理科化学专业化学工程实验课程的教学改革

贾志谦

(北京师范大学化学学院 北京 100875)

化学与化学工程学是相互依存、相互促进、共同发展的两个学科。理科化学专业的学生，可以通过学习化学工程学掌握过程研究的知识、方法和技能，使知识结构更加完整，素质和能力更加全面。所以，化学工程学是理科化学专业的必修课，而化学工程实验研究是化学工程研究的主要方法，它明显有别于化学基础实验，属于工程实验范畴。

1 化学工程实验课程的内容

我院的化学工程实验包括化工基础实验和化工综合实验两部分。化工基础实验内容的实质是测量化工参数[1]，如流动阻力系数、差压式流量计流量系数、对流传热系数、传质系数、理论塔板数、反应速率常数、停留时间分布等，要求学生掌握离心泵、热交换器、吸收塔、精馏塔、反应器、流量计等设备和仪表的使用方法。我院将化工基础实验、仪器分析实验、物理化学实验和结构化学实验合并，称为化学测量与计算实验，属于化学专业的必修课。化工综合实验具有综合型和研究型的特点，我院将化工综合实验与其他化学综合实验合并，称为化学综合与设计实验，也是化学专业的必修课，要求学生选作其中2个实验。

2 化学工程实验课程的改革

近年来，我们在化学工程实验教学中进行了一些改革，主要包括：

(1) 完善和更新了化工基础实验内容。

化工基础实验共包括7个实验(表1)，每个实验为4学时，涵盖了动量传递、热量传递、质量传递和反应工程4个部分；另外，在传热实验中还增加了强化传热的内容，在吸收实验中增加了解吸操作。

在实验设备上，采用了国内先进的化工实验装置(天津大学化工系研制)，实验硬件在综合大学理科化学中处于先进水平。所有实验均采用了多种测量技术(差压式流量计、涡轮流量计、湿式流量计、压力传感器、温度传感器等)，精馏实验采用计算机进行数据采集和过程控制，力求能反映现代化工生产和科学研究的最新进展，拓宽学生知识面，提高学生适应现代社会发展的能力，并提高他们的综合素质和技能。

(2) 增加了化工综合实验内容。

根据教师的科研成果，开发了若干设计和研究型化工综合实验(表1)，包括孔板流量计的设计和制作、超滤分离聚乙二醇、膜吸收制备纳米材料、反应精馏等，涉及膜技术、过程耦合、催化等领域，每个实验约20学时。

在孔板流量计的设计和制作实验中，要求学生根据实验任务设计和制作孔板流量计，以加深对差压式流量计原理的理解，提高实验设计能力；同时学习小型机床的使用，提高动手能力。在超滤分离聚乙二醇实验中，改进了文献[2]中的用Dragendorff试剂测定聚乙二醇浓度的方法[3-4]。在膜吸收制备纳米材料实验中[5-6]，使气液两相分别在微孔膜两侧流动，互不分散，膜提供了稳定而巨大的气液界面面积，易于实现线性放大，气体可被完全吸收，过程能耗低，克服了传统的鼓泡搅拌釜反应器的缺点，是一种绿色、高效的气液反应器形式。根据气液反应理论，引导学生建立连续操作和半间歇操作的数学模型，预测液相浓度、气相分压、液相流速等对吸收速率的影响，并与实验结果相比较；同时研究操作条件对粒子形貌和膜污染的影响规律。上述综合实验反映了化学工程研究的最新进展，通过实验可培养学生的科研能力和创新精神，使学生知识、能力和素质得到协调发展。

表1 化学工程实验教学内容

(3) 修订了实验讲义和改进教学方法。

在编写的化学工程实验讲义中，首先概括介绍化工实验的研究方法、数据处理方法和实验设计方法(正交实验法)，旨在使学生掌握化工实验研究的方法，提高实验设计和数据分析能力。在实验编写中设计了若干思考题，以帮助学生深入掌握教学内容。另外，将与每个实验相关的补充资料以附录形式附于各实验后面，以反映实验的有关知识背景，增加可读性，扩大学生知识面。

化工实验数据处理和实验设计等内容较为枯燥，集中讲授往往效果不佳。我们将该部分内容分散在各实验中，结合具体实验讲授，取得了较好效果。另外，在教学中注意创设情境，引导学生积极思考，提高实验设计能力。例如，在流体流动阻力测定实验中，提出以下问题： “在化工设计中，需要计算管路流动阻力，这就需要知道直管阻力系数与雷诺数的关系曲线，以及阀门、弯头等的局部阻力系数。如何设计实验测定这些阻力系数呢？”在离心泵特性曲线测定实验中，提出“如何设计实验测定离心泵特性曲线？如何根据特性曲线选泵呢？”在利用内循环无梯度反应器测定反应动力学实验中，提出“如果你研制出了新的固相催化剂，如何测定反应的本征动力学以表征催化活性呢？”在超滤分离聚乙二醇实验中，提出“在分离回收溶液中的聚乙二醇时，可以采用蒸发、萃取等方法，但能耗较高，还有没有其他更好方法呢？”这些问题可以启发并引导学生思考实验的意义、目的和原理，增加学生的学习兴趣。

(4) 改进教学评价方法。

实验成绩包括预习、操作、实验报告、考试等，在课程结束后进行闭卷考试，以考察学生对实验原理和技能的掌握情况，使学生更加重视化工实验课程的学习。

通过上述改革措施，进一步提高了化学工程实验课程的教学质量，使我院化学工程实验教学在国家化学实验示范中心建设中发挥了积极作用。

[1] 教育部理科化学教学指导委员会.大学化学,1999,14(2):9

[2] 时钧,袁权,高从堵.膜技术手册.北京:化学工业出版社,2001

[3] Jia Z Q,Tian C.Desalination,2009,247:423

[4] 贾志谦.大学化学,2007,22(5):33

[5] Jia Z Q,Chang Q,Qin J,etal.JMembrSci,2009,342:1

[6] Jia Z Q,Chang Q,Qin J,etal.JMembrSci,2010,352:50