化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式創(chuàng)新探索

鐘建軍，喻冬秀(電子科技大學(xué)中山學(xué)院 材料與食品學(xué)院，廣東 中山 528402)

0 引言

化工原理是一門綜合運(yùn)用所學(xué)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、物理化學(xué)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)等知識(shí)，分析和解決化工生產(chǎn)中各種物理過程問題的工程性基礎(chǔ)學(xué)科課程，是高校化工、制藥、生物、環(huán)境、輕化等工科專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程[1-3]，涉及到化工過程中常見單元操作的基本理論、設(shè)備結(jié)構(gòu)、工程應(yīng)用，導(dǎo)致課程學(xué)習(xí)中涉及的計(jì)算繁瑣、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程應(yīng)用靈活多現(xiàn)。為更好地認(rèn)知、理解和掌握相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，常會(huì)在化工原理課程教學(xué)中匹配有相關(guān)單元操作的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容，以期通過實(shí)物認(rèn)知和實(shí)際操作來強(qiáng)化對(duì)理論部分的學(xué)習(xí)效果?；ぴ韺?shí)驗(yàn)是以單元操作設(shè)備為載體，通過對(duì)單元操作的設(shè)備原理、設(shè)備操作和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容的學(xué)習(xí)來培養(yǎng)學(xué)生的工程觀點(diǎn)，強(qiáng)化工程動(dòng)手能力，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用基本理論知識(shí)去分析和解決單元操作的工程問題，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)、動(dòng)手實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力及處理復(fù)雜工程問題的能力[4]。化工原理實(shí)驗(yàn)作為從基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)向化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過渡的橋梁，旨在幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從化學(xué)學(xué)習(xí)向工程實(shí)踐的轉(zhuǎn)變[5]，可見化工原理實(shí)驗(yàn)在相關(guān)工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐學(xué)習(xí)中有著舉足輕重的作用。

1 化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀和問題

1.1 教學(xué)資源有限，傳統(tǒng)教學(xué)方式受挑戰(zhàn)

不同于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中以小型玻璃儀器為主，可以做到學(xué)生人手擁有獨(dú)立的操作平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，化工原理實(shí)驗(yàn)是以單元操作設(shè)備為載體的，基本上是化工生產(chǎn)過程中的實(shí)際設(shè)備或者接近于實(shí)際設(shè)備，具有單臺(tái)設(shè)備費(fèi)用高、投資大、維修復(fù)雜、占地面積大等特點(diǎn)，導(dǎo)致單個(gè)化工原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能使用的設(shè)備數(shù)量非常少，且設(shè)備更新?lián)Q代慢。以我?；ぴ韺?shí)驗(yàn)室為例，現(xiàn)有雷諾實(shí)驗(yàn)、能量轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、離心泵、傳熱、過濾、精餾、吸收、萃取、干燥(普通干燥、噴霧干燥)等單元操作各一套，于2021 年換新，前一套設(shè)備使用了14 年，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，設(shè)備陳舊，無法與現(xiàn)代化生產(chǎn)實(shí)踐相接軌。這給教學(xué)帶來極大的挑戰(zhàn)：若是按照傳統(tǒng)教學(xué)模式，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)班(大約為30 人)同時(shí)來開展一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，勢必會(huì)導(dǎo)致“僧多粥少”，真正可以動(dòng)手操作學(xué)習(xí)的非常有限，影響教學(xué)效果。

1.2 僵化的教和學(xué)，能動(dòng)性調(diào)動(dòng)受限

教師的“教”常常是以該實(shí)驗(yàn)要完成的目標(biāo)、要求、實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)備原理及操作流程等方式來完成。學(xué)生的“學(xué)”則分為課前預(yù)習(xí)、課中操作、課后數(shù)據(jù)處理三部分。課前預(yù)習(xí)依靠課程提供的有著清晰實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析示例的實(shí)驗(yàn)教材，進(jìn)行預(yù)習(xí)，并準(zhǔn)備包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等內(nèi)容的預(yù)習(xí)報(bào)告。整個(gè)預(yù)習(xí)過程形同于“搬運(yùn)工”：把教材的內(nèi)容完整地謄寫到預(yù)習(xí)報(bào)告上，嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和個(gè)性化學(xué)習(xí)，預(yù)習(xí)效果較差。課中操作則有依賴教師的手把手“教”。課后數(shù)據(jù)處理則由于有實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析示例，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理也就照樣完成，不思考數(shù)據(jù)處理的方法和數(shù)據(jù)涵義，更不懂整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果涵蓋的學(xué)習(xí)內(nèi)容，無法把握整個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的，學(xué)生無法理解相應(yīng)的知識(shí)，更不能培養(yǎng)其能力和素養(yǎng)。

1.3 單一的考核機(jī)制，自驅(qū)學(xué)習(xí)力下降

學(xué)生的成績由平時(shí)成績和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績兩部分構(gòu)成，學(xué)生的平時(shí)成績主要是通過考勤、預(yù)習(xí)報(bào)告的完成情況、課堂上的操作表現(xiàn)來衡量，考核點(diǎn)較為粗放。預(yù)習(xí)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)結(jié)果機(jī)械抄寫、套用現(xiàn)象是非常常見的，學(xué)生缺乏獨(dú)立思考。而課堂上的操作表現(xiàn)局限于設(shè)備、實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，加之實(shí)驗(yàn)人數(shù)又多的情況下，難以考核到每一個(gè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)整個(gè)操作過程中的表現(xiàn)，更不用說來考核實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是否在每一個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的達(dá)成度。多數(shù)情況下，只能以大組的形式，以集體評(píng)估方式來完成，勢必會(huì)有實(shí)驗(yàn)操作“劃水”而機(jī)械抄寫的學(xué)生獲得了較優(yōu)的成績，出現(xiàn)考核成績未客觀評(píng)價(jià)到學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，進(jìn)而影響“學(xué)”的主動(dòng)性、滋生了“學(xué)”的惰性，不利于整個(gè)課程目標(biāo)的達(dá)成。

2 化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新措施和實(shí)施

2.1 運(yùn)用多維手段，豐富教學(xué)資源的形式

受限于實(shí)驗(yàn)建設(shè)經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)室固有面積，固定資產(chǎn)在短時(shí)間內(nèi)難以充盈。一方面，把換下的舊設(shè)備留下，請(qǐng)專業(yè)人士拆開的同時(shí)，錄制相關(guān)拆開視頻，使學(xué)生預(yù)習(xí)時(shí)更好地了解設(shè)備結(jié)構(gòu)，理解實(shí)驗(yàn)原理，同時(shí)拆開部件留放于實(shí)驗(yàn)室專有位置，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，學(xué)生可再次真實(shí)的感受和認(rèn)識(shí)設(shè)備。另一方面，引入虛擬仿真軟件，它不僅把實(shí)驗(yàn)操作仿真，而且把實(shí)訓(xùn)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、半實(shí)物仿真工廠也引入了仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從單一單元操作到流程化操作的整個(gè)過程，使單元操作的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)由單個(gè)設(shè)備操作過渡到整個(gè)工廠的實(shí)際流程，讓學(xué)生由局部認(rèn)知，拓展到整體認(rèn)知，在增強(qiáng)學(xué)生對(duì)單元操作認(rèn)知深度、提高實(shí)驗(yàn)操作能力的同時(shí)，加深了對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程的認(rèn)知，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)流程的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行等工程能力和工程素養(yǎng)[6]。疫情期間，北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司將其化工原理相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)部分供我校試用于線上教學(xué)，操作界面逼真，操作形式設(shè)置非常人性化，設(shè)置任務(wù)闖關(guān)，即時(shí)的反饋模式，極大吸引了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。輔以虛擬仿真軟件內(nèi)容，在學(xué)生預(yù)習(xí)階段布置任務(wù)要求，進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，深入了解實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。最后，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)采用小組制，分組輪換式來完成實(shí)踐，有效解決實(shí)際操作時(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備少的困境。例如離心泵實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在上這門課前沒有見到更別說是使用過離心泵，受限于教學(xué)資源，原來的教學(xué)模式只能依賴于教材，學(xué)生只能通過理論課授課內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教案預(yù)習(xí)到實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)操作，在預(yù)習(xí)階段依然處于抽象狀態(tài)，若是有真實(shí)設(shè)備的拆開視頻并提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室認(rèn)知實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，必然是原本的抽象學(xué)習(xí)具體化。結(jié)合虛擬仿真操作，再對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行仿真操作，學(xué)生通過多次的反復(fù)仿真，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)和難點(diǎn)認(rèn)知和理解的突破。最后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室來實(shí)地操作，驗(yàn)證自己在前期預(yù)習(xí)中的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的合理處理和分析，提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)、構(gòu)思、實(shí)際操作能力和解決問題能力，夯實(shí)了學(xué)生整體的學(xué)習(xí)效果。因?qū)W生的仿真操作情況都直觀地記錄在系統(tǒng)，結(jié)合預(yù)習(xí)報(bào)告為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的一部分，而在實(shí)驗(yàn)操作過程也進(jìn)行了多維考核設(shè)計(jì)，即學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)開展過程的每一步都進(jìn)行了考核記錄，可有效督促學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了學(xué)生的參與度。

2.2 啟發(fā)式教學(xué)方式設(shè)計(jì)，活化“教”和“學(xué)”

化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不應(yīng)定位于訓(xùn)練學(xué)生的操作技能和數(shù)據(jù)處理能力上，而應(yīng)從培養(yǎng)學(xué)生工程觀念和提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和解決復(fù)雜工程問題能力的角度考慮。除了豐富教學(xué)資源和改進(jìn)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)之外，教學(xué)理念轉(zhuǎn)變和教學(xué)方式改進(jìn)是非常必要的。如何引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中既主動(dòng)參與實(shí)際操作，又摒棄惰性，主動(dòng)學(xué)習(xí)是化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的核心。課程組實(shí)施了基于EIP 理念的“查、閱、思、寫、講、踐、析、享”啟發(fā)式教學(xué)方式設(shè)計(jì)，“教”發(fā)生變化：首先是改變了教學(xué)資源的提供，由傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教材改為實(shí)驗(yàn)設(shè)備資料學(xué)習(xí)，然后課程組對(duì)預(yù)習(xí)報(bào)告進(jìn)行了啟發(fā)式設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)任務(wù)是什么？完成此任務(wù)需要哪些單元操作，對(duì)應(yīng)于哪些設(shè)備？設(shè)備如何選型？設(shè)備該如何連接？實(shí)驗(yàn)流程該如何設(shè)計(jì)？參數(shù)該如何設(shè)置？如何正確操作？實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否合理？如何由實(shí)驗(yàn)結(jié)果來判斷實(shí)驗(yàn)任務(wù)的完成度？整個(gè)過程設(shè)計(jì)依據(jù)的原理是什么？該單元操作可應(yīng)用于哪些生產(chǎn)流程？在具體應(yīng)用中，可能會(huì)產(chǎn)生問題，該如何解決？引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考、積極探尋，達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。分化?shí)驗(yàn)任務(wù)單，采用學(xué)生“小老師”破解任務(wù)單形式來進(jìn)行課間講解，老師點(diǎn)評(píng)和解惑重難點(diǎn)。根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況初步掌握其理解程度，在課間操作過程中進(jìn)行有針對(duì)性的指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)共性問題組內(nèi)即時(shí)解答，個(gè)性問題則單獨(dú)指導(dǎo)，做到共同成長中差異化教學(xué)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生形成同伴學(xué)習(xí)氛圍，增加團(tuán)隊(duì)意識(shí)?！皩W(xué)”發(fā)生變化：學(xué)生僅依靠教師提供的教學(xué)資源無法破解任務(wù)單，需要查相關(guān)資料、進(jìn)行精細(xì)閱讀、分析、思考，并總結(jié)形成預(yù)習(xí)報(bào)告文字，以小老師的身份來分享，通過實(shí)驗(yàn)操作來實(shí)踐，要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行組內(nèi)預(yù)分析，組間分享，實(shí)驗(yàn)任務(wù)達(dá)成后才可離場。

2.3 增加設(shè)計(jì)性內(nèi)容，拓展實(shí)驗(yàn)的廣度和深度

根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，課程組進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，在保留原有演示性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)類型的基礎(chǔ)上，新增設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的廣度和深度，提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。例如離心泵實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的原教學(xué)目標(biāo)主要是進(jìn)行泵性能參數(shù)的測定，應(yīng)用性不強(qiáng)。由于新設(shè)備是由2 臺(tái)泵組成的流體輸送系統(tǒng)，課程組結(jié)合此次情況給出不同的任務(wù)單：(1)現(xiàn)有2 臺(tái)相同的泵，應(yīng)串聯(lián)還是并聯(lián)操作來獲得最大揚(yáng)程？(2)現(xiàn)有2 臺(tái)相同的泵，應(yīng)串聯(lián)還是并聯(lián)操作來獲得最大流量？采用每組現(xiàn)場隨機(jī)獲取任務(wù)單的形式，來設(shè)計(jì)完成，允許學(xué)生試錯(cuò)，但需準(zhǔn)備分析正確與否的原因。通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的引入，增加了課程的高階內(nèi)容，一方面增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力，另一方面加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解深度，培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐操作能力、分析問題和解決問題的能力。

2.4 強(qiáng)化數(shù)據(jù)處理能力，增強(qiáng)學(xué)生工程能力

數(shù)據(jù)處理能力是工科學(xué)生工程素養(yǎng)很重要的環(huán)節(jié)[7]，直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表達(dá)正確與否。在化工原理實(shí)驗(yàn)過程中，有大量的數(shù)據(jù)需要處理，要求學(xué)生使用excel 軟件[7]、origin 軟件[8]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合、數(shù)值計(jì)算及圖形繪制，有目地性地驅(qū)動(dòng)學(xué)生用好已會(huì)的軟件，甚至去掌握新的軟件，增強(qiáng)學(xué)生的工程能力。

2.5 “全過程、即時(shí)性、多元化”的多維考核模式，驅(qū)動(dòng)自主學(xué)習(xí)

為鼓勵(lì)參與學(xué)習(xí)、考核成績盡可能客觀評(píng)價(jià)到學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，課程組探討并實(shí)施了“全過程、即時(shí)性、多元化”的多維度考核模式，具體考核指標(biāo)如表1所示。該考核模式細(xì)化了考核點(diǎn)，覆蓋到預(yù)習(xí)、操作和任務(wù)達(dá)成的整個(gè)學(xué)習(xí)過程，結(jié)合現(xiàn)代化手段，采用線上線下評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式來完成，擯棄考評(píng)單一滋生的無法給學(xué)生準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和成績的弊端，更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)參與度和積極性。每一項(xiàng)都清晰給分，即時(shí)反饋的方式讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中獲肯定的同時(shí)也即時(shí)糾偏，尤其是在實(shí)驗(yàn)操作過程中，對(duì)不愛動(dòng)手操作的學(xué)生多鼓勵(lì)，對(duì)動(dòng)手能力差的學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)，及時(shí)肯定其付出。

表1 多維度考核指標(biāo)

3 化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效

衡量教學(xué)改革效果的一個(gè)重要指標(biāo)就是學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度?；ぴ韺?shí)驗(yàn)教學(xué)改革是2021 開始執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)豐富教學(xué)資源后，啟發(fā)式教學(xué)方式的實(shí)施使學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，由機(jī)械式預(yù)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)式預(yù)習(xí)，沉悶的課堂變得活躍，學(xué)生有更多問題需要解答，團(tuán)隊(duì)之間的合作度提升，總評(píng)成績對(duì)每一個(gè)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都有了積極的回應(yīng)。從圖1 中2021、2022 學(xué)年教學(xué)改革班成績可以看出，學(xué)生的成績出現(xiàn)了顯著的差異度，鼓勵(lì)了認(rèn)真學(xué)習(xí)者，“劃水”學(xué)習(xí)者從成績上被甄別出來。隨著教學(xué)改革的推進(jìn)，學(xué)生整體成績優(yōu)秀率(80 分以上者)在提高，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)學(xué)生的工程能力在提升，說明教學(xué)改革是朝著既定的教學(xué)目的而行的，整個(gè)教學(xué)改革是有效的。

圖1 2021、2022 學(xué)年學(xué)生成績分布圖

4 結(jié)語

實(shí)踐是工程的本質(zhì)、創(chuàng)新的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力和解決復(fù)雜工程問題的主要培養(yǎng)方法?；ぴ韺?shí)驗(yàn)作為一門與生產(chǎn)實(shí)際緊密連接的工程性實(shí)踐課程，需更新教學(xué)理念，豐富教學(xué)資源，改進(jìn)教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生整合知識(shí)能力、動(dòng)手操作能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。