基于工程素養(yǎng)培養(yǎng)的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

王麗梅，李榮春，劉明麗，耿龍龍，張秀玲

(德州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，山東 德州 253023)

近年來，為適應(yīng)對外開放和國際競爭與合作的需求，促進(jìn)工程技術(shù)人員國際交流，我國成立了中國工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)，建立了工程教育專業(yè)認(rèn)證體系，對化工等工程專業(yè)進(jìn)行認(rèn)證[1-3]。與此同時(shí)，我國的卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃也是進(jìn)行的如火如荼[4-6]。不管是工程教育專業(yè)認(rèn)證還是卓越工程師培養(yǎng)，其根本目的都是提高我國工程人才培養(yǎng)質(zhì)量，增強(qiáng)人才工程實(shí)踐能力。我校結(jié)合自身實(shí)際，適時(shí)定位培養(yǎng)創(chuàng)新性應(yīng)用型人才。德州學(xué)院的化學(xué)工程與工藝專業(yè)被山東省教育廳2013年批準(zhǔn)開展“卓越工程師”培養(yǎng)計(jì)劃，2016年被山東省教育廳批準(zhǔn)籌建高水平應(yīng)用型專業(yè)。在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的過程中，提高學(xué)生的工程能力和工程素質(zhì)勢在必行，培養(yǎng)全體學(xué)生的工程素養(yǎng)也受到越來越多的人的重視[7-8]。

化工原理作為化學(xué)工程與工藝、材料化學(xué)等專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)課，也是學(xué)生接觸的第一門工程類課程。其教學(xué)內(nèi)容即具有理論性、又具有工程性和應(yīng)用性[9]?；ぴ韺?shí)驗(yàn)作為化工原理課程的重要組成部分，延續(xù)了其工程性的特點(diǎn)。每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)際上都是化工生產(chǎn)中單元操作的“縮小版”[10-11]，在培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)、工程素養(yǎng)等方面起著舉足輕重的作用[12-13]。團(tuán)隊(duì)成員潛心教學(xué)[14]，從實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行模式、實(shí)驗(yàn)理論與實(shí)踐分析等方面進(jìn)行了改革，提高了教學(xué)效果，強(qiáng)化了工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1 多方舉措，改革實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)途徑

一般來講，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置主要是為了鞏固理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，并達(dá)到實(shí)踐訓(xùn)練的目的。實(shí)驗(yàn)原理就是理論課上講過的知識(shí)，化工原理實(shí)驗(yàn)大致就是如此。所以，學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)，普遍覺得實(shí)驗(yàn)原理相對簡單。但是，實(shí)驗(yàn)裝置體積龐大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。因此，實(shí)驗(yàn)裝置就成了困擾學(xué)生的地方，實(shí)驗(yàn)裝置的預(yù)習(xí)就成了實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。

1.1 模型展示，直觀形象

購買模型，在化工原理實(shí)驗(yàn)室中開放展示，方便學(xué)生了解、認(rèn)識(shí)掌握化工原理實(shí)驗(yàn)裝置中的各個(gè)閥門、管件和設(shè)備。既幫助學(xué)生更好地掌握化工原理知識(shí)，又有利于后續(xù)課程的開展。如各種傳熱器模型，都是透明塑料裝置，通過顏色的不同區(qū)分各部件，使學(xué)生直觀地了解設(shè)備內(nèi)管子的分組，分清楚冷熱流體的流通路徑，掌握管程和殼程的劃分。又如實(shí)驗(yàn)裝置會(huì)用到的渦輪流量計(jì)、鼓風(fēng)機(jī)等儀表設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)前介紹它們的工作原理、使用方法。這些都增加了學(xué)生的工程知識(shí)儲(chǔ)備，為提高學(xué)生的工程素養(yǎng)起到了一定的作用。

1.2 科學(xué)設(shè)疑，物盡其用

實(shí)驗(yàn)裝置較復(fù)雜，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容卻較單一。如何根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置，讓學(xué)生學(xué)習(xí)更多的專業(yè)知識(shí)，更好地掌握實(shí)驗(yàn)技能？

科學(xué)設(shè)置問題，如雷諾實(shí)驗(yàn)，該演示實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生觀察流體在管內(nèi)流動(dòng)的兩種不同流型，測定臨界雷諾數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)，確實(shí)可以讓學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)兩種不同的流體形態(tài)。但是，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對簡單。預(yù)習(xí)時(shí)，給學(xué)生提出問題“如何設(shè)置一個(gè)雷諾實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置？”讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前給出設(shè)計(jì)流程圖。此時(shí)，學(xué)生需要充分考慮穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、管路長度，甚至機(jī)器振動(dòng)對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響。然后讓學(xué)生比較自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)裝置各有什么優(yōu)缺點(diǎn)。通過比較，不但可以加深流體流動(dòng)這一章知識(shí)的學(xué)習(xí)，而且提高了學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)、工程素養(yǎng)。

1.3 現(xiàn)場預(yù)習(xí)，構(gòu)思方案

組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場預(yù)習(xí)，了解設(shè)備裝置的結(jié)構(gòu)原理和工藝流程，對實(shí)驗(yàn)的順利開設(shè)起到舉足輕重的作用。部分學(xué)生還可以根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度，在實(shí)驗(yàn)開始前自己構(gòu)思實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)指導(dǎo)教師允許后，進(jìn)行實(shí)操練習(xí)。

1.4 仿真預(yù)演，明確關(guān)鍵

利用仿真軟件[15]，提前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演練。以離心泵性能測試實(shí)驗(yàn)為例，通過仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)，可以讓學(xué)生更好地掌握離心泵開關(guān)機(jī)順序，意識(shí)到順序顛倒可能造成的后果，防止實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2 善用理論公式，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

工程實(shí)驗(yàn)不同于基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)，后者采用的方法是理論的、嚴(yán)密的，研究的對象通常是簡單、基本的甚至是理想的，而工程實(shí)驗(yàn)面對的是復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)問題和工程問題[11]。

化工原理作為學(xué)生接觸的第一門工程類基礎(chǔ)課程，承擔(dān)了從理論到工程的紐帶作用。而此時(shí)，學(xué)生的思維方式還停留在理論基礎(chǔ)上。以學(xué)生掌握的理論知識(shí)為出發(fā)點(diǎn)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生整體意識(shí)、工程意識(shí)、工程素養(yǎng)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用化工原理公式，提綱挈領(lǐng)式進(jìn)行講解。以流體流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)為例，從公式出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理。直管流體流動(dòng)阻力的計(jì)算公式Wf=λ(l/d)(u2/2)，公式中的l、d是管路尺寸，由實(shí)驗(yàn)裝置確定；速度u可由測速裝置確定；對于水平等徑直管，其ΔPf等于管路兩端壓力差ΔP，從而得出Wf=ΔPf/ρ(ρ由流體和溫度決定)。因此，依次確定實(shí)驗(yàn)裝置中應(yīng)有測速裝置、水平等經(jīng)直管、測壓差裝置和測溫裝置。這樣看似從學(xué)生熟知的理論公式推理出了工程裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)，方便學(xué)生對實(shí)驗(yàn)裝置的認(rèn)識(shí)。以一個(gè)公式，統(tǒng)攬整個(gè)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的整體意識(shí)、工程素質(zhì)。

3 實(shí)施大學(xué)生助教制度，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行模式

各實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有相通的地方，也有自己獨(dú)特的地方，因此，實(shí)驗(yàn)教師必須根據(jù)課程特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革。化工原理實(shí)驗(yàn)課程一直面臨設(shè)備臺(tái)套數(shù)少，學(xué)生人數(shù)多的問題。除了多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并行開設(shè)，增加分組數(shù)外，聘任大學(xué)生助教也是不錯(cuò)的方法[16]。這種方法本身也是一種因材施教的范例。

選擇學(xué)習(xí)基礎(chǔ)好、自主性強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，采用先培訓(xùn)后聘用的方法聘用大學(xué)生助教，代替老師進(jìn)行一些重復(fù)性的講授工作。聘用大學(xué)生助教并不能完全代替授課教師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，教師仍要在場指導(dǎo)、答疑。學(xué)生反映對自己指導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目印象尤為深刻，這得益于其充分的實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備和預(yù)習(xí)。同時(shí)，也讓其意識(shí)到提前預(yù)習(xí)的重要性。對學(xué)生而言，做助教也是一種鍛煉。通過授課，助教不僅可以培養(yǎng)其邏輯能力和語言表達(dá)能力，而且更能培養(yǎng)其自信，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

4 辨析理論與實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，培養(yǎng)工程素養(yǎng)

理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系，毫無疑問是相輔相成、相互滲透的[12]。在化工原理實(shí)驗(yàn)中，理清理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系，解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推測不一致的現(xiàn)象，變得尤為重要。

化工原理是一門工程學(xué)科，很多知識(shí)是理論與實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，也就是說理論知識(shí)的形成是參考了實(shí)踐內(nèi)容的。化工原理中的很多公式正是如此，是通過理論推導(dǎo)與實(shí)踐結(jié)果相結(jié)合而得到的。因此，在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論的關(guān)系，解釋實(shí)驗(yàn)中遇到的一些問題。如雷諾實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生觀察到的層流邊界和湍流邊界對應(yīng)的雷諾準(zhǔn)數(shù)(Re)，并不是2000和4000，而是介于倆者之間。而這顯然和理論推測是不一致的。殊不知，2000和4000這兩個(gè)邊界代表的不是某一次實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，而是多個(gè)實(shí)驗(yàn)的綜合結(jié)果。當(dāng)學(xué)生拿自己所得的層流邊界(如2600)與教材上的數(shù)據(jù)對照時(shí)，這個(gè)2600不等于2000，但是卻也滿足了“當(dāng)Re≤2000時(shí)，肯定是層流流動(dòng)；Re≥4000時(shí)，肯定是湍流流動(dòng)；2000

5 結(jié)論

在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行模式，理論與實(shí)驗(yàn)的關(guān)系。通過模型展示、科學(xué)設(shè)疑、現(xiàn)場預(yù)習(xí)和仿真預(yù)演，增設(shè)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)途徑，不僅擴(kuò)大了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時(shí)間與空間，而且培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)，預(yù)習(xí)效果大大提高。以理論公式為核心采用提綱挈領(lǐng)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即復(fù)習(xí)了理論知識(shí)，又明確了實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)的合理性，體現(xiàn)了理論指導(dǎo)工程實(shí)踐的過程，培養(yǎng)了學(xué)生的而工程素養(yǎng)。通過辨析理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系，理清工程中理論與實(shí)驗(yàn)相互依存的關(guān)系，培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)和綜合素質(zhì)。