提高化工工藝學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的方法

趙蘇亞，梁鵬舉，陳亞輝，呂喜風(fēng)

（1.新疆兵團(tuán)南疆化工資源利用工程實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆阿拉爾 843300）

化工工藝課程具有內(nèi)容豐富、多學(xué)科相互交叉、實(shí)踐性和理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)一個(gè)化工工藝的設(shè)計(jì)和分析，在考慮環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)的情況下結(jié)合熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面的影響因素來(lái)完成[1]。化工工藝學(xué)課程主要是在化工設(shè)備、化工原理、分離工程等課程方面的延伸，從而形成的一門學(xué)科，化工工藝學(xué)課程主要的內(nèi)容關(guān)系到分離與反應(yīng)過(guò)程的設(shè)備與方法選擇等，這門學(xué)科是將實(shí)踐與理論進(jìn)行了有機(jī)融合，可以為學(xué)生畢業(yè)之后從事科研與化工相關(guān)的工作奠定基礎(chǔ)[2-3]。但在實(shí)際的教與學(xué)的過(guò)程中對(duì)于化工專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，由于物理和工程力學(xué)基礎(chǔ)普遍相對(duì)薄弱，學(xué)習(xí)難度大，因而教學(xué)效果不夠理想且容易與實(shí)際脫離。此外，化工工藝學(xué)介紹了幾個(gè)比較典型的工藝過(guò)程，而這些工藝過(guò)程的分析其實(shí)遵循著同樣的原理，如操作參數(shù)的選擇，都是結(jié)合動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)兩方面的影響進(jìn)行取舍[4-5]。而在講授型課堂中，老師通常會(huì)對(duì)每一個(gè)工藝都進(jìn)行一遍同樣的分析，容易使課堂變得重復(fù)無(wú)聊，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣會(huì)極大降低。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，就需要對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)提升，現(xiàn)有的教學(xué)手段大多是基于課堂的講授式教學(xué)，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣方面還有不足之處。同時(shí)，化工工藝與我們的日常生活息息相關(guān)，化工工藝品在日常生活也總隨處可見(jiàn)，所以在教學(xué)過(guò)程中要緊密與生活相結(jié)合，這樣就有助于學(xué)生的理解和掌握。本文基于這門課程的教學(xué)特點(diǎn)，就提升化工工藝課程的教學(xué)質(zhì)量提出一些意見(jiàn)和建議。

1 項(xiàng)目式教學(xué)方式

講授型課堂中，老師通常會(huì)對(duì)每一個(gè)工藝都進(jìn)行一遍同樣的分析，容易使課堂變得重復(fù)無(wú)聊，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣會(huì)極大降低，無(wú)法開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新和主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力。為了打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限性，采用項(xiàng)目式教學(xué)的方式，如以主要生產(chǎn)的產(chǎn)品，學(xué)生主動(dòng)思考生產(chǎn)工藝過(guò)程中的生產(chǎn)原理、生產(chǎn)過(guò)程、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)取舍、方法、設(shè)備選擇等，使學(xué)生更主動(dòng)地學(xué)習(xí)。以第三章氮加氫制合成氨教學(xué)為例，設(shè)計(jì)如圖1所示。

針對(duì)原料合成氨這一工藝，為了制定科學(xué)的流程，教師應(yīng)該提出下述幾個(gè)問(wèn)題：首先是目標(biāo)產(chǎn)物需要經(jīng)過(guò)何種反應(yīng)才能生產(chǎn)？反應(yīng)的具體原理是什么？反映了動(dòng)力與熱力學(xué)哪些方面的特征？采用其他原料怎么樣、如何選擇適宜的反應(yīng)條件、催化劑？這種反應(yīng)需要何種類型的反應(yīng)器？在進(jìn)行反應(yīng)之后形成的新物質(zhì)與氫氣通過(guò)什么方式來(lái)循環(huán)回收、分離以及其存在什么理化性質(zhì)？結(jié)合一系列的性質(zhì)，應(yīng)該需要通過(guò)何種回收、分離方案？需要在何種環(huán)境中進(jìn)行？進(jìn)一步總結(jié)課程的教學(xué)思路，詳見(jiàn)圖1。結(jié)合該教學(xué)思路，在老師的引導(dǎo)下，以學(xué)生生產(chǎn)符合要求的產(chǎn)物為基本目的，考慮該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)適合哪種反應(yīng)，然后全面地分析經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與環(huán)境因素，進(jìn)一步明確單元操作，從而形成工藝流程[6]。并且，該教學(xué)思路的適用范圍較廣，能夠使學(xué)生掌握全局，使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。

2 科研教學(xué)相融合的教學(xué)手段

化工工藝學(xué)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，對(duì)于化工各專業(yè)學(xué)生，老師可以將自己的科研項(xiàng)目融入課程，做好教學(xué)和科研之間的相互融合，可以有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)課堂理論知識(shí)的快速消化，同時(shí)也能擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)層面，這樣也可以激發(fā)學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

例如講到無(wú)機(jī)化工反應(yīng)單元時(shí)，會(huì)講到焙燒與煅燒，焙燒和煅燒是兩種常用的化工單元工藝，除在無(wú)機(jī)鹽工業(yè)中處理礦石或產(chǎn)品加工以外，在制備生物質(zhì)吸附材料時(shí)也經(jīng)常用到。目前利用農(nóng)業(yè)廢棄物制備碳基活性炭吸附有害物質(zhì)是一種“以廢治廢”的有效手段，但在制備的過(guò)程中吸附性能、得率等受到焙燒溫度、時(shí)間等因素的影響，研究其制備過(guò)程中的最佳制備條件，對(duì)制備高吸附性能的生物質(zhì)基碳材料具有一定意義。通過(guò)這個(gè)講述可以使學(xué)生了解到前沿的研究，激發(fā)學(xué)生的科研探索精神。以下是指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)制備的生物質(zhì)碳基吸附材料時(shí)，溫度對(duì)吸附性能、得率、粒徑等性質(zhì)的影響結(jié)果。

在不同溫度下，棗木炭和棉稈炭的得率，揮發(fā)分、固定碳、灰分測(cè)試結(jié)果如表1所示。由于棉稈、棗木中不同組成成分的含量不同，得率也不同。隨著溫度的升高，兩種炭的得率均不斷下降，在700℃時(shí)棉稈炭的得率下降為30.15%，棗木炭下降為25.7%。可見(jiàn)在低溫下生物質(zhì)中半纖維素和纖維素開(kāi)始大量分解，生物炭質(zhì)量下降，產(chǎn)率變化較大，木質(zhì)素主要在高溫階段分解；隨著熱解溫度的升高，原材料熱解趨于完全，所以產(chǎn)率變化逐漸穩(wěn)定，變化較平緩[7]。當(dāng)溫度較低時(shí)（400℃），揮發(fā)分尚未完全析出，溫度升高（600℃），纖維素和木質(zhì)素不斷裂解，揮發(fā)分開(kāi)始大量析出，殘留在生物炭?jī)?nèi)的揮發(fā)分減少，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分在此溫度下急速下降。700℃時(shí)揮發(fā)分含量變化緩慢，說(shuō)明揮發(fā)分幾乎全部析出?？梢?jiàn)，較高的溫度能夠促使氣體與炭的二次反應(yīng)，且使得揮發(fā)物逸出，而不是裂解為炭。因此，棗木炭和棉稈炭的得率隨溫度的升高而降低，而固定碳和灰分相對(duì)增加，導(dǎo)致炭中揮發(fā)分有所下降。

表1 兩種生物質(zhì)炭的工業(yè)分析結(jié)果 %

不同的熱解溫度對(duì)棗木炭和棉稈炭的亞甲基藍(lán)和碘吸附值差異明顯。如表2可知，隨著溫度升高，棗木炭和棉稈炭的亞甲基藍(lán)值均呈先增大后減小趨勢(shì)；棗木炭的碘值持續(xù)增大，棉稈炭的碘先迅速增加后降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在700℃時(shí)制備的棗木炭的亞甲基藍(lán)值和碘值都達(dá)到了最大值，分別是79.5 mg/g、447.71 mg/g，分別約為400℃時(shí)所制備炭材料的2.2倍和1.2倍；而棉稈炭的亞甲基藍(lán)值也在700℃達(dá)到最大值258 mg/g，是400℃時(shí)的10.75倍，而碘值在溫度為600℃時(shí)達(dá)到最大值，為1 377.57 mg/g，是400℃時(shí)的2.6倍。碘值和亞甲基藍(lán)值的增加表明，隨著溫度的升高，炭的微孔、中孔數(shù)量有明顯變化。溫度由400℃升高至600℃，棉稈炭的亞甲基藍(lán)值急速增加，溫度增加至700℃時(shí)，亞甲基藍(lán)值增加速度緩慢，而碘值則有所下降。這表明隨著溫度的增加，棉稈炭的微孔數(shù)量也有所增加，中孔數(shù)量有些許下降。高溫條件下木質(zhì)素分解產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物逸出，導(dǎo)致了生物質(zhì)內(nèi)部更深層次的變化。另外，隨著溫度升高，生物質(zhì)芳香性增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更為致密，并產(chǎn)生大量的微小孔徑[8]。

表2 兩種生物質(zhì)炭的碘/亞甲基藍(lán)吸附值結(jié)果

學(xué)生表示，通過(guò)實(shí)踐訓(xùn)練，將理論知識(shí)與實(shí)際很好地結(jié)合了起來(lái)，幫助他們樹(shù)立了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，還拓寬了他們的知識(shí)層面，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的不斷找出、總結(jié)失敗的原因，磨煉了他們不怕失敗，遇事不退縮的精神品質(zhì)，增強(qiáng)了他們科研信心，激發(fā)了學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的探索。同時(shí)在一定程度上激勵(lì)了學(xué)生對(duì)課堂理論知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生對(duì)這門課程的喜愛(ài)。這也充分體現(xiàn)了“科教相融、教研相長(zhǎng)、注重實(shí)際發(fā)展”的人才培養(yǎng)體制，很好地提高了教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了“寓教于研，不流于形式”。

3 豐富多樣的教學(xué)方法

對(duì)于大部分同學(xué)來(lái)說(shuō)一堂課程的知識(shí)點(diǎn)是可以及時(shí)掌握理解的，但也有少部分同學(xué)由于之前的基礎(chǔ)課程知識(shí)掌握不牢靠等問(wèn)題，對(duì)于本課堂知識(shí)點(diǎn)的掌握不是很透徹。同時(shí)也有些學(xué)生相對(duì)比較內(nèi)向，課堂上遇到了問(wèn)題不敢舉手，課下不敢詢問(wèn)，這樣長(zhǎng)此以往，這些學(xué)生就會(huì)對(duì)這門課程失去興趣。受到疫情影響，部分學(xué)生無(wú)法返校上課，各高校紛紛將雨課堂、慕課、智慧樹(shù)、學(xué)習(xí)通，以及釘釘、騰訊會(huì)議等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)引入教學(xué)。課前：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)不布置課前預(yù)習(xí)、資料分享等，讓學(xué)生提前了解預(yù)習(xí)本節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)；課中：老師也可以通過(guò)語(yǔ)音、彈幕等功能及時(shí)關(guān)注并解答線上學(xué)生的疑惑，增加師生互動(dòng)，活躍課堂學(xué)習(xí)氛圍，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；課后：內(nèi)容會(huì)自動(dòng)保留在平臺(tái)，方便學(xué)生回看溫習(xí)，還可在平臺(tái)上發(fā)布作業(yè)，學(xué)生完成后交到平臺(tái)，方便老師統(tǒng)計(jì)成績(jī)及了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。

4 引入思政元素，加強(qiáng)人文教育

人文素養(yǎng)是一個(gè)民族、一個(gè)國(guó)家的可貴品質(zhì)，為了提高學(xué)生的人文和政治素養(yǎng)，從而提高化工工藝學(xué)這門課程的教學(xué)質(zhì)量，可以在化工工藝學(xué)的教學(xué)過(guò)程中有機(jī)地融合化工工藝的發(fā)展歷史，可以給學(xué)生講身邊用到的化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝發(fā)展過(guò)程，學(xué)習(xí)科學(xué)家們?cè)趯?shí)踐中奮斗不屈的精神，讓學(xué)生接受人文精神的熏陶，以史明志，以史明理，以史為鑒，培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質(zhì)人才。

如第一章緒論的教學(xué)中，著重論述了疫情防控有關(guān)的案例，比如在疫情暴發(fā)初期，口罩的需求量暴增，而熔噴布作為其主要的原材料，需求也迅速增長(zhǎng)，當(dāng)時(shí)口罩十分缺乏。而熔噴布最核心的材料就是聚丙烯，該材料屬于石化工業(yè)下游產(chǎn)品，所以說(shuō)只有化學(xué)工業(yè)發(fā)展到一定程度，才能為國(guó)民提供口罩，以更好地開(kāi)展防疫工作。根據(jù)這一案例，可以引發(fā)學(xué)生思考，通過(guò)學(xué)習(xí)化工在某些方面可以為國(guó)家作貢獻(xiàn)，有利于提高學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí)與職業(yè)認(rèn)同感。在第二章中能源里可以放能源的紀(jì)錄片，引發(fā)學(xué)生對(duì)現(xiàn)在能源現(xiàn)狀的思考，以及在制備化工產(chǎn)品時(shí)如何選擇才能為祖國(guó)節(jié)能減排，為我國(guó)早日達(dá)到“雙碳”計(jì)劃作出貢獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的同時(shí)增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)。在第三章烴類熱裂解的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生了解現(xiàn)階段使用的各種催化劑，如何做到綠色催化劑。

所以通過(guò)每一章節(jié)與思政課程進(jìn)行融合，讓學(xué)生積極主動(dòng)思考未來(lái)化工的發(fā)展方向，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)在動(dòng)力，思考自己是否符合當(dāng)代大學(xué)生思想政治要求，讓學(xué)生的思想認(rèn)識(shí)得到進(jìn)一步升華，從而促成從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變，使思政教育和提高課程教學(xué)質(zhì)量相互促進(jìn)、相得益彰。

5 優(yōu)化課程考核方式

對(duì)于化工工藝學(xué)這門課程的考核方式基本上是平時(shí)成績(jī)加期末成績(jī)，但是主要以期末成績(jī)?yōu)橹?，一般期末成?jī)占總評(píng)成績(jī)的70%，這樣雖然在一定程度上反映了學(xué)生對(duì)課本知識(shí)的掌握程度，但是卻忽視了學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的狀況。另外，化工工藝學(xué)課程的實(shí)踐性較強(qiáng)，需要學(xué)生將理論和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，應(yīng)當(dāng)更加注重平時(shí)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用程度的掌握。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，各種先進(jìn)的技術(shù)相繼涌現(xiàn)，教師可以根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境，通過(guò)學(xué)習(xí)平臺(tái)中的信息，導(dǎo)出學(xué)生在班課中簽到、課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)、參與活動(dòng)等相關(guān)的數(shù)據(jù)，明確其權(quán)重，然后進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，作為考核學(xué)生的平時(shí)成績(jī)依據(jù)，建議在考核部分占比30%；由于化工工藝學(xué)每單元涉及的單元工藝都有較大差異，知識(shí)點(diǎn)復(fù)雜繁瑣，建議設(shè)置單元測(cè)試，成績(jī)?cè)诳己瞬糠终急?0%，那么期末考核占比40%，其中在期末考試中增加以完成某一產(chǎn)品工藝流程為目標(biāo)的綜合性試題，用于考查學(xué)生解決開(kāi)放性問(wèn)題的能力，同時(shí)反饋問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)理念在實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，以便及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法。這不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間的考核、監(jiān)督，也可提高學(xué)生對(duì)這門課程的專注度和參與程度。

6 結(jié)束語(yǔ)

在化工工藝學(xué)教學(xué)過(guò)程中，為提高教學(xué)質(zhì)量就必須不斷創(chuàng)新化工工藝學(xué)的教學(xué)方法和手段。根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)靈活改變教學(xué)方法和模式，將教師科研融入教學(xué)，做到科研反哺教學(xué)，同時(shí)，在授課過(guò)程中要堅(jiān)持以人為本的教學(xué)理念，重視學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)、應(yīng)用創(chuàng)新能力和人文素養(yǎng)的培養(yǎng)，從而提高化工工藝學(xué)的課程教學(xué)質(zhì)量。