《化工原理》课程教学改革探索与实践

2013-12-23刘红姣

江汉大学学报（自然科学版） 2013年3期

刘红姣，路平

（江汉大学化学与环境工程学院，湖北武汉 430056）

《化工原理》作为化工及其相近专业一门重要的专业基础课，在培养计划中起着从理论到实践，从基础到专业的桥梁作用，理论性和实践性都很强［1］。其特点是：知识面广，工程实践性强。该课程一直是老师难教、学生怕学的专业基础课，同时该课程教学效果的好坏对学生专业素养的培养有着重要的影响。因此，笔者在多年《化工原理》课程教学经验积累的基础上，对该课程的教学改革进行了探索与实践，并取得了一定的效果。

1 《化工原理》课程教学现状分析

《化工原理》涉及的知识面广，各种操作原理和现象抽象，难于理解，计算过程中大量利用公式、半经验公式或关联式，且操作设备类型多样复杂。学生面对抽象难懂的现象和原理，上课也极易开小差、打瞌睡，几节课下来，稍不留神，就会有学生感觉像在听天书。针对这种现象，笔者分析了《化工原理》课程教学现状，目前存在的问题主要有以下几点。

1.1 教学互动不足

《化工原理》实际的授课方式基本是满堂灌，即“讲授＋练习”，老师先讲授理论知识，给出相关的例题，然后布置作业，师生之间缺乏必要的讨论与互动。而且由于学生缺乏相关的工程背景知识，完成作业也只能照葫芦画瓢，难以深入和认真把握相关理论知识及其应用［2］。

1.2 工程观念不足

《化工原理》是一门与生产实践紧密相关的工程学科，是理论知识和实践活动之间的一座桥梁，其主要特征是设备结构几何形状的复杂性以及物料性质的多样化，处理这样的生产问题纯粹的理论知识显得捉襟见肘。现有的授课方式大部分与理科课程基本相同，强调工程背景明显不足。这样，大部分学生由于缺乏对工程现象和问题的认识和了解，学起来很困难，面对实际问题更是束手无策。

1.3 教学内容优化和更新不足

《化工原理》教材是以流体输送、化工传热、精馏、吸收、干燥等化工单元操作为主要内容，经过近百年的发展，形成了一套完整严密的理论体系，在教学方面给老师和学生都提供了极大的方便［3］。随着时代的发展，秉着把时间还给学生、学为所用的目标，必须对该课程的教学内容进行更新和整合。

2 教学内容的整合和优化

由于《化工原理》课程涉及知识面广、内容多、难度大，在学时一再压缩的情况下，整个教学过程围绕进度疲于奔命，很难谈得上有好的教学效果［4］。针对以上情况，笔者在教学改革中精简内容，突出重点，强化工程观念，引入该领域最新发展动向，使学生在真正掌握单元操作基本原理的基础上，能较好地分析和解决实际问题。

2.1 强化专业基础理论

笔者根据《化工原理》课程的特点，将教材内容分成3 部分：课堂讲授部分、学生自学部分和学生选读部分。课堂讲授部分作为基本要求内容，也是《化工原理》的理论核心，由教师在教学计划的学时内组织课堂教学。学生自学部分由学生在老师的指导下，按照自学提纲和自学问题的要求，利用课外时间进行自学，老师课堂总结，作为一般要求内容（自学提纲和自学问题通过QQ布置给学生，学习情况通过自学问题的完成情况进行评定）。学生选读部分由学生根据自己的兴趣和能力，根据老师给出的学习建议和参考书进行课外选读，不作要求。以传热为例，3 部分的内容分别如表1 所示。

表1 传热教学内容分类表

将教学内容分类讲授后，老师不再由于学时少、内容多而导致一些基本的原理无法深入，课堂也不再是老师赶时间的满堂灌，可以在课堂上采用讨论、质疑等互动式的教学模式。提高了学生的学习兴趣，加深了对单元操作的基本原理的理解。唯有如此，学生才能以不变应万变，达到学以致用的目的。

2.2 注重工程观念

对于课堂讲授内容，针对化工原理课程的特点，精心教学设计，将基础理论与工程理念巧妙结合，培养学生的工程思维。

2.2.1 加强共性分析在讲述《化工原理》基本理论知识模块的过程中，突出基本概念与各单元操作的共性规律，把握单元操作的内在联系，培养学生的工程意识。比如，对于动量传递、热量传递和质量传递，过程的描述方法都是通过物料衡算和热量衡算的联立，其过程速率均可表示为推动力除以阻力，而过程的强化本质上都是提高过程速率，不外乎提高推动力和减小阻力两种途径。而且描述动量传递、热量传递和传质的3大定律：牛顿粘性定律、傅立叶定律和费克定律表达形式相似，计算过程中也采用类似的数学方法［5］。

通过对各个单元操作的共性分析，一方面使学生在接触新的单元操作时更容易进入状态，也加深了对以前讲过的知识点的理解；另一方面让学生了解处理工程问题的方法，培养学生的工程意识。

2.2.2 突出应用能力的培养应用能力的培养应贯穿在教学的每一个环节。例如理论讲解中，在推导流体阻力计算公式时，流体在圆形直管内层流流动和流体在圆形直管内湍流流动阻力研究方法的对比，让学生了解对实际过程的分析简化，影响因素主次取舍的方法，并在此基础上让学生分析讨论计算对流传热系数的方法。又如在习题设计上，学完第一章流体输送，笔者针对学生的能力差异，让学生自行设计不同的管路系统，并要求给出各段管路和管件的基本参数，运用伯努利方程进行合理性检验等。无论是在理论的讲解，还是习题设计或是案例分析中，都要突出基础理论和方法的应用，既加深了对基础理论的理解和记忆，又实现了课本学习与工程应用的有机统一，在解决问题的同时让学生感受到基础理论的作用和工程方法的魅力，培养学生的工程观念和解决实际问题的能力［6－7］，提高了学生学习的积极性。

2.3 引入专业领域的前沿知识

对于《化工原理》课程教学内容，一方面要精简课堂讲授内容；另一方面，为了丰富教学内容，激发学生学习兴趣，拓宽视野，在课程的相应章节也要大胆增加部分新内容，包括新技术、新设备，紧跟时代的发展，如膜分离技术、超临界流体萃取技术、新型传热设备和传质设备等。在教学中穿插单元操作的新进展、新动向［2］，及时反映现代化工科技的新成就和最新研究成果。在知识的更新拓宽中融入工程理念：一方面让学生了解学科的最新动态，拓展学生视野；另一方面让学生明了科学技术日新月异，但其都根植于那些并不深奥的基础理论和并不复杂的研究方法之中［8］。强化了学生分析问题的能力，激发了他们创新的信心和热情。

3 教学方法和教学手段的改革

3.1 教学课时分配的改革

为了改变满堂灌和枯燥单调的课堂氛围，笔者采取了老师和学生共同讨论，大胆增加学生讲授部分课程内容环节。其基本前提条件是：在老师讲授必要的基础理论的情况下，采取老师和学生共同讲授和探讨的方式，增加师生互动性，对提高学生兴趣和主观能动性，提高课堂教学效果和教学质量具有重要意义。

《化工原理》上册理论课为40 学时，教师讲授30 学时，采取案例式、启发式和讨论式教学。主要讲授单元操作的基本原理，并就一些基本理论的应用展开讨论，要求每个学生参与讨论，采取学生主动提问和老师提问相结合的方式，根据讨论情况老师给出不同的评分。

学生讲授10 学时，具体内容见表2。对于学生讲授的部分，在老师的安排和引导下，将一部分课程内容和相关资料交给学生，让学生以小组的形式完成PPT 的制作，由学生代表上台讲授，其余同学补充、纠正，老师和全体同学参与提问并进行讨论，最后老师对学生讲解的内容进行点评和小结。通过对课程内容的讲解，学生慢慢学会了如何用通俗易懂、简单明了的语言把问题讲清楚，学习由被动接受变为主动思考，活跃了课堂气氛，培养了学生综合分析资料的能力和口语表达能力。

表2 2012 春季2010 级过程装备与控制工程专业学生讲授内容

3.2 采用启发式教学方式

启发式教学就是通过某种方式让学生参与教学并能引导学生思考的教学方式，如讨论、问问题等。问题教学法是通过问答增加学生参与的机会，刺激学生积极思考。笔者为了随时捕捉学生的学习状况和最大限度地调动学生的积极性，问题教学法有时会贯穿整个课堂：回忆式提问、分析式提问、运用式提问和评价式提问等。大多问题都会在课前设计好，有时也会根据课堂具体情况临时提问。有时也会就某些问题，引导学生展开讨论。课后笔者在每一个知识点都会精心设计一两个与本知识点相关的热点问题的发展趋势、存在的问题等，让学生带着问题在好奇心的驱使下去查资料和复习。

通过设计问题，引导学生讨论，将一言堂变为群言堂后，不仅可以提高学生的学习兴趣，有的学生在解决问题过程中会发现新的问题，进而激发他们的钻研精神。

3.3 采用案例教学法

案例教学法是以案例为基础的教学方法［8］。利用案例教学，把工程应用作为课程基本理论知识的载体和扩充。通过案例，可以很系统地剖析如何运用基本理论去解决工程实际问题。例如：在泵向水塔输水过程中如何选泵、如何确定管径和流速等才最经济适用？在水塔供水时如何布置水管才能保证任何一家用水对其他用户的影响很小？对于有高度限制的厂房不用泵，应该如何设计管路？对于设计好的换热器，当用自来水作冷却介质时，在冬季和夏季如何保证物料的出口温度以及如何处理换热器的结垢问题和精馏塔的改造问题等。

在案例教学过程中，笔者主要是引导学生自主探究解决问题，更多的是起一个向导作用，其操作基本流程如图1 所示。每个学生根据在案例探讨小组扮演的角色选择不同的案例，整理成书面总结或研究报告上交评分。通过对案例的分析和讨论，提高了学生应用基础理论知识解决实际问题的能力，同时让他们感觉化工原理就在身边，改变了“化工原理太深奥，学了没用”的观念，激发学生学习的兴趣，提高了教学效果。

图1 案例教学基本流程

3.4 现代教学技术辅助教学

《化工原理》中很多单元操作的基本规律、化工现象和生产设备等会让学生感到比较抽象，不容易理解，也无法用实物在课堂上进行演示。以往的教学课件主要以文字为主，制作形式简单枯燥，既不能很好地表达单元操作的基本原理和生产设备的基本结构，也很难调动学生的积极性。在教学改革中，笔者在现有课件的基础上，自制（有些是在工厂实习拍的照片）或在网上下载了大量的视频和动画，通过合适的动画和视频等形式动态地展示各种单元操作的基本原理和化工设备的结构、工作原理、物料走向、操作工况等。如：流体流动中层流和湍流以及边界层的分离现象、换热器的结构和工作过程、塔内气液热质交换现象等。给学生以很强的实物感，丰富了课堂内容，增强了学生对基本原理和实际操作设备的理解和感受，有效地调动学生的积极性，提高了教学效果。

4 改革考核评价体系

以往的考核体系主要由考试成绩（70%）和平时成绩（30%）构成，平时成绩一般由课堂表现和平时作业组成，这样的评定方式势必发展为应试教育。笔者根据《化工原理》课程的特点，为了激发学生学习的主动性，训练学生的工程意识，设计的考核成绩比例分配如表3 所示。学生的学习成绩体现在教学的每一个环节，需要学生平时主动去争取，改变以往平时抄作业，考试突击复习，考完还给老师的局面，变被动学习为主动学习，让学生真正融入课堂。