基于知識(shí)集成再利用的化工綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與探索

＊李春香 楊春暉

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院 黑龍江 150001）

化工專業(yè)是高等工科教育中一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)。專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)專業(yè)課程的認(rèn)識(shí)，對(duì)課程教學(xué)有很好的輔助性，也能提高學(xué)生在化工領(lǐng)域的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，對(duì)行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)有形象化的認(rèn)識(shí)，有利于學(xué)生畢業(yè)后的擇業(yè)和參加工作及繼續(xù)深造后技術(shù)工作的開展。教育部在2009年擬通過(guò)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，從而提高學(xué)生的工程意識(shí)、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，特別是對(duì)知識(shí)的集成再利用能力，創(chuàng)建具有中國(guó)特色的工程教育模式。

1.化工綜合實(shí)驗(yàn)在化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的地位及作用

“化學(xué)工程與工藝專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”簡(jiǎn)稱為“化工綜合實(shí)驗(yàn)”，是立足于《化工原理》而發(fā)展起來(lái)的一門實(shí)踐課程。化工綜合實(shí)驗(yàn)集成了儀器化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)、機(jī)械制圖等多學(xué)科知識(shí)，服務(wù)于學(xué)生化工實(shí)習(xí)，在鍛煉學(xué)生專業(yè)操作能力的同時(shí)提高知識(shí)集成的運(yùn)用能力。因此化工綜合實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)上，一般至少由兩個(gè)二級(jí)學(xué)科組成，將學(xué)科交叉和知識(shí)集成體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中。鑒于化工綜合實(shí)驗(yàn)的知識(shí)集成特點(diǎn)，它是一門適宜針對(duì)大三、大四學(xué)生開設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn)課程。通過(guò)化工綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐訓(xùn)練，讓學(xué)生綜合運(yùn)用2-3個(gè)不同學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，解決一個(gè)小而典型的化工問(wèn)題，從而培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)集成能力以及集成知識(shí)再利用能力，為將來(lái)解決實(shí)際化工問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

2.化工綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

(1)我?；ぞC合實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

只有通過(guò)工程教學(xué)實(shí)踐，才能培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才。而工程應(yīng)用，必然是知識(shí)的集成再利用過(guò)程，因此國(guó)家、各高校在實(shí)踐教學(xué)硬件特別是綜合實(shí)踐教學(xué)硬件上的投入逐年增加。但由于課程體系設(shè)置的學(xué)時(shí)受限等原因，實(shí)驗(yàn)教學(xué)很多仍停留在重演示、多驗(yàn)證、少設(shè)計(jì)性、缺乏創(chuàng)新性的階段。經(jīng)過(guò)前幾年的本科教學(xué)評(píng)估活動(dòng)，實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題有所改善。特別是近年來(lái)的專業(yè)認(rèn)證，對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的要求越來(lái)越高，其評(píng)估指標(biāo)中規(guī)定了各類院校達(dá)標(biāo)所要求的生均儀器設(shè)備最低占有量，以及各類設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性、綜合性實(shí)驗(yàn)必須占總實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的最低比例數(shù)。

我?；瘜W(xué)工程與技術(shù)學(xué)科為全國(guó)評(píng)估前八名的一級(jí)學(xué)科，同時(shí)我校學(xué)生畢業(yè)后多是入職企業(yè)，因此在課程安排和設(shè)計(jì)中更多地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力也是化工綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置的重要依據(jù)。依據(jù)我校本科專業(yè)課程設(shè)置特點(diǎn)并結(jié)合化工專業(yè)特點(diǎn)，化工綜合實(shí)驗(yàn)從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集分析、化工流體、反應(yīng)化學(xué)工程等方面開設(shè)了基礎(chǔ)理論“測(cè)試誤差與數(shù)據(jù)處理（4學(xué)時(shí)）”，以及多功能精餾、化工流體過(guò)程綜合、洞道干燥實(shí)驗(yàn)裝置、化工傳熱綜合、固定床催化制備等十五個(gè)實(shí)驗(yàn)單元，共計(jì)72學(xué)時(shí)（表1）。

表1 化工綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容及學(xué)時(shí)安排

化工綜合實(shí)驗(yàn)中涉及的實(shí)驗(yàn)操作裝置與化工企業(yè)同步，以面板數(shù)顯操作為主，有利于學(xué)生熟悉化工企業(yè)實(shí)際操作方法。同時(shí)裝置還可拆解進(jìn)行微型化工單元操作，以便加深單一知識(shí)點(diǎn)的理解認(rèn)識(shí)。以CO2吸附與解析實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)為6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)理論涉及物理吸收、化學(xué)吸收等基礎(chǔ)化學(xué)理論知識(shí)，也包含氣-液平衡關(guān)系、流體力學(xué)、傳質(zhì)、塔料填充、物料平衡等多學(xué)科專業(yè)化工理論知識(shí)。通過(guò)了解實(shí)驗(yàn)裝置即可了解企業(yè)填料塔的基本構(gòu)造、塔柱生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程等；通過(guò)學(xué)生實(shí)踐操作即可實(shí)現(xiàn)填料塔的操控并獲得不同CO2吸收率和解析率的產(chǎn)品；通過(guò)氣相色譜等儀器的檢測(cè)操作實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制備到產(chǎn)品定性的檢測(cè)與理論計(jì)算。由于實(shí)驗(yàn)的知識(shí)集成以產(chǎn)品的具體形式體現(xiàn)，學(xué)生對(duì)產(chǎn)品的高度關(guān)注也同化為實(shí)驗(yàn)過(guò)程的高度認(rèn)真和細(xì)致；各實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)品的差別順勢(shì)激發(fā)學(xué)生提問(wèn)、分析、思考和判斷等一系列綜合過(guò)程，將一般課堂上的被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效果。在目前已開設(shè)的十四個(gè)化工綜合實(shí)驗(yàn)中，這種既制備又表征的綜合實(shí)驗(yàn)有六個(gè)，占開設(shè)實(shí)驗(yàn)的43%，這主要是依據(jù)我校工科教育特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)課程中注入科研探索性質(zhì)，目的在于通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，了解并熟悉一些基本的科學(xué)研究方法，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣，為學(xué)生本科教育結(jié)束后的繼續(xù)再教育或產(chǎn)品研發(fā)奠定基礎(chǔ)。專職指導(dǎo)教師一次指導(dǎo)2～3名學(xué)生，較高的設(shè)備占有率給學(xué)生實(shí)驗(yàn)提供了更多的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)，多專業(yè)綜合也對(duì)實(shí)驗(yàn)教師提出了更高的要求。

化工綜合實(shí)驗(yàn)不僅面向化工學(xué)院所有學(xué)生，也對(duì)我校其他院系如材料學(xué)院、英才學(xué)院學(xué)生開放，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)對(duì)象的開放，將化工綜合實(shí)驗(yàn)的受益對(duì)象擴(kuò)大至全校范圍。在具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不同學(xué)院學(xué)生組合成實(shí)驗(yàn)小組通過(guò)4-8學(xué)時(shí)的協(xié)作實(shí)驗(yàn)，不僅促進(jìn)了學(xué)生之間的溝通交流，使得各院之間的學(xué)院文化交互影響，學(xué)生之間相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，也能充分發(fā)揮化學(xué)工程與技術(shù)一級(jí)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大在外院學(xué)生中的影響力。

(2)我?；ぞC合實(shí)驗(yàn)考核現(xiàn)狀

通常，我校對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的成績(jī)考核由實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)（10分）、實(shí)驗(yàn)中操作（30分）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（10分）、筆試成績(jī)（50分）四個(gè)部分構(gòu)成。由于化工綜合實(shí)驗(yàn)是一門綜合了多個(gè)學(xué)科的綜合性實(shí)驗(yàn)，是區(qū)別于其他專業(yè)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)課的獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課，因此目前我?；ぞC合實(shí)驗(yàn)也采取了不同于其他實(shí)驗(yàn)課的考核方法。學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定，不僅包括實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作情況、預(yù)習(xí)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況、對(duì)教師提問(wèn)的回答情況，也包括對(duì)設(shè)備拆解、組裝的能力、處理突然情況的應(yīng)變能力。如四位一體多功能精餾實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的第一步是辨識(shí)儀器設(shè)備，針對(duì)具體的實(shí)物裝置繪制平面裝置圖，學(xué)生不僅需運(yùn)用“機(jī)械制圖”的理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐，也會(huì)加深對(duì)四位一體多功能精餾實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行過(guò)程的理解。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生自主調(diào)控塔釜加熱電壓從而控制塔頂溫度，微調(diào)第三至第十塊塔板溫度，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性。在學(xué)生自主控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，雖然不可避免的會(huì)出現(xiàn)操作“誤差”，但通過(guò)對(duì)這些由自身操作引起的非正常狀況的修正，不但能加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、課程理論知識(shí)的理解，也可以強(qiáng)化學(xué)生在化工操作中的安全意識(shí)。在化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)中，授課教師通過(guò)“如何區(qū)分強(qiáng)化管和普通管”等問(wèn)題的開放性提問(wèn)，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。目前，我校化工綜合實(shí)驗(yàn)這種特殊的考核方法收到很好的教學(xué)效果，但對(duì)指導(dǎo)教師的責(zé)任心和專業(yè)理論知識(shí)及綜合能力要求較高，這也對(duì)實(shí)驗(yàn)教師的專業(yè)素養(yǎng)提供了發(fā)展方向。

(3)對(duì)我校化工綜合實(shí)驗(yàn)的建議

我?；ぞC合實(shí)驗(yàn)開始于2011年，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的確定主要是取決于我?；I(yè)特色以及化工企業(yè)的綜合需求，與化工企業(yè)類似的微型反應(yīng)設(shè)備、新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這些不僅對(duì)學(xué)生而且對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師都有一定的難度，如何提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、充分利用現(xiàn)有儀器設(shè)備是我校化工綜合實(shí)驗(yàn)急需解決的問(wèn)題。對(duì)此，我們對(duì)化工綜合實(shí)驗(yàn)有如下幾點(diǎn)建議：

①提高檢測(cè)設(shè)備臺(tái)套數(shù)，擴(kuò)大檢測(cè)過(guò)程課時(shí)占有量

我?；ぞC合實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是2～3名同學(xué)組成一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，配備一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和一名指導(dǎo)教師（圖1），實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)多數(shù)為4～6學(xué)時(shí)，但在目前已開設(shè)的六個(gè)既制備又表征的綜合實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的制備操作過(guò)程占整個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)的95%以上，一臺(tái)檢測(cè)設(shè)備供2～3名學(xué)生同時(shí)檢測(cè)，課時(shí)有限使得學(xué)生僅能匆忙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)，未能充分認(rèn)識(shí)檢測(cè)設(shè)備，大大降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生的知識(shí)（信息）獲有量。

圖1 《化工綜合實(shí)驗(yàn)》課程配套部分儀器

②充分開放實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提高設(shè)備利用率

目前我?；ぞC合實(shí)驗(yàn)僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)對(duì)象的開放，還未實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的全面開放。開放實(shí)驗(yàn)時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間上老師和學(xué)生雙向選擇，不但能避免實(shí)驗(yàn)時(shí)間與其他課程沖突，也能規(guī)避集中時(shí)間段進(jìn)行72學(xué)時(shí)綜合實(shí)驗(yàn)給實(shí)驗(yàn)教師和學(xué)生帶來(lái)的壓力。由于化工綜合實(shí)驗(yàn)均采用微型化的化工企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)裝置，拆解開可以進(jìn)行單一知識(shí)單一的單元實(shí)驗(yàn)操作，組裝起來(lái)可以進(jìn)行多單元或綜合實(shí)驗(yàn)操作，因此不僅可用于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可用于綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)和相關(guān)科研的中試測(cè)試。

③實(shí)驗(yàn)教學(xué)遵照但不拘泥實(shí)驗(yàn)講義，提高實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性

實(shí)驗(yàn)講義是化工綜合實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的前提和基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，以實(shí)驗(yàn)講義中的設(shè)計(jì)內(nèi)容和操作步驟為基礎(chǔ)，加以創(chuàng)新和改良，會(huì)進(jìn)一步提升化工綜合實(shí)驗(yàn)對(duì)課堂教學(xué)的服務(wù)作用，也能增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情。

④完善實(shí)驗(yàn)考評(píng)機(jī)制，提高考評(píng)公平性

與我校其他實(shí)驗(yàn)課的考評(píng)方式不同，化工綜合實(shí)驗(yàn)的考評(píng)尚未設(shè)置筆試考試項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)課成績(jī)來(lái)源于十五個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的總和平均成績(jī)。而在實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中、實(shí)驗(yàn)后這三部分考評(píng)中，十四位實(shí)驗(yàn)教師的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)略有不同，且實(shí)驗(yàn)教師的主觀性較強(qiáng)。在現(xiàn)有的三大塊考評(píng)中，增設(shè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師對(duì)其他實(shí)驗(yàn)的相互考評(píng)，同時(shí)在化工綜合實(shí)驗(yàn)中增加筆試考評(píng)部分，不僅能增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的重視程度，也能提高成績(jī)的公平性。

⑤借助虛仿實(shí)驗(yàn)，提高自動(dòng)化控制類實(shí)驗(yàn)效率

隨著高等教育改革的不斷深化與學(xué)生培養(yǎng)方案學(xué)時(shí)的不斷壓縮，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的課時(shí)減少與學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)需求逐步提高之間的矛盾日趨明顯。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是教育部倡導(dǎo)的以課堂教學(xué)主陣地，以破解高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)老大難問(wèn)題而開辟出的“智能+教育”新途徑?；ぞC合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目雖然不屬于實(shí)踐課中的“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”范疇，但部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作主要通過(guò)控制面板進(jìn)行，已不屬于傳統(tǒng)意義上的化學(xué)實(shí)驗(yàn)范圍。因此，將傳熱綜合實(shí)驗(yàn)等更側(cè)重原理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開發(fā)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容（圖2），不僅可以完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，更能提高學(xué)生實(shí)踐效率，也是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的大方向。

圖2 傳熱綜合實(shí)驗(yàn)虛擬仿真操作界面

⑥冷態(tài)仿真與熱態(tài)實(shí)驗(yàn)室操作相結(jié)合，助力師生共同成長(zhǎng)

借助現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，建成冷態(tài)仿真與熱態(tài)實(shí)驗(yàn)室操作相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，通過(guò)冷態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容對(duì)化工、材料、能源等多學(xué)科專業(yè)涵蓋，滿足學(xué)生的學(xué)科交叉需求。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的系統(tǒng)觀、全局觀，全面提高工程實(shí)踐能力。同時(shí)，在冷態(tài)仿真過(guò)程中，可以充分實(shí)施“互動(dòng)式”預(yù)習(xí)、虛擬實(shí)訓(xùn)、“翻轉(zhuǎn)課堂”、多維評(píng)價(jià)相結(jié)合的教學(xué)方法，進(jìn)行多維教學(xué)探索與實(shí)踐，幫助教師成長(zhǎng)。

3.結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育特別是工科高等教育實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)、提高學(xué)生實(shí)踐能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。綜合型實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置是對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行的嘗試性改革。哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工綜合實(shí)驗(yàn)課，充分發(fā)揮了我校化學(xué)工程與技術(shù)一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，以及學(xué)院的師資和科研優(yōu)勢(shì)。通過(guò)化工綜合實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)現(xiàn)校級(jí)資源共享。通過(guò)化工綜合實(shí)驗(yàn)，可為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)、工作打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，我?；ぞC合實(shí)驗(yàn)也存在許多不足之處值得我們?nèi)ヌ剿骱透倪M(jìn)。但總的來(lái)看，相信隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)在工科高等教育中越來(lái)越受到重視，我校的化工綜合實(shí)驗(yàn)課也會(huì)成為教師及學(xué)生的重點(diǎn)研究、探索內(nèi)容，成為化工教育中學(xué)生不可或缺的一門實(shí)驗(yàn)課。