化工相關(guān)專業(yè)“化工分離工程”課程的教學(xué)思考與實(shí)踐*

呂 楠，鄭 勝，張譽(yù)騰，王帝淞，楊春華，李 強(qiáng)

(東北電力大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 能源化學(xué)工程專業(yè)，吉林 132012)

2019年，新工科建設(shè)進(jìn)入越來越多高校的視野，樹立學(xué)生中心，產(chǎn)出導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)的理念，對化工專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高要求[1-2]。課程是人才培養(yǎng)的核心要素，是實(shí)現(xiàn)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的依據(jù)和載體，是保障和提高教育教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵?；し蛛x工程是化工類專業(yè)的核心專業(yè)課程，具有較強(qiáng)的綜合性和工程應(yīng)用性，在化工專業(yè)人才培養(yǎng)中占有重要地位?；し蛛x工程課程內(nèi)容綜合性強(qiáng)，要求具備“物理化學(xué)”“化工原理”“化工熱力學(xué)”等多學(xué)科基礎(chǔ)知識，同時(shí)公式多、計(jì)算量大，要求具備一定的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。因此，在傳統(tǒng)教學(xué)方式下，化工分離工程課程存在著教學(xué)理念陳舊、教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容不匹配、考核評價(jià)方式單一等多方面問題[3-5]。

本課題以能源化學(xué)工程專業(yè)的必修課“化工分離工程”為研究對象，結(jié)合“新工科”建設(shè)的要求，討論“化工分離工程”教學(xué)方法改革對以學(xué)生為中心和成果為導(dǎo)向的積極作用和效果。在“新工科”建設(shè)的新要求下，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對分離工程課程特點(diǎn)與教學(xué)中存在的問題，從課程內(nèi)容、教學(xué)形式等方面，對課程教學(xué)改革進(jìn)行了探索，提出了建設(shè)線上教學(xué)平臺、理論與實(shí)踐相結(jié)合等教學(xué)改革措施，培養(yǎng)學(xué)生工程能力和工程素養(yǎng)，提高學(xué)生的知識運(yùn)用與創(chuàng)新能力。

1 注重工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，修訂課程教學(xué)大綱

1.1 課程目標(biāo)的制定與修訂

在能源化學(xué)工程專業(yè)最新修訂的培養(yǎng)方案中，更加注重工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，調(diào)整了化工分離工程課程與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐關(guān)系。根據(jù)課程對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系制定化工分離工程課程的具體課程目標(biāo)，以畢業(yè)要求達(dá)成情況作為主要的修訂依據(jù)，課程組基于課程目標(biāo)評價(jià)報(bào)告結(jié)果進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

“化工分離工程”的三個(gè)具體課程目標(biāo)為：①能夠應(yīng)用所學(xué)的相關(guān)知識，進(jìn)行泡點(diǎn)、露點(diǎn)和閃蒸計(jì)算，掌握單元和裝置的設(shè)計(jì)變量的分析方法，能夠?qū)どa(chǎn)實(shí)際中復(fù)雜物系中的分離和提純過程中的組分組成、回流比、塔板數(shù)、進(jìn)料級等相關(guān)的問題的進(jìn)行計(jì)算與分析；②根據(jù)具體的分離要求，結(jié)合目前分離技術(shù)的現(xiàn)狀，運(yùn)用化工分離工程的基本原理，能夠進(jìn)行工藝流程的設(shè)計(jì)，并能夠?qū)Σ煌O(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析與比較；③能夠根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求，運(yùn)用化工分離工程的基本原理，選擇合理的研究路線，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，能正確地采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并處理分析。課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐關(guān)系，如表1 所示。

表1 支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的課程目標(biāo)

1.2 課程內(nèi)容與考核方式

1.2.1 課程內(nèi)容重新解構(gòu)，建立知識體系框架

教學(xué)內(nèi)容是整個(gè)教學(xué)活動的主體部分，反思教學(xué)內(nèi)容是對理論知識的重新思考和把握，在保證教學(xué)內(nèi)容是以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為導(dǎo)向，符合教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上，對課本上的理論知識重新解構(gòu)，構(gòu)架邏輯關(guān)系，建立跨章節(jié)銜接順暢的知識體系?；し蛛x工程課程由于公式多，計(jì)算量大，講授時(shí)應(yīng)該注重由淺入深，由點(diǎn)到面，幫助學(xué)生建立課程知識整體框架。例如，由簡單的單級平衡過程引入，讓學(xué)生掌握相平衡的理論，相平衡常數(shù)、泡點(diǎn)、露點(diǎn)和閃蒸計(jì)算等，再進(jìn)行多組分分級分離過程中單元和裝置的設(shè)計(jì)變量的分析；之后利用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和計(jì)算方法進(jìn)行多組分多級過程的分析和計(jì)算，從簡單的清晰分割假設(shè)引入，讓學(xué)生掌握芬斯克公式計(jì)算最少平衡級數(shù)，再進(jìn)行芬斯克公式反用使學(xué)生們輕松掌握全回流下非關(guān)鍵組分分配。課程內(nèi)容由簡入繁，幫助學(xué)生建立自己的課程知識框架和體系，只有真正掌握才能夠綜合應(yīng)用。同時(shí)，及時(shí)更新案例，選擇鮮活、飽滿的教學(xué)案例，進(jìn)行重點(diǎn)知識內(nèi)容銜接，使學(xué)生對解決復(fù)雜問題產(chǎn)生興趣。最后總結(jié)提煉精華，給學(xué)生以啟發(fā)。幫助同學(xué)們建立一套具有科學(xué)性、時(shí)代性的課程知識內(nèi)容體系。

根據(jù)課程目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的教學(xué)內(nèi)容安排，化工分離工程課程分為理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分?？倢W(xué)時(shí)為 32學(xué)時(shí)，其中理論 28學(xué)時(shí)，課內(nèi)實(shí)驗(yàn) 4學(xué)時(shí)。

理論教學(xué)分為 5 個(gè)單元，分離過程的基本概念、分類和特征及展望 (2學(xué)時(shí))、單級平衡過程及相關(guān)計(jì)算(6學(xué)時(shí))、多組分多級分離過程分析與簡捷計(jì)算(8學(xué)時(shí))、多組分多級分離的嚴(yán)格計(jì)算(8學(xué)時(shí))和分離設(shè)備的性能和效率(4學(xué)時(shí))。實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為 2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分別為：反應(yīng)精餾制備乙酸乙酯(2學(xué)時(shí))，超純水制備中的分離工藝(2學(xué)時(shí))。具體的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式如表2所示。

表2 知識內(nèi)容與教學(xué)方式

表3 課程目標(biāo)與評價(jià)依據(jù)占比關(guān)系表

1.2.2 課程考核及評價(jià)方式多元化

多元化考核，增加挑戰(zhàn)度，建立完善的過程性考核與結(jié)果性考核有機(jī)結(jié)合的課程考核制度，是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵一環(huán)。從考核與學(xué)習(xí)評價(jià)來說，強(qiáng)調(diào)過程性考核，制定嚴(yán)格的過程考核指標(biāo)，考核難度逐漸增強(qiáng)。隨堂測試及時(shí)監(jiān)測學(xué)生對基礎(chǔ)理論的掌握情況；設(shè)計(jì)報(bào)告考核，體現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力；實(shí)驗(yàn)成績，考察學(xué)生的理論結(jié)合實(shí)踐的動手操作能力；期末試卷著重考察學(xué)生的分析和解決復(fù)雜工程問題能力。最終，以綜合成績對學(xué)生的能力進(jìn)行全面的評價(jià)，隨堂測試占比10%，實(shí)驗(yàn)成績占比20%，專題報(bào)告占比15%，期末成績占比55%，全方位對學(xué)生的工程實(shí)踐能力進(jìn)行評價(jià)。

增加課程考核方式和內(nèi)容審核環(huán)節(jié)，課程的教學(xué)大綱中需包含課程考核方式、內(nèi)容與課程目標(biāo)審核表，以確保課程評價(jià)面向產(chǎn)出，即課程評價(jià)依據(jù)合理。評價(jià)審核考核方式、內(nèi)容與課程目標(biāo)是否符合，化工分離工程課程的課程評價(jià)指標(biāo)如表4所示。

表4 考核方式、內(nèi)容與課程目標(biāo)審核表

2 化工分離工程課程教學(xué)模式的改革與探索

針對化工分離工程課程特點(diǎn)與教學(xué)中存在的問題，對教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)方法等方面進(jìn)行探索，采用 “線下與線上相結(jié)合” “理論與實(shí)踐相結(jié)合” 等方式促進(jìn)知識、能力、素質(zhì)有機(jī)融合來培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。

2.1 線下與線上混合教學(xué)模式

現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展為線上教學(xué)的發(fā)展提供了寶貴的機(jī)遇?；趯W(xué)校數(shù)字化教學(xué)平臺，在超星網(wǎng)絡(luò)平臺建立化工分離工程在線網(wǎng)絡(luò)課程。相較于傳統(tǒng)的線下課堂，一方面，線上課堂可以提供更加豐富的課程資源，如課程大綱、教材、老師錄制的知識點(diǎn)視頻，習(xí)題庫等，不僅可以幫助學(xué)生查漏補(bǔ)缺，還可以滿足學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求。另一方面，線上教學(xué)可以幫助教師高效開展教學(xué)工作。課前，可以通過線上課堂布置預(yù)習(xí)視頻任務(wù)點(diǎn)，線上課程可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)生觀看學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)，幫助教師進(jìn)行高效的管理。線上課程的隨堂測試功能，可以及時(shí)考察學(xué)生課上基礎(chǔ)知識的掌握情況，第一時(shí)間反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，為后續(xù)有針對性的復(fù)習(xí)和差異化教學(xué)提供參考。通過“線下與線上相結(jié)合”的教學(xué)形式，顯著提高了學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握。

2.2 多元化教學(xué)策略設(shè)計(jì)

化工分離工程課程的特點(diǎn)是內(nèi)容綜合性強(qiáng)，涉及多學(xué)科基礎(chǔ)知識，同時(shí)公式多、計(jì)算量大，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程存在著一定的畏難情緒，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容合理地設(shè)計(jì)教學(xué)策略，可以幫助學(xué)生適應(yīng)由易到難的學(xué)習(xí)過程。例如，化工分離過程的分類、特征等基本概念，可以采用多媒體教學(xué)，提供更多的素材，激發(fā)學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣。對于分離過程的基本理論內(nèi)容，如單級過程是多組分多級分離過程的基礎(chǔ)，可以采用多媒體與板書結(jié)合。對相平衡常數(shù)的計(jì)算、泡露點(diǎn)的計(jì)算采用板書公式逐級推導(dǎo)，幫助學(xué)生打好基礎(chǔ)。單元裝置設(shè)計(jì)變量計(jì)算可以采用講解+互動提問式教學(xué)，由淺入深，幫助學(xué)生建立自信。多組分多級分離過程則需要案例逐一講解，培養(yǎng)學(xué)生分析復(fù)雜工程問題的思維，加強(qiáng)習(xí)題練習(xí)，學(xué)以致用，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力。建立“案例庫”，緊跟前沿，以問題為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生的求知欲。利用分組討論和翻轉(zhuǎn)課堂，激發(fā)和鼓勵學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

2.3 理論與實(shí)踐相結(jié)合，注重實(shí)踐能力培養(yǎng)

采用 “理論+實(shí)踐”的教學(xué)模式，建設(shè)“高階性”課堂。多組分多級分離的嚴(yán)格計(jì)算是解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵，是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的基礎(chǔ)，也是化工分離工程課程的難點(diǎn)。除了掌握計(jì)算方法，更重要的是能夠進(jìn)行復(fù)雜工程問題的嚴(yán)格計(jì)算。但是，由于多組分多級分離的嚴(yán)格計(jì)算的計(jì)算步驟繁瑣，人工運(yùn)算難度大，實(shí)際工程中采用系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬軟件Aspen Plus進(jìn)行計(jì)算。為了加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，將Aspen Plus軟件引入課堂教學(xué)，讓學(xué)生利用Aspen軟件進(jìn)行工藝計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代化工具和手段解決工程實(shí)際問題的意識和工程實(shí)踐能力，為后續(xù)的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，以及未來從事相關(guān)行業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，開展反應(yīng)精餾制備乙酸乙酯實(shí)驗(yàn)和超純水制備實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和綜合實(shí)踐能力。

2.4 鼓勵自主學(xué)習(xí)，鍛煉創(chuàng)新能力

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代分離技術(shù)的發(fā)展和更新是必然的趨勢。隨著分離要求越來越高，需要不斷進(jìn)行分離工藝流程的設(shè)計(jì)，探索新的分離原理和開發(fā)新的分離技術(shù)。培養(yǎng)學(xué)生以發(fā)展的眼光看待行業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，是化工分離工程課程的兩個(gè)素質(zhì)目標(biāo)。通過設(shè)定分離要求，讓學(xué)生自主選擇分離過程，進(jìn)行分離工藝流程的設(shè)計(jì)。學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)了解目前分離技術(shù)的研究進(jìn)展和動向，如膜分離、超濾和微濾、反滲透、電滲析等新型分離技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展前沿，能夠根據(jù)具體的分離要求，運(yùn)用化工分離工程的基本原理，進(jìn)行工藝流程的設(shè)計(jì)，并能夠?qū)Σ煌O(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析與比較，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和終身學(xué)習(xí)能力。

3 結(jié)束語

秉承以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，對新工科背景下化工分離工程課程教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了探討。為了達(dá)成知識能力和素質(zhì)的教學(xué)目標(biāo)，持續(xù)改進(jìn)化工分離工程課程大綱，把“線上學(xué)習(xí)-課堂教學(xué)—實(shí)驗(yàn)教學(xué)—自主學(xué)習(xí)”的教學(xué)模式融入整個(gè)教學(xué)過程中，旨在培養(yǎng)出一批具有卓越工程能力和創(chuàng)新能力的應(yīng)用型高級專門人才。