“化工原理——膜分離”教學改革初探

高波 劉嘉棟 韓蕓 張海涵

[關鍵詞]化工原理;膜分離;教學改革;全過程演示實驗

化工原理課程屬化學工程技術科學學科，是理論性和實踐性都很強的學科，是環(huán)境工程專業(yè)必修的一門重要的專業(yè)基礎課程。課程的主要任務是通過本課程的學習使學生獲得常見化工單元操作過程及設備使用所需的基本知識、基本理論和基本的計算能力以及基本工藝設計計算能力，培養(yǎng)學生運用本學科基礎理論分析和解決環(huán)境工程中有關問題的能力。該課程一般開設于大三上學期，在學生學習高等數(shù)學、物理及化學等基礎課之后，起著承前啟后的作用，是從基礎課向專業(yè)課過渡的銜接課程，為本專業(yè)的主要專業(yè)課《大氣污染控制工程》《水污染控制工程》等課程的學習和從事廢氣、廢水的治理與開展科研工作奠定專業(yè)基礎。很多高等學校環(huán)境工程專業(yè)都開設這門課程，但不同學校不同的教學條件、背景以及優(yōu)勢促使各學校進行教學改革，開展特色化教學。目前本?；ぴ碚n程教學手段仍然是“板書+課件+平面動畫+課程設計”的傳統(tǒng)模式，而修讀本科生則存在基礎知識儲備不足的現(xiàn)實問題。在環(huán)境保護技術日新月異的今天，在工程教育改革和新工科建設的大環(huán)境下，過于傳統(tǒng)的教學手段已經(jīng)稍顯力不從心，因此亟需進一步豐富教學手段，以全面深入展示相關知識點，促進學生知識的掌握程度，并結合教師自身的科學研究開展特色化教學，提升學生的學習興趣。

一、直面課程問題

環(huán)境污染問題的復雜性、持續(xù)性以及廣泛性等特點，迫使環(huán)境工程專業(yè)技術人才具備解決復雜環(huán)境問題的能力，從而對環(huán)境工程專業(yè)任課教師提出了更高的要求。教師不僅要按照課程教學大綱的要求保質保量地完成課堂教學任務，還要在不增加課時量的情況下給學生介紹一些和課程相關的科研進展，以開闊學生的眼界，增強學生的學習興趣。而在修讀化工原理前，學生已基本完成工科基礎課程的學習，同時已經(jīng)具備各類基礎實驗操作技能。此時，學生初步儲備了相關數(shù)學、工程、實際操作知識，有條件對該門課程進行系統(tǒng)深人的學習。

化工原理包含流體力學、傳質過程、傳熱過程、塔設備、固體干燥以及膜分離技術等內容，涉及基本理論知識、工程設計、選型及操作計算。作者作為講授該門課程的一線教師，在授課過程中明顯體會到該門課程理論計算有深度、設計計算有難度、操作計算較靈活，尤其是環(huán)境工程專業(yè)的本科生在修讀該門課程之前對相關設備實物接觸較少，沒有機會去直觀了解設備的內部結構及操作過程，從而影響后續(xù)的設計、操作、選型、參數(shù)選取和計算。而現(xiàn)有的結合平面動畫的課件教學已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化教學的要求，不利于學生掌握相關知識，而本科生實驗室亦無法滿足針對所有知識點開展課程實驗。因此，該門課程存在學習難度大、設備展示不直觀、實驗操作課時不足、教學手段相對滯后的問題。

二、尋求解決方案

作為任課教師，有責任基于自身科研及教學經(jīng)驗，對課程內容進行豐富，以促進學生對該門課程內容的充分掌握，從而為后續(xù)專業(yè)課程的學習打下堅實的基礎。全過程演示實驗與課堂教學的結合則是一種即簡便又新穎的教學手段，該教學方法主要是利用教師科研實驗設備和實驗室，拍攝未開設課程實驗的教學內容的全過程演示實驗視頻，全方位展示該實驗的操作過程，即無需增加實際操作課程實驗課時，亦具有成本低、內容靈活、短小直觀、易于理解的特點。

因此，作者根據(jù)自身長期積累的科研經(jīng)驗，選取化工原理課程中的膜分離章節(jié)為切入點，嘗試開展基于全過程演示實驗與課堂教學結合的課堂教學改革探索。膜分離屬環(huán)境工程領域，是水處理領域的重要操作單元和研究對象，也是目前工程實施中的優(yōu)先選擇。因此，環(huán)境工程本科生無論將來選擇就業(yè)或繼續(xù)深造，幾乎均需要面對該技術。膜分離過程主要涉及膜材料和操作條件計算，而操作條件計算理論性較強，傳統(tǒng)課堂教學結合公式推導可以基本滿足授課要求，而膜材料則涉及無機膜、有機膜，而有機膜的應用尤其廣泛。但是，目前本科課程所選教材，包括水污染控制工程課程，均未涉及有機膜材料的制備過程，而該過程是膜材料研究和選型的重要內容和依據(jù)。因此，作者選擇有機膜材料的制備作為著力點，嘗試完成聚偏氟乙烯（PVDF）平板微濾膜的制備全過程演示實驗視頻。

視頻拍攝根據(jù)如圖1所示步驟進行，由有經(jīng)驗的研究生進行操作演示。制備方法參考碩士論文，包括：（1）鑄膜液配制。根據(jù)所需微濾膜膜孔要求，將一定量的致孔劑聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶于一定體積的有機溶劑N，N-二甲基乙酰胺（DMAC）中，待PVP完全溶解，再緩慢加入一定量PVDF。在此步驟中需要注意PVP、DMAC、PVDF的配比，膜孔大小及成膜性能與此配比息息相關。致孔劑PVP含量越高，膜表面孔徑越大，但當PVP添加量大到一定程度，膜孔不再變大，PVP投加量過高可能導致溶解不完全，從而使得鑄膜液配制失敗，因此PVP取值需根據(jù)膜孔尺寸控制在合適范圍內;溶劑DMAC的量越大，鑄膜液粘度越小，在一定程度上有利于鑄膜液的配制，但是DMAC比例過高將導致成膜厚度減少、強度降低、鑄膜液大量滲入無紡布基底背面，從而影響膜材料的性能及壽命，其比例過低則導致PVP和PVDF溶解困難、鑄膜液粘度過高，使得成膜材料致密且難以順利刮膜;PVDF是膜材料的最終存在形式，其由流體狀態(tài)通過相轉化過程脫去DMAC和PVP，最終形成多孔固體薄膜，其在鑄膜液中的比例對成膜性能影響顯著，比例過低將導致鑄膜液過稀，無法獲得所需性能的產(chǎn)品，占比過高則導致PVDF粉末難以溶解且鑄膜液粘度過大，可能產(chǎn)生致密膜結構從而影響水通量，且不利于刮膜過程的順利實施。（2）鑄膜液攪拌。在室溫（25℃）條件下，持續(xù)磁力攪拌鑄膜液，直到所有PVDF溶解，一般需要24h。此過程需確定所有PVDF完全溶解，否則會造成后續(xù)刮膜出現(xiàn)大的破損，從而導致制膜失敗。（3）鑄膜液脫泡。攪拌均勻的鑄膜液在室溫條件下靜置一定時間脫除氣泡，一般需要12h。此過程需注意脫泡完全，否則會在刮膜過程中出現(xiàn)氣泡孔。（4）鑄膜液刮膜。根據(jù)所需膜的厚度選取相應厚度的刮膜刀，在光滑干燥的玻璃板上刮膜，注意刮膜刀需勻速移動，這樣才能有效保證制備膜的均勻性;注意鑄膜液的用量，在均勻制備的同時節(jié)省鑄膜液;另外，務必保持玻璃板表面干燥，否則鑄膜液在刮膜過程中就可能發(fā)生相轉化。（5）相轉化。將玻璃板連同刮好的膜一起放入裝有一定體積水的容器中進行相轉化。此過程是將膜中溶劑DMAC及PVP溶出，從而形成固體PVDF薄膜并在膜中留下一定大小的膜孔，膜孔的大小與DMAC溶出速率相關，也就是相轉化速率。相轉化速率決定了膜的微結構形態(tài)，相轉化速率越快，膜孔一般為指狀孔結構，相轉化速率越慢，膜孔一般為海綿狀孔結構。其中，鑄膜液的粘度對相轉化速率影響較大，粘度越大，便越難以分相，從而使得相轉化速率變慢，最終膜內部孔隙逐漸從指狀孔變成海綿狀孔。另外，相轉化溫度也會影響最終的膜孔形態(tài)，溫度越高，DMAC擴散越快，相轉化速率越快，形成指狀孔的幾率越大。

視頻素材拍攝完成后交由專業(yè)人員進行剪輯，配合專業(yè)的解說詞，制作完整的視頻材料。制作完成后由作者和教研室相關同事共同進行審核，并提出修改意見。最后根據(jù)修改意見進行視頻補充拍攝、解說詞完善和重新剪輯，最終形成正式的基于全過程演示實驗與課堂教學結合的教學素材，并在該部分教學過程中進行展示。展示過程中，教師就學生不能理解或掌握的內容進行補充講述，同時適當介紹相關步驟，為學生拓寬專業(yè)視野、提升專業(yè)興趣。

三、效果初步顯現(xiàn)

在膜分離章節(jié)授課過程中，通過播放教學視頻結合教師補充講解后，本科生首次接觸了有機微濾膜的制備全過程，同時了解了制備過程中的注意事項以及相關參數(shù)對最終產(chǎn)品性能的影響機制。課后采用在線文檔調查問卷的方式收集了修讀學生對本次教學改革活動的反饋意見，最終收到有效反饋意見63份。本次調查問卷設置4個問題：（1）本科階段是否曾接觸過類似的演示實驗？（2）該演示實驗是否提升了你對該門課程的學習興趣？（3）推廣該種教學模式是否將提升你對本專業(yè)的學習興趣？（4）提前接觸此類科研內容是否將提升你繼續(xù)深造的意愿？反饋意見表明，目前通過實施基于全過程演示實驗與課堂教學結合的教學改革收到的效果主要集中在兩個方面（圖2）：學生專業(yè)興趣提升;學生深造意愿增強。具體討論如下：

（1）學生專業(yè)興趣提升：作者所在學校給學生提供一次轉專業(yè)的機會，而環(huán)境工程專業(yè)的部分學生有轉專業(yè)的意愿，主要原因在于此時學生尚未接觸專業(yè)課程，對本專業(yè)的認識不夠充分深入。其次，相關學生對本專業(yè)的前景把握不足。也有部分學生直接表示相關課程難度較大，不易掌握，從而對本專業(yè)缺乏足夠的學習信心，尤其對于類似于化工原理這種計算復雜且涉及知識點眾多的課程，部分學生明顯缺乏學習動力，造成課程考試平均成績差異較大。圖2的反饋結果表明，只有38%的學生在此前接觸過類似的演示實驗，說明本科生的學習過程中仍較為缺乏接觸多樣化教學手段的機會。在化工原理授課過程中，通過該教學視頻的演示和講解后，多數(shù)學生表現(xiàn)出了明顯的興趣，提問及咨詢的積極性明顯高于以往，大部分學生均表示專業(yè)基礎課程并不像課本展示的那樣枯燥，這也從100%的學生均表示該演示實驗提升了其對該門課程的學習興趣可以證明。課堂現(xiàn)場詢問表明絕大部分學生均建議此類基于全過程演示實驗與課堂教學結合的教學改革應該覆蓋全課程，甚至進一步擴展延伸。調查表明，97%的學生表示推廣該種教學模式將提升其對本專業(yè)的學習興趣，而本科階段的教學內容可以更為人性化和直觀化，對此基于全過程演示實驗與課堂教學結合的教學改革無疑意義重大。

（2）學生深造意愿增強：作者所在學校環(huán)境工程專業(yè)本科生考研率一直保持在較高水平，但是仍存在部分學生在就業(yè)與深造的選擇之間搖擺不定。作者作為本科生班主任亦經(jīng)常接到學生的此類咨詢，但是在學生不充分理解深造內容的情況下，咨詢效果常常不夠理想。在上述有機膜材料制備全過程演示視頻播放后，本科生對研究生階段的科研工作有了一個初步的認識，多數(shù)學生表示實驗過程非常有趣，而此前他們除了本科課程實驗則從未接觸過科研實驗過程。

基于全過程演示實驗與課堂教學結合的教學視頻播放后，本科生有了一次從課堂直接走進科研實驗室的機會。多數(shù)學生則明確表示此類機會多多益善，而之前部分思想搖擺的學生則做出了繼續(xù)深造的決定。實際調查結果表明，83%的學生表示提前接觸此類科研內容將提升其繼續(xù)深造的意愿?？梢?，結合科研的教學改革無疑會對學生產(chǎn)生深遠的影響。

同時，部分學生也提出了具體的意見和建議，如“如果能定期或者在不同階段安排這樣的實驗就更好了，畢竟面對面更能加深印象”“希望有機會讓我們近距離觀察甚至操作一下”“最好能先介紹此類材料的應用前景和具體應用背景”等。這些具體意見表明，學生本身求知欲和探索欲較強，十分期待增加接觸此類教學改革的機會，也明白需要基礎知識儲備才可以更為深入地了解相關內容。因此，作為授課教師，持續(xù)推進此類教學改革勢在必行，后續(xù)改革過程中亦需緊密聯(lián)系學生，從學生實際需求出發(fā)的改革才是最好的改革。

四、展望

作者在一線教學過程中，通過觀察學生在學習過程中的狀態(tài)，初步掌握了學生對課堂教學的期望，通過基于全過程演示實驗與課堂教學結合的教學改革的初步探索，明顯體會到學生的求知欲與現(xiàn)有教學手段之間的差距。雖然作為專業(yè)基礎課程，化工原理的學習要求是牢牢掌握相關基礎知識和計算過程，但是在涉及眾多設備和操作單元時，一種更為直觀的教學方式明顯更有利于學生對相關知識的理解和掌握。在缺乏實物接觸和實際操作的情況下，全過程演示實驗與課堂教學的結合就充分體現(xiàn)出其價值。但是，由于化工原理課程所涉及的單元操作眾多，作者作為環(huán)境工程專業(yè)教師，對于化工類設備亦缺乏深入的研究，后續(xù)在全面推行基于全過程演示實驗與課堂教學結合的教學改革的過程中，完全有必要聯(lián)合化工類專業(yè)教師和相關企業(yè)工程師，共同進行相關視頻、模型的拍攝制作和相關設備的設計、操作、選型以及參數(shù)選擇等。

教學相長是一個長期的過程，教師有整個職業(yè)生涯來提升其授課水平，而每一屆學生則只有一學期或一年的時間來修讀該門課程，教師迅速提升對該門課程的授課水平則是對學生負責的直接體現(xiàn)?！肮び破涫拢叵壤淦鳌?，教學手段的擴展提升是授課水平提高的重要體現(xiàn)。因此，對于化工原理這門課程而言，教師對基礎知識了熟于胸是前提，基于全過程演示實驗與課堂教學結合的教學改革則為教學質量的提升提供了一個易于實現(xiàn)的途徑。通過教學改革初試，學生期望類似改革可以覆蓋整個課程甚至進一步拓展延伸至其他課程，因為此類改革明顯有利于學生對相關知識點的直觀了解，有助于學生對理論知識的深入理解和掌握。