化工原理实验教学方法探讨*

雷雪霏 李瑞海 孟 营 臧 娟 崔金玉

（辽宁中医药大学药学院制药工程教研室，辽宁 大连 116600）

化工原理是我校为制药工程、食品工程专业开设的一门专业基础课。化工原理是讲授在制药或者食品等工业生产中各类单元操作的专业基础课程。化工原理实验课以过程工业生产工艺为教学内容，是培养化工工艺、制药工程、食品工程、生物制药等专业学生工程实践能力的重要课程［1］。笔者根据多年化工原理课程教学经验，总结出化工原理实验课程教学中的三个要点。在教学实践中特别注重工程观念的讲解和开发实验专用设备，提高了化工原理实验课程的教学效果。

1 实验教学中突出工程观念

制药工程专业是一门化学、药学和工程学交叉学科。本专业以培养从事药品生产，新工艺、新设备的开发、放大和设计的工程人才为目标。制药工程专业的学生，在学习化工原理理论课之前学习的课程，均为本专业的理学基础课，比如物理化学、高等数学、有机化学等。这些课程不涉及到工程生产方面的专业知识，学生对药品的工业生产操作是陌生的，也完全没有接触过工程观念和思想。

化工原理课程服务于生产实践，因而课程中的半经验公式，工程规范和生产过程知识明显多于物理化学这类基础理论课。同大学基础课比起来，化工原理课程具有鲜明的工程观念特点。通过化工原理课程的学习，学生将具有初步的工程思想，从工程设计角度来思考分析遇到的单元操作问题。工程思想观念贯穿整个化工原理的教学过程［2］。除了理论课教学中要有意识的培养工程思想观念外，化工原理实验则是一个从实践和现实角度来接触了解工程思想观念的重要课堂。学生在化工原理实验中首次接触到和生产设备接近的工程实验装置［3］。学生在化工原理实验课堂上，亲自操作设备，亲自设计实验，对设备和生产中的工程观念将具有直观的体验和感受。对很多设备的操作与调节使得学生从书本的理性认识转变到具体的感性认识上来［4］。

例如在“列管式换热器传热系数测量”的实验中，学生第一次接触到真实的换热器。实验中的换热器结构就能让学生认识到工程实践和纯粹的理论上的差异。理论上，一个列管式换热器的管子的管径和长度完全可以根据需要设计出任意的粗细和长度。但是在工程实践上，根据目前列管式换热器的国家标准，常用的管径有φ（19×2） mm，φ（25×2.5） mm 2种规格，而管长有1.5 m、2 m、3 m、6 m 4种规格。实验课上就要结合换热器实物，向学生说明工程上为什么这样安排管径和管长，而不是可以随意设计管径和管长。在本实验中的传热系数K的测量后分析讨论中，也要结合工程观念合理的讨论。比如为了增大K值单纯从理论上可以通过增加流体流速u来实现，但是现实工程上的u的增加幅度是有限的，输送功率增加也是要增加生产成本的。工程上增加K值可以首先考虑优选逆流流动换热。诸如此类在实验中结合工程观念的讲解，对于学生树立工程观念，学会灵活运用理论知识解决生产实际问题显现出重要的价值。

2 为设计性实验开发专用实验设备

我校化工原理实验中有验证型实验和设计型实验类型。对于化工原理实验而言，验证性实验是学生在理论课上学习了某个单元操作的规则，在实验室使用固定的设备通过实验来验证该规则的真实合理性。设计性实验则要求学生自行设计实验方案、操作流程，以团队方式完成实验过程，包括数据处理和分析。设计性实验能有效提高学生分析解决问题的能力，同时对于学生是否灵活掌握了理论课内容是个很好的检验。在我校化工原理实验大纲中，有接近一半的实验为综合设计性实验，比如管路特性曲线测定、精馏实验、干燥实验等。以管路特性曲线测定实验为例，学生需要设计出详细的实验步骤，实验数据收集表格，最终实验数据的处理以及讨论。

实验装置是学生进行实验的物质基础，也是一个实验室综合水平的体现，实验装置既要与本学科的内容与发展相匹配，又要与人才培养目标相适应［5］。设计性实验的开展，对实验设备提出了更高的要求。学生设计的实验步骤，要根据现有的实验设备情况设计。比如本校实验室如果没有高精度的压力传感器，就不能在实验中设计测量精密的气压变化。所以设备的装备水平，决定了学生设计性实验的内容和效果。笔者根据化工原理实验课大纲的要求，设计开发出能够实现多个设计性实验的流体实验设备，设计结构见图1。

图1 多功能流体实验设备结构示意图

该设备从设计论证到制造出实物用于教学历时两个学期。本设备主体结构为304不锈钢材，包括直管、弯头、三通、阀门等。流量计设计采用转子流量计，耐腐蚀性强，可读性好。对于没有使用耐腐蚀材质的流体实验老设备，在使用多次后会出现老化腐蚀的现象。这些腐蚀问题会造成测量阻力的数据变化，会导致实验误差增大甚至严重不准确。本设备的不锈钢材质能够保证主体材质不受腐蚀，所采用的仪表均为不锈钢充油防震长寿命仪表，无需维护保养。该设备可以用于多个流体实验，如测量层流摩擦系数、测量局部阻力系数、离心泵特性曲线测定、管路特性曲线测定等。使用一套设备可进行多个实验，有效的提高了设备的利用率，节约了学校的设备投资费用。该设备的一个重要特点即模块化。对于流体力学实验而言，实验要求测量的内容很多，而模块化的设计可以通过更改模块来进行全新的实验，满足实验测量内容多的要求。例如该设备测量局部阻力处的阀门即为模块化设计。将该阀门处的装置更换为孔板流量计后即可进行新的孔流系数实验。由于该设备的模块化设计，学生在设计型实验中可以大胆设计实验步骤，为我校化工原理设计性实验提供了一个多功能的平台。

3 重视实验考核

传统高校的化工原理考试课成绩以理论课考核成绩作为最终总成绩，也有些学校把实验报告成绩折算到总成绩中。类似这样的考核方法会使学生重视理论课的解题能力培养，而不重视实验操作，甚至不会做实验，却追求实验报告的完美高分。这样的考核体系不能准确的体现学生对知识综合运用能力，特别是无法体现出学生的动手操作能力。因此我校将化工原理实验课占考核总成绩的比例提高到15%。这15分包括学生在实验过程中的课前预习、课堂回答提问表现、实验操作方法、实验结果准确度及最终报告书写成绩。其中最能体现出实验核心的操作方法问题占7分。这样安排成绩考核是考虑到实验的总成绩要能够全面体现出学生的实验水平和治学态度。这样的考核方法既符合实验教学中突出动手能力的特点，又有利于学生综合专业素质的提升。

对于实验操作方法的提问从学生动手实验前开始并贯穿整个实验过程。在实验开始前以提问形式让学生对实验流程进行梳理。通过提问让学生对该次实验的关键步骤有清醒的认识。比如在精馏实验中，针对精馏实验使用的塔设备提出下面几个问题：（1）原料液从哪里进入到塔内，如何调整原料液的流量？（2）塔釜残液、原料液、塔顶产品的流量调节阀、温度、压力等测量仪表位置及读数显示在哪里？（3）产品浓度变化时，如何调整回流比？这些问题引导学生对实验关键控制过程有了思考和解答。实验开始前的提问并记录提问的成绩，能够让学生积极主动思考该实验的操作问题，比教师灌输式讲解的效果要好很多。

4 结语

在我校制药工程专业的化工原理实验课教学中尤其注重工程观念的启发和引导。学生通过实验课的实践，对工程上的设计规律，操作规律获得了感性认识。在化工原理实验课的考核中，也突出了以实验操作为主的评价方式，成绩要体现出学生在实验中的真实操作水平。我校针对设计性实验开发的流体力学实验设备已经投入教学多年。通过这样的多功能实验设备，极大地拓展了化工原理实验课的学生实验测量数据范畴，从根本上提高了化工原理实验课的设计性实验的教学效果。