化工原理實驗教學(xué)的改革

舒世立，趙紅麗，黃艷娥，王麗紅，柳鑫華

(唐山師范學(xué)院化學(xué)系，河北 唐山 063000)

化工原理實驗是化工原理課程的重要組成部分，與化工原理課程中基本理論相結(jié)合。實驗是對基本理論的驗證，使學(xué)生熟悉各個單元操作設(shè)備的結(jié)構(gòu)和基本操作以及調(diào)節(jié)方法，提高學(xué)生對設(shè)備的基本感知能力和調(diào)節(jié)能力。

與基礎(chǔ)實驗相比，化工原理實驗更偏向于工程實踐，主要是為了使學(xué)生對設(shè)備有一個直觀的認(rèn)識。實驗教學(xué)的特點：(1)了解某些難計算數(shù)據(jù)的實驗測定方法，使學(xué)生直觀了解在工程中，對于某些影響因素較多的參數(shù)，可以將其作為測定結(jié)果，采用實驗的方法獲得。(2)分析設(shè)備結(jié)構(gòu)和特性。在理論教學(xué)中，因為學(xué)生缺乏對設(shè)備的直觀感性認(rèn)識，對設(shè)備結(jié)構(gòu)理解較差，通過在實驗課加深學(xué)生對設(shè)備結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和基本原理理解，掌握設(shè)備性能參數(shù)和操作過程。

1 現(xiàn)有化工原理實驗教學(xué)存在的問題

實驗開始前，要求同學(xué)根據(jù)實驗講義進(jìn)行預(yù)習(xí)，了解塔設(shè)備基本結(jié)構(gòu)，熟悉實驗步驟。進(jìn)入實驗室后對照講義進(jìn)一步熟悉設(shè)備，教師講解實驗過程，邊講解邊操作，在講解過程中結(jié)合提問和同學(xué)們互動，檢驗預(yù)習(xí)情況。這種教學(xué)模式往往造成只有少數(shù)學(xué)生預(yù)習(xí)。

實驗過程中，學(xué)生首次接觸大型設(shè)備，管路、閥門、儀表等較多，又因為設(shè)備多是不銹鋼材質(zhì)，學(xué)生預(yù)習(xí)不充分，不熟悉設(shè)備結(jié)構(gòu)，造成實驗過程中無從下手也不敢下手的畏懼心理，不能理解每一步操作的目的，當(dāng)數(shù)據(jù)偏離正常范圍時不知道如何調(diào)節(jié)實驗參數(shù)，導(dǎo)致實驗課堂效果極差。

實驗報告是檢驗學(xué)生實驗課程的依據(jù)，是對實驗數(shù)據(jù)的整理、計算和分析[1]。但是學(xué)生的實驗報告僅僅是按指導(dǎo)教師的要求，根據(jù)實驗講義將所含的主要內(nèi)容學(xué)生機(jī)械式抄到實驗報告上，根本不思考，因此經(jīng)常有學(xué)生將實驗報告弄混，比如精餾和吸收兩個實驗，因為都是塔設(shè)備，經(jīng)常有學(xué)生會將二者的實驗原理、實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容和最后的數(shù)據(jù)處理弄混。這樣進(jìn)一步說明學(xué)生對實驗報告不夠重視，只是為了完成老師布置的任務(wù)，大多數(shù)學(xué)生根本不進(jìn)行透徹分析，更缺乏思考。因此經(jīng)常是一組幾個同學(xué)的實驗報告完全一樣，甚至是全班同學(xué)對于同一個思考題的回答都是一樣的，這就失去了實驗報告存在的意義。

2 化工原理實驗教學(xué)改革與探索

2.1 分層次實驗教學(xué)

高等教育的核心是人才培養(yǎng)，人才培養(yǎng)要以學(xué)生的全面發(fā)展為目標(biāo)，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)效果的不同，將實驗分為三個不同層次，其中驗證性實驗室要求所有學(xué)生必須參加，氣體兩個層次學(xué)生自由選擇[2]。

實驗三個層次分別為：(1)驗證性實驗，這一層次與原有實驗過程一樣，主要包括學(xué)生根據(jù)講義進(jìn)行預(yù)習(xí)、教師講解、教師演示、學(xué)生實驗和數(shù)據(jù)處理四個層級。這部分要求所有學(xué)生參與。(2)綜合性實驗，這一層次主要針對學(xué)有余力、對參加化工實驗大賽有興趣的和考研準(zhǔn)備考化工原理的學(xué)生，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和學(xué)習(xí)興趣，旨在加深和鞏固理論知識，提高實驗技術(shù)的綜合運(yùn)用能力。(3)設(shè)計性實驗。這一層次也主要針對學(xué)有余力的學(xué)生，學(xué)生根據(jù)實驗室現(xiàn)有設(shè)備自主選題，查閱文獻(xiàn)制定實驗方案，確定實驗步驟，完成實驗數(shù)據(jù)的測量、數(shù)據(jù)處理，指導(dǎo)教師只是負(fù)責(zé)實驗室安全和解答問題、最終確定學(xué)生方案的可行性。

以填料塔吸收傳質(zhì)系數(shù)的測定實驗這一簡單實驗來說，根據(jù)分層次實驗，由原來僅僅測量吸收傳質(zhì)系數(shù)，擴(kuò)展到如下幾個方面(1)測定填料塔吸收過程的流體力學(xué)特性與壓降之間的關(guān)系；(2)吸收劑用量對吸收傳質(zhì)系數(shù)的影響；(3)吸收過程中根據(jù)不同的工況變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 充分利用線上資源，進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)

預(yù)習(xí)是做好實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要求學(xué)生通過對理論知識的復(fù)習(xí)弄清楚實驗原理，了解實驗要求和實驗設(shè)備，熟悉具體的實驗步驟。這幾部分，學(xué)生感覺最難得就是實驗設(shè)備，化工原理實驗室是學(xué)生第一次接觸大型實驗裝置，學(xué)生對實驗裝置很陌生，無從下手。通過QQ群等將實驗裝置的視頻資料給學(xué)生，學(xué)生可以根據(jù)自己的時間安排隨時學(xué)習(xí)，反復(fù)觀看，提高對設(shè)備的熟悉程度；通過實驗前的仿真實驗，熟悉實驗流程，體會誤操作給實驗帶來的問題。充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，提高預(yù)習(xí)效果[3-4]。

2.3 細(xì)化實驗過程

化工原理實驗裝置是化工廠單元操作裝置的縮小版，實驗測量的數(shù)據(jù)大部分也是工廠中需要工人不斷采樣分析的數(shù)據(jù)，因此實驗過程不僅需要理論知識，還需要考慮工業(yè)過程的可行性，特別是操作過程是否安全可靠，因此在實驗講解過程中要結(jié)合生產(chǎn)實際講解實驗內(nèi)容，重點介紹實驗流程、實驗設(shè)備的正確使用方法、操作步驟、實驗中需要重點觀察的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)測量點，以及注意事項，特別是安全注意事項。比如填料塔吸收傳質(zhì)系數(shù)的測定實驗，雖然吸收實驗相對其他化工原理實驗操作步驟簡單、需要測量數(shù)據(jù)少，但是由于塔設(shè)備比較高，而且我校的實驗裝置是吸收解吸在一臺設(shè)備上，對于有些閥門學(xué)生如果沒有仔細(xì)預(yù)習(xí)，可能會誤開或誤關(guān)，導(dǎo)致塔內(nèi)壓力急劇上升或下降，因此在講解過程中，教師對實驗設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)解析，對于設(shè)備操作中的各個細(xì)節(jié)重點強(qiáng)調(diào)，使學(xué)生對設(shè)備有足夠的了解。

通過實驗前的預(yù)習(xí)和老師的講解，達(dá)到學(xué)生能完全明白實驗過程和實驗操作，并且知道每一步操作對應(yīng)的目的。在實驗過程中，老師通過仔細(xì)觀察及時糾正學(xué)生不規(guī)范的操作，做出針對性的指導(dǎo)。

化工原理實驗主要是對工程問題的驗證，而工程問題的影響因素眾多，過程復(fù)雜，一些細(xì)微的操作不同或者參數(shù)變化都可能對產(chǎn)品性能和生產(chǎn)過程造成重大影響，根據(jù)學(xué)生的實際操作，針對個別學(xué)有余力的學(xué)生，可以當(dāng)堂提出一些問題，訓(xùn)練學(xué)生的思考和解決問題能力。在吸收實驗中，氣體溫度不斷上升，這是因為隨著實驗進(jìn)行空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致氣體入口溫度不斷上升。通過讓學(xué)生解釋這一現(xiàn)象不僅可以用到理論知識，認(rèn)識到理論與實際的差距，還可以使學(xué)生更直觀的了解工程問題的影響因素眾多，認(rèn)識到從實驗室到工業(yè)化并不僅僅是設(shè)備的放大，需要綜合考慮傳質(zhì)、傳熱等等因素。實驗過程中，吸收填料塔塔頂?shù)臏囟雀哂谒?，這一現(xiàn)象對吸收過程有何影響，如果消除，通過這些問題可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和綜合、靈活運(yùn)用所學(xué)知識的能力。

在實驗過程中鼓勵學(xué)生利用excel、origin軟件處理測量數(shù)據(jù)，確定是否需要進(jìn)行重復(fù)實驗，提高學(xué)生處理實驗異常數(shù)據(jù)的能量，提高實驗教學(xué)質(zhì)量[5]。

2.4 重視實驗報告，提高數(shù)據(jù)處理能力

為了打破傳統(tǒng)實驗報告的弊端，不再強(qiáng)制學(xué)生按實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗設(shè)備、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理、思考題等這幾部分進(jìn)行撰寫，為學(xué)生留有更多的思考空間。驗證性實驗，在實驗報告中更注重誤差分析部分，盡可能減少抄襲現(xiàn)象；綜合性和設(shè)計性實驗沒有現(xiàn)成的實驗講義可用，學(xué)生既可以按照傳統(tǒng)實驗報告形式來寫，也可以寫成小論文的形式，學(xué)生通過處理實驗報告可以提高查閱文獻(xiàn)、撰寫論文的基本能力。

與基礎(chǔ)實驗相比，化工原理實驗數(shù)據(jù)多，計算量大。學(xué)生面對繁雜的數(shù)據(jù)感到無從下手，針對不同層次的實驗，對數(shù)據(jù)處理提出不同的要求。驗證性實驗，由教師提前設(shè)計好原始數(shù)據(jù)記錄表；綜合性和設(shè)計性實驗的原始數(shù)據(jù)記錄表由學(xué)生自己設(shè)計，教師負(fù)責(zé)檢查和指導(dǎo)。數(shù)據(jù)記錄表要寫明各個數(shù)據(jù)的單位，有效數(shù)字。實驗過程中學(xué)生及時填寫測量數(shù)據(jù)，實驗結(jié)束，教師認(rèn)真檢查記錄的實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生及時處理實驗數(shù)據(jù)，詳細(xì)描述數(shù)據(jù)處理過程。通過數(shù)據(jù)處理過程，學(xué)生可以更進(jìn)一步理解實驗的目的和原理，提高綜合運(yùn)用知識和創(chuàng)新的能力。鼓勵學(xué)生采用不同的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，比如采用圖示法，列表法等，使學(xué)生的數(shù)據(jù)處理過程更接近工程實際。

2.5 實驗成績評定

實驗課程主要是培養(yǎng)學(xué)生的基本操作和獲取數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的能力，因此實驗考核通過實驗操作和數(shù)據(jù)處理兩部分組成。由于化工原理實驗時間較長，不可能每一個實驗都進(jìn)行考核，因此采用現(xiàn)場抽簽方式確定考核實驗，考核過程中教師根據(jù)實驗設(shè)備、實驗原理或?qū)嶒灢僮鬟M(jìn)行提問，通過實驗操作、數(shù)據(jù)處理和回答問題三部分進(jìn)行全面考核。這一考核方式既可以避免學(xué)生不重視實驗課，實驗過程中僅有少數(shù)人動手操作的現(xiàn)象，又能考核學(xué)生的應(yīng)變能力和知識掌握程度及綜合運(yùn)用能力。

整個實驗課程的分?jǐn)?shù)由平時實驗課成績、實驗報告和考核成績按比例組成。

3 結(jié) 語

填料塔吸收傳質(zhì)系數(shù)的測定實驗是工程實踐在實驗室的驗證性實驗，具有工程特色，通過改善預(yù)習(xí)過程、增加實驗層次、提高數(shù)據(jù)處理要求、改變考核過程等，建立起化工原理教學(xué)與實驗相互結(jié)合的整體實驗過程，提高實驗課課堂的教學(xué)質(zhì)量，完成實驗課的人才培養(yǎng)目標(biāo)，提升學(xué)有余力學(xué)生的綜合、設(shè)計能力，為學(xué)生后續(xù)參加實驗大賽和考研提供幫助。