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)專業(yè)必修課《過程控制工程》、《過程檢測儀表》，專業(yè)選修課《石油加工工程》，專業(yè)實踐或者實習(xí)《過程控制綜合實踐》、《煉廠認識實習(xí)》等自動化專業(yè)課均直接或間接應(yīng)用到化工原理課程部分知識。自動化專業(yè)也稱為控制科學(xué)與工程，核心就是做控制，我校的自動化專業(yè)是以學(xué)習(xí)化工過程控制為主的。在化工過程控制中，經(jīng)常對四種量進行控制：流量、液位、壓力、溫度。在學(xué)習(xí)如何對這四種量進行控制之前，首先必須要學(xué)習(xí)化工生產(chǎn)過程的操作和原理，才能加深對控制范圍的理解，以達到正確高效的控制。在自動化本科生專業(yè)必修課《過程檢測儀表》的課程學(xué)習(xí)中流量檢測儀表需要用到《化工原理》課程中流體流動章節(jié)的相關(guān)知識?！痘ぴ怼分兄v授的伯努利方程是該章學(xué)習(xí)的重點和難點，也是設(shè)計和使用各種流量檢測儀表裝置如孔板流量計，轉(zhuǎn)子流量計等的原理和基礎(chǔ)。只有掌握了這些裝置的測量原理才會懂得如何使用或設(shè)計儀表。

在自動化本科生專業(yè)必修課《過程控制工程》中更是多處都體現(xiàn)了與《化工原理》課程內(nèi)容相關(guān)的知識。例如該課程的液體輸送設(shè)備的控制、傳熱設(shè)備的控制、精餾塔的控制這三章，分別對應(yīng)了《化工原理》課程的流體輸送機械、傳熱、蒸餾三章的相關(guān)知識。在課堂講授《化工原理》中液體輸送設(shè)備的流量計的結(jié)構(gòu)和原理部分時，適當(dāng)結(jié)合《過程控制工程》中的液體輸送設(shè)備的控制方案內(nèi)容。在講授《化工原理》中傳熱過程原理、換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)時，適當(dāng)結(jié)合《過程控制工程》中的傳熱設(shè)備熱焓和熱量控制方案內(nèi)容。在講授《化工原理》中精餾過程原理、精餾設(shè)備結(jié)構(gòu)及性能影響因素分析時，適當(dāng)結(jié)合《過程控制工程》中的精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)選擇、精餾塔基本控制和優(yōu)化控制以及自動化專業(yè)選修課《石油加工工程》中石油蒸餾章節(jié)中的原油蒸餾塔的操作特性和工藝計算等內(nèi)容。

在自動化本科生專業(yè)課程設(shè)計《過程控制綜合實踐》中，以上《化工原理》相關(guān)知識的理解和掌握更是在學(xué)生作設(shè)計過程控制系統(tǒng)時會進一步得到加深。

通過這些關(guān)聯(lián)性介紹不僅增強了學(xué)生對《化工原理》課程基礎(chǔ)性和重要性的認識，也增加了學(xué)生對于《化工原理》課程的學(xué)習(xí)興趣。

2 變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)和趣味學(xué)習(xí)

為了增強學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，在教學(xué)手段中還嘗試開展了研討式教學(xué)模式。例如在蒸餾章節(jié)中講授精餾塔的安全操作問題上，結(jié)合《過程控制工程》專業(yè)課中的相關(guān)內(nèi)容，讓學(xué)生自己思考討論精餾塔的哪些操作參數(shù)必須限制在約束條件之內(nèi)？在精餾塔發(fā)生不正常操作中，精餾塔的限制條件包括液泛限、漏液限、壓力限及臨界溫差限等會引起哪些控制方面的擾動？常用的控制方法有哪些？怎樣設(shè)計出比較完善、合理的控制方案？基于以上問題的討論，不僅加深了自動化專業(yè)同學(xué)對《化工原理》的基礎(chǔ)性和重要性的認識，而且提高了學(xué)生應(yīng)用多種課程所學(xué)知識協(xié)同解決問題的能力。再如在傳熱章節(jié)中講授到換熱器冷熱流體流程的選擇問題時，教師先把常見的冷熱流體都羅列出來，讓學(xué)生根據(jù)之前所學(xué)的一些原理性知識和生活常識來自己思考如何設(shè)置該流體應(yīng)走管程還是殼程的問題，說出理由，與同學(xué)們一起思考討論。在研討中，學(xué)生很深刻地記住了正確的選擇。

3 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源平臺建設(shè)

為自動化學(xué)生搭建了課下學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源平臺，具有指導(dǎo)、學(xué)習(xí)、總結(jié)、檢測四大功能部分。通過這一平臺，使學(xué)生更深入地了解這門課的有效學(xué)習(xí)方法，多方面促進學(xué)生對課堂知識的理解和消化，以及對自己學(xué)習(xí)情況的及時掌握，最終達到使學(xué)生對這門課從理論到實踐的雙促進和提高。

鑒于《化工原理》課程知識點瑣碎、工程思維的特點，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，普遍存在課上能聽懂，但課下不會用的現(xiàn)象，即使基本概念和公式都記住，但是遇到問題仍然不知從何下手，分析和解決問題的能力較差。這種現(xiàn)象歸根到底還是因為學(xué)生的工程意識不足，不具備工程思維所導(dǎo)致。因此，幫助學(xué)生盡快掌握《化工原理》課程正確的學(xué)習(xí)方法是非常必要的，有助于學(xué)生掌握整個化工原理的各個單元操作的研究方法、研究手段的規(guī)律。在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺中提供了編寫的針對每一章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)要求和學(xué)習(xí)重點，讓學(xué)生在明確并掌握正確的學(xué)習(xí)方法的基礎(chǔ)上，對每章的各個知識點和重點知識點有個清晰的認識和重視，從而調(diào)整學(xué)習(xí)方向、合理分配學(xué)習(xí)時間。

又因為《化工原理》課程課時短、教學(xué)任務(wù)重，若教學(xué)過程中仍沿用以往以教師課堂授課為主的教學(xué)方式，則顯得教學(xué)節(jié)奏過于緊湊，不利于學(xué)生在課堂的有限學(xué)習(xí)時間內(nèi)對課程內(nèi)容的消化理解，將嚴(yán)重影響教學(xué)的效果。因此，在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺中上傳了學(xué)生復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)版的課件，而之所以不同于教師課堂上使用的課件，是考慮到多給學(xué)生留下思考的機會和空間，同時提高對教師課堂講授的關(guān)注度。同時增加了動畫和圖片，加深學(xué)生對某些知識點的形象化認知和理解，作為教材和課堂的有益輔助和補充。

自動化專業(yè)本科生常常反映《化工原理》課程知識點過多，只能死記硬背，難以活學(xué)活用，如何幫助學(xué)生梳理順每個章節(jié)的大知識點之間以及各個細小知識點之間的邏輯關(guān)系和有機聯(lián)系至關(guān)重要。在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺中編寫了每章的知識點之間的脈絡(luò)關(guān)系圖，展現(xiàn)該章節(jié)主要研究內(nèi)容之間的邏輯順序和相互關(guān)系，進而延伸到每一部分的組成和相互間關(guān)系，最終形成了一章內(nèi)容的整體脈絡(luò)關(guān)系，對于幫助學(xué)生學(xué)習(xí)時由點到面，再由面到點的思考問題方式培養(yǎng)非常有益。

《化工原理》作為典型的工程學(xué)科課程代表，學(xué)以致用是最終的學(xué)習(xí)目的，因此對于本科生而言，只能通過大量的做題練習(xí)來提高分析問題和解決問題的能力，對于這門課的學(xué)習(xí)也可以起到檢測學(xué)習(xí)效果和查缺補漏的作用。在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺中匯總編寫了針對自動化專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的《化工原理》教材的思考題和習(xí)題。思考題的設(shè)置有助于鍛煉學(xué)生多角度和全面分析解決問題，鍛煉學(xué)生串聯(lián)多個知識點進行分析問題的能力。計算題的設(shè)置有助于培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識來解決實際工程問題的能力。

4 結(jié)語

綜上，通過以上對自動化專業(yè)本科生有針對性的教學(xué)改革措施，有效提高了學(xué)生對《化工原理》課程的重視度，增強了學(xué)習(xí)熱情和興趣，鍛煉了學(xué)習(xí)能力，體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的教學(xué)觀念。