化工实验仪器功能开发与实验课程体系建设

张 红, 林瑞年, 庞秀言

(1. 河北大学 化学与环境科学学院, 河北 保定 071002；2. 河北大学 化学国家级实验教学示范中心, 河北 保定 071002)

高校对于本科实验课程的投入力度不断加大,但是存在实验仪器功能“单一化”、实验内容“孤立化”等一系列问题[1]。如何充分挖掘仪器性能,设置综合性、研究型实验项目,为学生提供探究性实验平台与科学的教学指导是重中之重[2-3]。理工科院校化学、化工及相关专业均开设“化工基础”或“化工原理”及相关实验课程[4-6]。我院“化工基础实验”独立设课,课时经历了由批准为国家级实验教学示范中心前的36学时到成立后的60学时(化学、材料化学、高分子材料与工程专业)的变化,还要保证每年10%的实验更新率。相比于实验教学示范中心成立前,化学等专业实验学时增加了近一倍，而实验室面积增加不足50%,实验室场地现状制约了通过大量购置新仪器来增加实验项目方案的实施。同时,学生研究及创新能力的培养对实验项目的设置也提出了更高要求。本文将探讨化工基础实验室在我院化学国家级实验教学示范中心成立10年的建设过程中,如何通过仪器功能开发助力综合性、研究型实验平台搭建,进一步通过综合性、设计性实验项目设置与实施，以及实验成绩管理、课程师资安排、教材建设等方面助力“实践教学”,培养学生科研思维与创新能力。

1 购置实验仪器力求仪器功能多元化

鉴于实验场地限制,在更新及新购置实验仪器过程中,将仪器功能多元化作为主要考核目标之一。例如,将原来只能进行离心泵性能参数测定的实验仪器更新为流体力学综合实验装置,可以分别完成流体流量测量与流量计校验、离心泵特性曲线测定、流体阻力测定等多方面实验内容；将单釜反应器流动模型检验实验仪更新为可分别实现单釜及三釜串联的连续搅拌釜式反应器；将间歇精馏实验仪更新为连续精馏实验仪,使可考察因素满足综合性、设计性实验的要求；购置的中空纤维超滤膜分离仪可以分别考察不同截留分子量膜分离器的独立、串联、并联等不同设备因素及操作条件下的分离能力测定。仪器功能“多元化”可实现一机多实验,从而节省了实验场地,同时为完成综合性、设计性实验奠定了基础。

2 改进“标准化”装置,提高仪器性能

根据实验内容需要,对原有“标准化”“商品化”仪器进行适当改进,为设置综合性、设计性实验提供保障。精馏为典型化工单元操作,是化工基础理论与实验课程必修项目[7-9]。对于购置的连续精馏实验仪,为了拓展仪器性能,增加实验内容的设计性,使影响分离能力的设备因素(例如填料塔填料形式)、操作因素均可以作为考察变量。在原厂家提供的单一陶瓷拉西环填料塔的基础上,自行更换为4种不同填料(增加了不锈钢θ形压延环、玻璃弹簧、金属丝网θ环),以便同时考察填料设备因素对分离能力的影响。对于填料吸收实验仪,为了同时考察填料高度对分离效果的影响,在原来单一塔顶尾气浓度检测的基础上,增开取样口取样,检测在不同填充高度上的吸收效果,以同时体现填料高度设备因素对吸收分离的影响。对于购置的以湿物料干燥特性测定为目的的流态化干燥实验仪器,通过改进物料支撑栅板、实验物系,为拓展完成固体流态化特性曲线提供了保障,使流态化干燥实验条件选取有了理论依据。

3 综合性、设计性实验平台的搭建

功能多元化仪器的购置以及以研究为目的仪器功能改进为综合性、设计性实验平台的搭建奠定了基础,使化工基础实验室可开出的综合性、设计性实验项目达到60%以上。例如:利用流体力学综合实验装置,学生在液体流量测量与流量计校验实验中认识到了流量测量方法的重要性；机械能损失测量与离心泵特征曲线测定的结合，使学生对流体流动规律与输送的必要性形成了完整的概念；改进后的连续精馏实验装置,既可以利用任何一台仪器进行不同操作条件下分离能力的测定,还可以在相同物性因素、相同操作条件下,评比任意组合的2台、3台或4台不同形式填料柱的分离能力,该实验内容的实施不但可以培养学生的实验设计、组织协调能力,同时可以培养学生间的团队合作精神；改进后的流态化干燥实验装置,学生在进行干燥实验之前,首先以与干燥实验粒径、密度相近物料进行固体流态化实验,认识什么是流态化现象及控制方法,并依据测定的流态化曲线来安排、实施湿物料的流态化干燥实验,使学生对流态化干燥实验中实验条件的选择与控制依据一清二楚,增加了实验的设计性、连贯性,避免了“盲目操作”。

4 实施“启发式”教学模式

为了使学生充分利用仪器功能,运用所学知识进行实验方案设计并实施的研究能力得到充分锻炼,在每一个实验的组织与实施过程中,坚持以学生为中心、指导教师进行辅助“引导”的指导思想。对于综合、设计性实验,实验前,指导教师首先对仪器性能做现场介绍,要求学生课下结合实验教材进行多因素实验方案设计。在实验项目运行前,检查学生预习情况,并进一步对设计方案给出指导性建议。以连续精馏实验为例,鼓励学生既可以设计以1台仪器为基础的连续精馏分离能力测定方案,考察多种操作条件对分离能力的影响；还可以将2台、3台甚至4台仪器组合,同时考察操作因素、填料设备因素与分离能力的关系,最终得到探究性的结论,并筛选出最佳分离方案。又如,在进行流态化干燥实验前,通过提出什么是流态化现象、实验中所用空气流量选择依据、影响流态化速度的因素等问题,使学生意识到要进一步利用该仪器,选择与干燥实验中粒径、密度均相近物料测定出保证固体流态化状态的空气流量范围。在启发式教学模式下,仪器功能发挥最大化,学生设计实验、动手操作、综合分析问题的能力得到明显提高。

5 建立综合、客观的实验成绩评定体系

传统实验教学通常粗略地以实验速度、实验结果和实验报告来评定实验成绩,忽略学生在实验过程中的创新思维与对实验结果的综合分析。结果不利于学生创新与研究能力培养,也有悖于研究设计性实验平台设置的初衷。为了紧跟项目设置的变化,充分考虑实验平台的特征,化工基础实验成绩评定大胆摒弃传统评定方法的局限性,遵循重过程、轻结果的原则[10],将实验成绩分成平时成绩与考核成绩两部分。

实验考核成绩占比30%,在所有实验结束后以试卷答题形式进行,重点考查实验原理以及实验操作、数据处理中的注意事项。平时成绩占比70%,注重考查学生在每个实验项目实施过程中的考勤(5%)、预习(方案设计,15%)、认知与创新(10%)、实际操作(10%)、实验记录(10%)、实验结果(10%)与实验报告(40%)。实验报告成绩由实验目的(5%)、实验原理(15%)、实验装置图(10%)、操作步骤(10%)、数据记录(10%)、数据处理过程示例(20%)、实验结果(10%)、结论与结果分析讨论(20%)8项组成。

该评定体系从创新与认知、动手能力、独立完成报告、科学分析实验结果等方面综合考查学生的实验技能与素质。实践证明,该考评体系可以全面、综合、客观地反映学生的实验能力,得到了师生的一致认可,并得以在全院其他实验课程中推广。

6 理论课程与实验课程相辅相成的教学方法

为了理论与实践实时、实地的结合,在化工基础实验课程与理论课程的人员安排上,遵循理论课教师同时指导实验课程的原则,防止专职实验教师忽略原理只讲操作，而理论课教师空讲原理不求应用。实践证明,理论与实验的有机结合可以使二者相互促进,既提高了学习效果,同时又能激发学生的学习兴趣。例如,理论课上机械能衡算方程的应用，要求2个衡算截面上压强表达方式必须一致,“抽象而空洞”的重点强调仍然被学生忽略。教师可以借助离心泵特性曲线测定实验实地引导学生认识压强的测量方法、泵的入口截面与出口截面测压形式、在计算泵的扬程时截面压强带入方法。既回顾并强化了理论教学,又及时预防了学生在处理数据过程中出现错误。又如,精馏理论课上“恒摩尔流率”假设是精馏段、提馏段物料衡算的重要理论依据,要求忽略汽-液传热、传质过程的热损失并假设分离对象相变热相等。在精馏实验中,教师可以实时、实地地引导学生观察精馏柱的真空夹层及外保温结构、分离物系组分的等摩尔相变热特点来理解“恒摩尔流率”规律,使理论与实验相得益彰。

7 完善课程实验教材内容

实验课程有一套与实验项目及理论课程匹配的实验教材对于学生预习至关重要。化工基础理论课教材一般为经典教材,而实验仪器指导书由仪器生产公司编写提供,使得指导书内容与课程理论之间存在一定差距,并且符号体系不能保持一致。为便于学生使用,从2000年开始着手于实验教材的编写,经过多年的实验教学实践,不断完善实验内容,该教材于2009年由化学工业出版社正式出版[11],并于2016年因实验项目更新及仪器的引进而进行了教材的修订再版[12]。由于实验教材及时跟上了理论课程与实验内容的更新,便于学习使用而得到了学生的好评。

8 结语

多年来,化工基础实验课程本着通过实践教育来使学生全面发展、培养学生创新能力的教育宗旨,通过对仪器功能的完善与开发,使得综合性、设计性实验开出数目达到8个,占总实验开出数目的60%以上。课程运行体系逐步完善,具有配套并不断随实验内容更新的实验教材、认真尽责的教学团队与客观公正的成绩评定体系。学生对课程的评价在95分以上,学习兴趣与动力明显提高。培养的本科毕业生在被推荐或报考到中国科学院、天津大学、南开大学等高校后,无论是其科研思维能力,还是动手实验能力，均得到了对方院校的认可。同时,化工基础课程获批校级精品课程、课程组教师完成出版相关实验教材2部[11-12]、发表教改论文7篇[13]，《以培养创新型人才为核心,深化化学实验中心教学内容及管理体系改革》获批省级实验教改项目,并荣获二等奖。

参考文献(References)

[1] 唐力,张文娟.实验创新教育与创新人才培养[J].实验技术与管理, 2017, 34(5):11-13.

[2] 王文礼,刘怀.关于提高实验室设备利用率的问题与措施[J].实验技术与管理, 1994, 11(1):42-44.

[3] 郝联芳,任耀辉,张金选,等.更新开发大型仪器功能提高使用效率[J].实验室研究与探索,2008,27(5):140-141,153.

[4] 北京大学化学与分子工程学院.本科生课程设置[EB/OL]. http://www.pku.edu.cn/education/kcsz/bkskcsz/index.htm?deptid=00010.

[5] 兰州大学精品课程.化工基础[EB/OL].http://202.201.1.71/meol/homepage/common/index_jpk.jsp.

[6] 武汉大学化学与分子科学学院.武汉大学化学与分子科学学院本科人才培养方案(2013版)[EB/OL]. http://www.chem.whu.edu.cn/bkspy/pyfa.htm.

[7] 武汉大学,兰州大学,复旦大学.化工基础实验[M].北京:高等教育出版社,2005.

[8] 武汉大学.化学工程基础[M]. 2版.北京:高等教育出版社,2009.

[9] 陈敏恒,潘鹤林,齐鸣斋.化工原理[M]. 2版.上海:华东理工大学出版社,2013.

[10] 李少龙,陶伟涵,金爱娟,等.关于大学理论课与实验课结合的探究[J].上海理工大学学报,2016,38(4):383-386.

[11] 马志广,庞秀言.基础化学实验4：物性参数与测定[M].北京:化学工业出版社,2009.

[12] 马志广,庞秀言.基础化学实验4：物性参数与测定[M]. 2版.北京:化学工业出版社,2017.

[13] Pang X Y. Knowledge framework building of “Chemical Process and Equipment” course [J]. International Education and Research Journal,2017,3(2):48-49.