膜分離特色化工實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和教學(xué)資源的建設(shè)及應(yīng)用

高明麗，王鈺煕，魏偉，吳亮，汪耀明，馮紅艷,＊

1化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué))，合肥 230026

2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，合肥 230026

化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)學(xué)科唯一的一門(mén)工科類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，是理科化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的工程技術(shù)教育中一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。理科化學(xué)工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目標(biāo)是：(1) 培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)；(2) 初步掌握一些有關(guān)化學(xué)工程學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)；(3) 培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。近年來(lái)，緊緊圍繞課程教學(xué)目標(biāo)，我?；?shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在課程內(nèi)容建設(shè)、教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)模式創(chuàng)新等方面做了一些特色化工作，對(duì)提升化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量起到了一定的積極作用。以下將展開(kāi)介紹。

1 課程內(nèi)容的特色化建設(shè)

為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)科前沿的了解，學(xué)生除了掌握如吸收、精餾等一些常規(guī)的分離技術(shù)外，還必須掌握一些新型的分離技術(shù)。膜分離技術(shù)具有高效、節(jié)能、分離過(guò)程簡(jiǎn)單等特性，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今分離科學(xué)中重要的手段之一[1,2]。近年來(lái)，結(jié)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)功能膜研究室的科研實(shí)力，課程組開(kāi)設(shè)了很多緊跟學(xué)科前沿并具有特色的新型膜分離實(shí)驗(yàn)[3-8]，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形成互補(bǔ)。

1.1 開(kāi)設(shè)緊跟學(xué)科前沿的膜分離實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

“卷式擴(kuò)散滲析分離酸鹽實(shí)驗(yàn)”是一個(gè)將科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的新型實(shí)驗(yàn)[4,9]，它來(lái)源于課程組教師的國(guó)家面上基金項(xiàng)目“卷式擴(kuò)散滲析膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究”(2012)科研課題。課程組教師對(duì)科研儀器進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，其中核心元件卷式擴(kuò)散膜組件，已獲得國(guó)家專利(201010144042.4)，是我校首套帶有“USTC”字樣的化工教學(xué)儀器。實(shí)驗(yàn)設(shè)備由合肥科佳中心生產(chǎn)，目前已在安徽大學(xué)等高校推廣。該實(shí)驗(yàn)自2015年春季用于本科教學(xué)。

“膜蒸餾海水淡化實(shí)驗(yàn)”是一個(gè)將浸沒(méi)式膜蒸餾工業(yè)用設(shè)備引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[5]。為符合本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，我們對(duì)引入設(shè)備進(jìn)行管路改造，從2017年春季學(xué)期開(kāi)始，它作為一個(gè)原創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用于本科生的化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解膜蒸餾相關(guān)的前沿知識(shí)，增強(qiáng)將科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的應(yīng)用意識(shí)。

此外，還開(kāi)設(shè)了“納濾法分離糖和鹽的水溶液實(shí)驗(yàn)”“超濾法分離明膠蛋白水溶液實(shí)驗(yàn)”等膜分離前沿實(shí)驗(yàn)。

1.2 開(kāi)發(fā)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)[3,6,7]

以引導(dǎo)學(xué)生自主思考、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、激發(fā)學(xué)生研究興趣為目標(biāo)，近年來(lái)，課程組開(kāi)發(fā)了一些與膜前沿技術(shù)相關(guān)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。如“超濾膜組件的組裝及茶葉中茶多酚的分離實(shí)驗(yàn)”“超濾法分離明膠蛋白水溶液綜合實(shí)驗(yàn)”等，在超濾綜合實(shí)驗(yàn)中大小型設(shè)備并用，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行膜堆組裝，在組裝組件的過(guò)程中，了解板框組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理，解開(kāi)膜分離設(shè)備原理的“黑匣子”。這類實(shí)驗(yàn)有的用于本科生基礎(chǔ)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有的曾用于夏季學(xué)期的“化學(xué)科研基礎(chǔ)訓(xùn)練”課程，收到了學(xué)生較好的反饋。

1.3 形成多層次課程體系

經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)積累，形成了更適合理科院校開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，構(gòu)建了多層次教學(xué)體系，分為“傳統(tǒng)化工實(shí)驗(yàn)”“膜分離單元操作實(shí)驗(yàn)”和“膜分離綜合實(shí)驗(yàn)”(表1)。在保留經(jīng)典的三傳一反實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加了適合理科專業(yè)又具有特色的膜分離實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)度。每學(xué)期從傳統(tǒng)化工實(shí)驗(yàn)和新型膜分離實(shí)驗(yàn)中選取6-8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為開(kāi)課內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既有基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，又有綜合性實(shí)驗(yàn)；既有傳統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)，又有能反映學(xué)科發(fā)展方向的新實(shí)驗(yàn)。

表1 化工實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與類型

2 教學(xué)資源建設(shè)

結(jié)合化工實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，運(yùn)用現(xiàn)代化信息技術(shù)，我們建設(shè)了多層次的信息化教學(xué)資源。利用信息化教學(xué)資源，不僅較大程度地提高了教學(xué)效果，也增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

2.1 建設(shè)實(shí)驗(yàn)操作視頻庫(kù)

教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課實(shí)施過(guò)程中存在著一些問(wèn)題，如：化工設(shè)備比較復(fù)雜，有的還比較龐大，學(xué)生僅按教材預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，待課上做實(shí)驗(yàn)時(shí)仍然不明確該如何操作儀器設(shè)備。另外，學(xué)生課后撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)時(shí)，僅憑回憶實(shí)驗(yàn)過(guò)程，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程完整準(zhǔn)確地再現(xiàn)。針對(duì)這些問(wèn)題，我們借助電子信息技術(shù)，將化工實(shí)驗(yàn)操作拍攝成教學(xué)視頻(圖1)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、輔助教師教學(xué)服務(wù)。目前，已完成常用于教學(xué)的8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)視頻錄制。實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻具有實(shí)時(shí)播放和點(diǎn)播功能，具有較強(qiáng)的可視性和可模仿性，可以應(yīng)用在課前預(yù)習(xí)、課堂、課后復(fù)習(xí)等整個(gè)教學(xué)活動(dòng)過(guò)程之中。

圖1 部分實(shí)驗(yàn)操作視頻截屏

2.2 開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)原理動(dòng)畫(huà)

為了幫助學(xué)生加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和掌握，解決因?yàn)楣苈贩忾]無(wú)法看到儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)流程的問(wèn)題，我們制作了一系列有關(guān)實(shí)驗(yàn)原理和儀器結(jié)構(gòu)的小動(dòng)畫(huà)，如膜蒸餾海水淡化實(shí)驗(yàn)的原理及流程動(dòng)畫(huà)、卷式擴(kuò)散滲析實(shí)驗(yàn)原理動(dòng)畫(huà)、離心泵原理動(dòng)畫(huà)、填料塔結(jié)構(gòu)動(dòng)畫(huà)等。圖2為部分動(dòng)畫(huà)截屏。

圖2 動(dòng)畫(huà)截屏

2.3 開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和運(yùn)用優(yōu)質(zhì)共享資源

借助現(xiàn)代信息技術(shù)，結(jié)合課程的實(shí)際情況，我們開(kāi)發(fā)了具有自身特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，包括膜蒸餾海水淡化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和卷式擴(kuò)散滲析綜合實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(圖3)，前者已經(jīng)運(yùn)用在本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生反映虛擬實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)性、交互性較好；后者已經(jīng)完成制作，也即將運(yùn)用于教學(xué)。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)截屏

對(duì)于傳統(tǒng)化工實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)備統(tǒng)一采購(gòu)于“天津大學(xué)”開(kāi)發(fā)的成型教學(xué)設(shè)備，我們將與之契合度最佳的天津大學(xué)開(kāi)發(fā)的4個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)，包括精餾、吸收、傳熱和離心泵虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(圖4)，其中精餾實(shí)驗(yàn)為國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

圖4 引入的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)截屏

線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)不受傳統(tǒng)課堂限制，同時(shí)其也是線下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的延伸與拓展。依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以開(kāi)展翻轉(zhuǎn)課堂，將線上虛擬實(shí)驗(yàn)和線下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更加靈活和豐富，虛擬實(shí)驗(yàn)也使2020年新冠疫情期間線上化工實(shí)驗(yàn)授課得以實(shí)現(xiàn)[10]。

2.4 建設(shè)課程網(wǎng)站

課程組制作了專門(mén)的化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站(網(wǎng)址：http://chemenglab.ustc.edu.cn/，或掃二維碼登錄，圖5)，網(wǎng)站全面介紹化工實(shí)驗(yàn)課程、教學(xué)課件、教學(xué)視頻、教學(xué)成果、特色教學(xué)等。這些資料有助于學(xué)生了解本課程的設(shè)置和教學(xué)概況，給學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提供了一種渠道。

圖5 化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站

3 教學(xué)模式的改革與實(shí)踐

教學(xué)模式的創(chuàng)新改革是教學(xué)質(zhì)量提升的助推劑。目前，課程組開(kāi)發(fā)了豐富的與課程配套的教學(xué)資源，包括化工原理動(dòng)畫(huà)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)操作視頻等。除了在課程網(wǎng)站上發(fā)布教學(xué)資源，我們還使用“教學(xué)立方”智能教學(xué)模式，將教學(xué)資源靈活應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中。

“教學(xué)立方”是一種智能的課堂輔助教學(xué)平臺(tái)，它是智能化、綜合性的教學(xué)互動(dòng)和管理系統(tǒng)，具有功能強(qiáng)大、操作方便的特點(diǎn)[11]。它可由網(wǎng)頁(yè)端(網(wǎng)址：https://teaching.applysquare.com/Home/User/login)和微信公眾號(hào)兩種渠道登陸?！敖虒W(xué)立方”教學(xué)模式可以貫穿于課前、課中、課后整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，包括線上教學(xué)資源的推送、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、課程簽到、課堂測(cè)試、問(wèn)題討論及進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查(圖6，圖7)。

圖6 “教學(xué)立方”資料推送

圖7 “教學(xué)立方”微信公眾號(hào)

在學(xué)期結(jié)束時(shí)，通過(guò)“教學(xué)立方”給學(xué)生做的調(diào)查問(wèn)卷顯示，同學(xué)們普遍反應(yīng)該教學(xué)模式對(duì)他們的化工實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)很有幫助，可以很方便觀看實(shí)驗(yàn)課件和操作視頻，有利于實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和總結(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

歷經(jīng)多年的建設(shè)和實(shí)踐，我?；?shí)驗(yàn)課程形成了將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和膜分離實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的多層次課程體系，構(gòu)建包括動(dòng)畫(huà)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)操作視頻和PPT課件在內(nèi)的豐富的、與課程配套的教學(xué)資源，改革教學(xué)模式，將“教學(xué)立方”智能教學(xué)輔助平臺(tái)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，推進(jìn)教學(xué)資源的有效運(yùn)用，做了一些具有自身特色的化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。之后，我們將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，持續(xù)改進(jìn)和更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，做好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用和再建設(shè)，推進(jìn)新形態(tài)教材的編訂工作，爭(zhēng)取將化工實(shí)驗(yàn)課程再推上一個(gè)臺(tái)階。