基于工程实践能力培养的化工原理实验教学模式的研究与探索

2014-04-10焦纬洲刘有智袁志国祁贵生

实验技术与管理 2014年3期

焦纬洲，刘有智，袁志国，祁贵生，高璟

(中北大学化工与环境学院，山西太原 030051)

化工原理课程是为培养面向21世纪高等化工创新人才的学科基础教育课程，是化学工程与工艺、制药工程、应用化学、环境工程、生物工程等专业及其相近专业的一门主干课程，是学生在具备了必要的高等数学、大学物理、物理化学、计算技术基础知识之后必修的专业基础课。化工原理的主要研究内容是以化工生产中的物理加工过程为背景，以“三传”为主线，分成若干单元操作。研究不同典型单元操作过程的基本原理和常用设备的原理、结构、选型及工艺尺寸的计算。化工原理课程是一门实践性较强的课程[1-3]，通过系统学习使学生牢固建立起“单元操作”的概念，树立起“工程化”思想，培养学生工程分析方法及独立分析问题和解决问题的能力[4-7]。通过系统的理论学习与实践，使学生具有一定的工程设计能力，为未来的工作和后继课程的学习打下基础。

化工原理实验属于工程实验范畴，不同于前置课程实验的是它具有工程的特点，每个单元操作实验就相当于化工生产中的一个基本过程，通过它能建立起一定的工程概念。同时，随着实验课的进行，会遇到大量的工程实际问题，对理工科学生来说可以从做实验过程中更实际、更有效地学到更多工程实验方面的原理及测试手段，可以发现复杂的真实设备与工艺过程同描述这一个过程的数学模型之间的关系，也可以认识到对于一个看似复杂的过程，一经了解，可以只用最基本的原理来解释和描述。因此，化工原理实验不仅是验证化工原理的基本理论，加深对课堂教学内容的理解，更为重要的还在于对未来的科技工作者进行实验方法、实验技能的基本训练，培养独立组织和完成实验的能力及严肃认真的工作作风和实事求是的科学态度，为将来从事科学研究和解决工程实际问题打基础[8-11]。

1 化工原理实验教学的存在问题

目前，我校化工原理实验教学中存在的不足有：

(1) 实验预习中，学生被动学习，学生大多把化工原理实验教材的内容复制到预习报告中，主动学习的主体地位体现不明显；

(2) 实验过程中，教师讲，学生照方抓药，教会学生的是模仿，养成学生的是惰性，达不到培养学生动手能力、观察发现能力、思维创造能力的效果；

(3) 化工原理实验是一门实践性课程，学生的工程化思想淡薄，不能很好地用所学知识解决现实中的实际问题，达不到理论指导实践，有待进一步强化；

(4) 学生对化工原理实验缺乏兴趣，对身边的化工知识了解甚少。

2 化工原理实验教学改革与探索

2.1 转变学习观念，突出学生的主体地位

传统中国式的教育方式是教师的严肃之态和填鸭式的教学。教师在讲台进行授课，学生在下面被动接受知识，缺乏师生间的互动和讨论，注重了学生“学什么”，而忽视了学生“如何学”的重要性，这样使得学生学习的主动性、积极性不高。实验结束后，很多学生感到就是按照书上的顺序去操作了一下阀门，读了几个数据，对所做的内容，为何如此操作及所操作的设备并不了解。因此，激发学生的主体地位，必须转变学生学习观念，变“要我学”为“我要学”，真正做到以学生为主体。

在教师的指导下，要求学生主动参与，自由思考，解决问题，把实验教学效率作为教改的主要问题，向实验教学要质量，向实验教学要效率。要转变观念，不要认为提出不同意见是对教师不敬，要多对学生的提问持肯定、鼓励和表扬态度，做到即时反馈；同时注重师生间的互动，教师和学生共同讨论、互相学习，实验教学效率高。在实验教学过程中采用启发式、讨论式、探索式等方式，在实现“授”与“受”统一的同时，培养学生的创造能力和学习能力。化工原理应是化工类本科生所需要的基本知识、基本技能、基本工具。在教学过程中应该突出“一突三变”：突出学生的主体地位；由单纯接受知识转向接受与探索相结合；由培养知识型人才转向培养智能型人才；由“要我学”为主转向“我要学”为主。

2.2 创设问题情境，培养学生动手和观察能力以及分析和解决问题的能力

在实验前教师的准备工作要“精心”，应根据经验有意识地选留一些实验中经常发生的问题或学生通常会犯的错误(要注意这些问题不能影响到实验室的安全性或损坏实验设备)，让学生在实验中去发现、去思考。同时实验教师不必先进行“预演”。事实证明，教师的演示教会学生的是模仿，达不到培养学生动手能力、观察发现能力、思维创造能力的效果。教师应在学生预习的基础上，抓住关键问题进行总结性讲解，同时提醒学生注意实验安全事项，然后要放手让学生去动手、去思考、去摸索，要允许学生犯错误。

如在化工原理中的离心泵实验，学生往往会忘了“灌泵”，当启动泵后，水就出不了。造成这一现象的原因是多方面的，譬如“气缚”、管道堵塞、阀门未开等，要让学生现场分析并进行仔细的检查，自己找到答案,这时学生对泵的“气缚”现象会有更深的理解和记忆[12]。再如化工原理中的过滤实验(正压操作)，学生往往在装配过滤装置时，将滤布、板框等安装好后进行固定，实验装置往往没有拧紧，致使实验一开始料浆便喷射出来。通过这个实验，让学生意识到设备紧固的重要性，若固定时4个角的螺丝不注意对角拧紧，可能造成板框变形和密封圈拧烂等，这在工业上大型法兰的紧固时特别重要，因此要给学生讲解紧固时的注意事项：

(1) 要对角拧，保持受力均衡；

(2) 紧固时，一下子拧紧容易造成设备变形，更起不到密封的作用，因此每个螺丝要分别拧几扣，然后依次对角再拧紧，这样不仅保持整个平面受力均衡，同时不容易变形，也起到了密封的作用。

2.3 实验教学中，贯穿“化工在我身边”的教学理念

“化工原理”课程具有概念多、知识点分布广、公式繁多、实践性和应用性强等特点，由于学生对身边的化工知识和工程实践了解甚少，所学知识与实际生活联系不起来，致使学生对课程没有兴趣，也将会直接影响学生对课程的学习效果。因此，提高学生学习兴趣，是提高化工原理实验教学质量的重要手段。

在实验教学中，将身边的化工原理知识给学生进行讲解，引导学生关注身边的化工知识，贯穿“化工在我身边”的教学理念，设置或引用一些问题，特别是与实际生活相关的问题，让学生感受到学习化工原理很重要，很有用。通过学习化工原理，使学生可以利用所学的新知识来解决这些问题，达到提高学生的学习兴趣和提升学生的学习欲望。比如在流动阻力实验时，设问为什么“西气东送”过程中，每隔一段距离之后，就需要建一个加压站？加压站的作用是什么？在传热系数测定的实验时，设问“今冬麦盖三层被，来年枕着馒头睡”的本质含义是什么？在讲解对流传热时，设问为什么夏天打开空调会感觉比较凉爽[13]？在吸收实验过程中，设问为什么打开汽水或可乐的瓶盖，会有气泡冒出？

随着全社会环保意识的提高，教学也强调绿色化学化工的要求，实验过程中避免或减少对环境产生污染，将绿色环保意识融入实验教学环节，改进实验内容。如化工原理的“填料塔吸收实验”，是用水吸收氨进行填料塔吸收实验的，由于出塔尾气和塔底吸收液中均含有一定浓度的氨气，不仅对实验室环境造成较大危害，也对周边的教学环境有较大影响。现在通过适当的实验研究和改进，将塔底吸收液收集起来，并将塔顶尾气通入吸收液中，将吸收液作为校园花草树木的氮肥，既解决了环境污染问题，达到了绿色环保作用，又提高了学生“能用自己所学知识做有益于社会、能解决具体实际问题”的自豪感和成就感。学生通过这一改进实验，既增强了环保意识，又提高了学习兴趣。

通过系列课堂教学与日常生活结合起来，让学生感受到化工就在身边，用所学知识可以解决很多问题，有助于提高学生的学习兴趣和学习效果。在实验教学中，强化树立学生的工程化思想，将身边的化工原理知识与实验内容结合起来给学生进行讲解，引导学生关注身边的化工知识，贯穿“化工在我身边”的教学理念。

2.4 实行开放式实验教学

实验室开放是实施开放式实验教学的基础和必要条件，有着丰富的内涵和多元化的形式，一方面是实验室仪器设备和实验项目的开放；另一方面是实验室时间和空间的开放。更深层次的开放还在于实验教学内容、教学方法、教学手段、实验形式和教学理念的开放，让学生能够真正做到自主学习[14]。

良好的开放式实验教学环境和条件，有利于将实验室有限的实验资源、教学空间以及有限的内容、时间进行拓展和延伸；有利于学生学习积极性和潜能的充分发挥；有利于学生自主学习和个性化发展。为此，我校以具体实验类别为基础，以知识的内在联系为出发点，将原高分子化学、高分子物理、化工原理、分析测试、化工仪表和计算机仿真等实验室整合成了化工基础实验教学中心，促进了开放式管理和实验资源优化配置，为良好的开放式实验环境创造了条件，也为每年举办的校化工技能大赛奠定了物质基础。

在实验时间上，实验中心将每学期的后10周全部开放，前半学期根据学生需要灵活开放。对于基础和综合性实验，学生通过网上提前1周预约；对于设计研究型实验，学生需提前2周预约，以便于准备相关设备、材料和安排指导。同时将化工原理实验由原来的12个扩展至18个，学生可根据兴趣爱好进行选做，提高了学生学习的主动性。

2.5 实验考核的改革

传统的实验考核多以学生的实验报告为依据，这种考评方法容易忽略学生的动手能力、创新能力和综合能力，不利于评价学生的综合素质。基于此，强化实验考核力度，实验课的成绩考核包括实验教学的整个过程，包括实验前准备(预习)、实验中的操作和实验报告3个环节。首先，在实验开始前对学生的预习情况、实验态度、回答实验问题的准确性等环节进行考核；其次，是对学生实验过程中实验操作的规范性、实验中发现问题及解决问题的能力等的考核；最后，是对学生的实验结果以及对实验结果的分析与讨论、实验报告、实验成败的分析、对所用实验装置的评价和设计改进措施等进行考核。根据学生在各个环节中的实际表现与能力水平客观真实地给出预习分、操作分和实验报告分，总成绩由这3个方面按一定比例计算。3项成绩分别占总成绩的30%、30%、40%。这种考评方法不仅能较好地反映学生的综合素质，也能使学生重视实验课程的学习并养成良好的学习习惯。