《化工原理》实验教学探索

程远贵，余 徽，周 勇

(四川大学 化学工程学院，成都 610065)

近20年来，美国的工程教育逐渐融合了技术取向和科学取向，重点从注重科学转向工程实践［1，2］。2010年教育部推出的“卓越工程师教育培养计划”就是“大工程观”教育理念在中国的具体体现［3］。化工原理实验是“化工类”工科学生进行工程实训的基石和落脚点。本课程的教学目标是培养学生综合运用已学过的知识，解决化工过程及设备中的问题的能力，主动获取知识的能力以及发现问题、分析解决问题的能力。化工原理实验属于工程实验范畴，它不同于基础课程的实验。与一般化学实验、物理实验和物理化学实验的区别在于它具有工程特点。化工原理实验装置包含了工艺、设备、仪表、电气和管道等各方面专业知识的综合运用，流程复杂，测试点和控制点多，每个实验项目都相当于化工生产中的一个小型单元操作。而学生的知识结构处于起步阶段，还未建立成熟的知识体系，难于运用工程研究方法解决实际问题。如何通过实验教学建立学生工程概念，提高学生的工程技能，解决工程问题以及创新能力培养正是我们教育工作者思考和关心的问题，也是化工原理实验教学改革需要解决的问题。

1 运用工程案例，激励学生学习的兴趣

“兴趣是最好的老师”。浓厚的学习兴趣是学生一种自觉的动机，可以激励学生充分发挥潜能，提高学习质量［4］。因此在化工原理实验教学中，从激发学生学习兴趣作为教学切入点，优化实验教学内容，调整教学方法。在磷化工领域中四川大学化学工程学院取得了很好的产学研成果，以此现代工业生产流程为背景，建设了一套“年产20万吨磷铵”生产线的实体教学模型。

现场实验教学模型是改善教学效果的一种手段。过去是单一的设备模型，如流体输送设备模型:离心泵、风机;传热设备模型:管式换热器和板式换热器;过滤设备模型:板框过滤机和翻板过滤机;干燥设备模型:气流干燥器和喷雾干燥器。现在通过管线把单一设备模型组合成工艺生产线实物教学模型，清晰展现整个工业生产线，即从磷矿石为原料，经粉碎、酸洗、过滤、反应、干燥等化工单元操作制取产品磷铵。该实体模型融合了各化工单元操作，反映了从原料到产品的生产过程，体现了化工生产的工程性特点。学生在认识此工艺的过程中，以启发式、提问式、讨论式等教学方法，剖析整个工艺过程。让学生初步建立工程概念，意识到做好化工原理实验的重要性，激发学生主动学习的兴趣。

2 强化实验教学环节，提高教学效果

教学是教师和学生的互动活动，是教师传授，学生学习的过程。为了达到教学目标和要求，在教学过程中，应充分重视师生双方互动，做好实验教学“三步法”，即强化实验预习、细化实验操作、完善实验考核。

2.1 强化实验预习，提高实验效率

加强实验前预习是保证实验质量，提高实验效率的有效措施［5］。化工原理实验有演示实验、验证实验和综合实验。其特点是理论性、技术性和工程性强;面对实验项目多，教学任务重，学时数少。学生如不预习，面对实验装置时可用两个字形容“茫然”，教材是教材，装置是装置，两者脱节了，学生需要认真预习，才能把实验教材内容运用到实验装置中。

虽然实验前学生都会预习，写好预习报告，但预习效果较差。以往实验教学中，教师主讲，演示整个过程，学生基本上是“被动式”吸收，学生的主体地位没能得到充分发挥，造成预习时，照抄实验教材内容应付教师检查。针对此种情况，要运用提问式或启发式，启发学生从目的、原理、流程、操作、仪表、电气和设备中发现自己感兴趣的问题，启发学生去发现问题、探究问题和解决问题。如预习离心泵实验时，在教材操作步骤中写到“启动离心泵”5个字，启发学生思考如何启动离心泵?启动时注意事项是什么?学生在预习过程中多提问自己，提的问题越多越好，并且通过图书馆查阅文献、网络搜索相关资料以及学生讨论来解答问题，实在解答不了的问题最后进入实验室，在教师的启发下解决此问题。

预习途径多样化。以往是以教材内容为主预习，现在开放了实验室，学生可随时进入实验室现场预习。四川大学化学工程学院利用现代网络技术开发了化工原理实验远程平台，在网上预习。学生在校园网上登录此平台可阅览实验内容，每项实验内容为动态网页格式，支持网络远程教学，具体包括实验目的、实验原理、实验流程和实验步骤;对实验操作步骤进行仿真操作，操作界面直观、简洁，使学生便于理清流程;对数据采集实现了远程实时传送，若实验室有学生做实验时，可远程实时采集，读取数据，并可在旁观看其他学生做实验情况;对实验操作的结果，利用计算机自动处理数据、绘制曲线并打印结果。将计算机技术引入化工原理实验教学过程，通过化工原理实验远程实验系统，丰富了实验内容，拓展了学生视野，提高了学生实验参与的兴趣与积极性。

加强预习环节的考核。实验前围绕实验任务、实验原理、实验流程、操作方法、仪器仪表的使用等内容进行考查，明确实验中应测取哪些变量参数?如何测取?预估实验数据变化规律，拟定好实验操作步骤。考核的主要形式是检查预习报告，让学生主讲，教师引导或者学生提问，其他学生回答等教学手段发现预习中存在问题并及时纠正。通过这些教学手段激励学生认真预习实验，效果明显。

预习不合格者，不准正式操作实验。把好实验第一关预习是实验教学的关键环节。

2.2 优化实验项目，细化实验操作，提高实验技能

实验操作是理论知识运用于实践的过程，是学生实际动手解决问题的过程。在实验操作过程中如何运用已学知识去解决实际问题是我们教学的重点。如流体流经管道内的能量损失的测定，首先，引导学生确定所要研究的对象，建立1－1，2－2截面和基准面，运用所学知识列柏努利方程表达式，确定实验测定的变量参数;其次，确定实验中用什么仪表测定，为什么在工业生产现场要用这些仪表?最后，通过流体流经管道内的能量损失的测定，让学生明确在工业设计和生产中，流体在流动过程中能量损耗的多少是选择输送设备依据之一。通过此环节的实训，让学生更牢固地掌握工程实验方面的原理及测试手段，能把复杂的真实设备与工艺过程用最基本的原理来解释和描述，实现从感性认识到理论的综合运用，使其解决问题能力得到培养和提高。

优化实验项目，赋予实验新的内涵。在实验教学中不但要强化理论教学的知识点，更要结合现代技术，结合现代工业生产，建设综合实验装置，丰富实验内容，满足学生求知的渴望和需求，从而激发学生自主学习的兴趣和热情［6］。为此，在教育部提出实施“精品工程”战略的大背景下，四川大学启动了重点实验建设项目计划。自主研发了多套流体力学综合实验装置，水蒸气和空气进行热量传递的传热综合实验，大大改善了实验硬件环境。实验内容从单一验证性向多元化、综合性发展，丰富了实验内容，同时实行了小班化实验教学，能满足学生的需求。如流体力学综合实验包含了阻力损失测定、离心泵性能测定、孔板流量标定等实验内容，把过去单一的实验项目融为一体，既节省经费，又节省空间。它不是简单地融合，而是有机地整合。它再现了流体在整个管道内流动变化规律，便于引导学生对流体工程性问题的研究。流体从非稳态到稳态流动过程，过去在化工原理实验中从未测定，现在通过无纸记录仪记录了整个过程的变化情况，清晰展示流体流动过程中压差、流量等参数的变化。同时，在实验装置中大量引入现代工业生产的测试仪表，此类仪表采集数据既可就地显示，也可实现远传，与现代工业生产接近，拓展开阔了学生视野，学生学习兴趣浓厚。

细化实验操作，重视技能培养。学生实验操作不是为采集数据而采集数据。精确采集数据仅是一个方面，更重要的实践技能的训练。在实验操作过程中，教师要提醒实验的各种注意事项，如用电的安全，设备、仪器的安全使用等，防患于未然，勤于巡视和观察、引导，及时纠正学生的不当操作。在条件可控范围内允许学生操作失误，鼓励学生勤于动手，有意识训练学生，调动学生的主观能动性，提高学生的实验动手能力，掌握实验技能。如在流体实验指导过程中，管线多、阀门多，如何调节流量就是实训内容之一。引导学生理清流程，针对实验内容具体去分析，采用哪一个阀门调节流量更合理。通过实验学生发现问题后，可重新提出实验方案，规划布置流程，在条件许可下可拆卸重装实验装置，重新操作，培养学生实训技能。

分专业、分层次、分对象的个性化指导教学。化工原理实验是化学工程、应用化学、过程装备与控制、生物工程、环境工程、高分子等专业的技术基础实训课。四川大学采取独立设课的学分制管理模式，学生来自不同专业，层次不一样，学分不一样，学时也不一样。因此，对不同专业要采用不同教学方法和手段，开设不同的实验项目，实行渐进式分层次的教学方法以此提高教学效果。例如:在传热综合实验中，学时少可要求学生掌握热量传递过程变化规律，如总传热系数、空气给热系数测定等;学时多的可进行知识面拓展，掌握不凝气对传热的影响规律，同时把光滑管和螺纹管夹套换热器在同一工况下进行对比实验，或者测定套管换热器气流阻力损失变化规律等。实验教学内容丰富，可供学生选择，能满足不同专业、不同层次学生求知需求，激发学生主动求知的热情。

2.3 完善实验考核评估体系。

通过科学的考核方式能够监控、检查教学过程，对教师教的效果和学生学的效果进行评价考核，这对提高实验教师教学积极性，提高学生后续实验的兴趣具有重要意义［7］。四川大学对教师的考核采取两条线:一是教学质量督导组随时检查评定;二是上课学生无记名评价教师上课效果，鞭策教师提高教学。对学生的考核以实验成绩来评定。实验成绩考核包括实验教学全过程，即实验预习、实验操作和实验报告。实验预习考核是评价学生实验准备是否充分，通过预习能否写出实验具体方案、设计原始数据记录表、提出思考问题等;实验操作考核是评价学生实验过程的动手操作能力、观察能力、分析能力、解决问题能力是否达到了实训效果;实验报告考核是评价学生的科技论文写作能力。实验报告按小论文格式要求，对实验数据处理及作图能力、实验结果分析、讨论能力，规范和训练学生的写作能力进行评价。每个实验成绩由这三个方面按3∶4∶3的比例构成，即

最终实验成绩由每个实验成绩汇总平均。在学生做实验前事先告知学生实验成绩评定标准，客观公正评价每位学生成绩，有助于学生高度重视实验教学过程的各个环节。

3 结束语

在化工原理实验教学探索中运用多种教学方法强化实验教学环节，优化实验内容、以工程案例为素材、运用网络技术等教学手段，激发学生主动学习的兴趣和热情，让学生在轻松的气氛中不断提升自己的实验技能，从而达到培养学生创新能力、建立工程概念的教学目标。

［1］中国工程院“创新人才”项目组.走向创新:创新型工程科技人才培养研究［J］.高等工程教育研究，2010(1):1－19.

［2］鞠晨鸣，徐建成，居里锴.工程训练合作项目课程开发建设［J］.实验技术与管理，2012，29(4):189－191.

［3］王淑芳，金涌.大工程观念教育理念下工程教育课程体系与教育改革［J］.化工高等教育，2011(1):13－19.

［4］钟亚兰，黄驰，龚淑玲，等.化工基础实验教学改革实践［J］.实验科学与技术，2011，9(5):97－99.

［5］吴洪特，于兵川.强化化工原理实验教学过程，提高实验教学质量［J］.长江大学学报，2010(5):57－59.

［6］吴倩，徐宁.化工原理精品实验项目建设方法与思路［J］.实验科学与技术，2012，10(2):86－87，123.

［7］刘映琦，刘肃，李健.提高实验教学质量的创新实践与探索［J］.实验科学与技术，2010，8(1):58－61.