基于工程素养培养的化工原理实验教学改革

王丽梅，李荣春，刘明丽，耿龙龙，张秀玲

(德州学院 化学化工学院，山东 德州 253023)

近年来，为适应对外开放和国际竞争与合作的需求，促进工程技术人员国际交流，我国成立了中国工程教育认证协会，建立了工程教育专业认证体系，对化工等工程专业进行认证[1-3]。与此同时，我国的卓越工程师教育培养计划也是进行的如火如荼[4-6]。不管是工程教育专业认证还是卓越工程师培养，其根本目的都是提高我国工程人才培养质量，增强人才工程实践能力。我校结合自身实际，适时定位培养创新性应用型人才。德州学院的化学工程与工艺专业被山东省教育厅2013年批准开展“卓越工程师”培养计划，2016年被山东省教育厅批准筹建高水平应用型专业。在应用型人才培养的过程中，提高学生的工程能力和工程素质势在必行，培养全体学生的工程素养也受到越来越多的人的重视[7-8]。

化工原理作为化学工程与工艺、材料化学等专业必修的一门专业基础技术课，也是学生接触的第一门工程类课程。其教学内容即具有理论性、又具有工程性和应用性[9]。化工原理实验作为化工原理课程的重要组成部分，延续了其工程性的特点。每一个实验项目实际上都是化工生产中单元操作的“缩小版”[10-11]，在培养学生工程意识、工程素养等方面起着举足轻重的作用[12-13]。团队成员潜心教学[14]，从实验预习、实验教学方法、实验运行模式、实验理论与实践分析等方面进行了改革，提高了教学效果，强化了工程素养的培养。

1 多方举措，改革实验预习途径

一般来讲，实验环节的设置主要是为了巩固理论知识的学习，并达到实践训练的目的。实验原理就是理论课上讲过的知识，化工原理实验大致就是如此。所以，学生在预习时，普遍觉得实验原理相对简单。但是，实验装置体积庞大、结构较复杂。因此，实验装置就成了困扰学生的地方，实验装置的预习就成了实验成败的关键。

1.1 模型展示，直观形象

购买模型，在化工原理实验室中开放展示，方便学生了解、认识掌握化工原理实验装置中的各个阀门、管件和设备。既帮助学生更好地掌握化工原理知识，又有利于后续课程的开展。如各种传热器模型，都是透明塑料装置，通过颜色的不同区分各部件，使学生直观地了解设备内管子的分组，分清楚冷热流体的流通路径，掌握管程和壳程的划分。又如实验装置会用到的涡轮流量计、鼓风机等仪表设备，在实验前介绍它们的工作原理、使用方法。这些都增加了学生的工程知识储备，为提高学生的工程素养起到了一定的作用。

1.2 科学设疑，物尽其用

实验装置较复杂，但实验内容却较单一。如何根据现有实验装置，让学生学习更多的专业知识，更好地掌握实验技能？

科学设置问题，如雷诺实验，该演示实验的目的是让学生观察流体在管内流动的两种不同流型，测定临界雷诺数。通过实验，确实可以让学生直观地认识两种不同的流体形态。但是，实验内容相对简单。预习时，给学生提出问题“如何设置一个雷诺实验的实验装置？”让学生在实验前给出设计流程图。此时，学生需要充分考虑稳态流动、管路长度，甚至机器振动对实验现象的影响。然后让学生比较自己设计的实验装置和实际应用的实验装置各有什么优缺点。通过比较，不但可以加深流体流动这一章知识的学习，而且提高了学生理论与实践相结合的能力，培养了学生的工程意识、工程素养。

1.3 现场预习，构思方案

组织学生进行实验室现场预习，了解设备装置的结构原理和工艺流程，对实验的顺利开设起到举足轻重的作用。部分学生还可以根据学习进度，在实验开始前自己构思实验方案，经指导教师允许后，进行实操练习。

1.4 仿真预演，明确关键

利用仿真软件[15]，提前进行实验演练。以离心泵性能测试实验为例，通过仿真实验练习，可以让学生更好地掌握离心泵开关机顺序，意识到顺序颠倒可能造成的后果，防止实验过程中出现错误。

2 善用理论公式，改革实验教学方法

工程实验不同于基础课程的实验，后者采用的方法是理论的、严密的，研究的对象通常是简单、基本的甚至是理想的，而工程实验面对的是复杂的实验问题和工程问题[11]。

化工原理作为学生接触的第一门工程类基础课程，承担了从理论到工程的纽带作用。而此时，学生的思维方式还停留在理论基础上。以学生掌握的理论知识为出发点，改进实验教学方法，提高实验教学效率，培养学生整体意识、工程意识、工程素养。

在实验教学中利用化工原理公式，提纲挈领式进行讲解。以流体流动阻力实验为例，从公式出发，引导学生理解实验装置设计原理。直管流体流动阻力的计算公式Wf=λ(l/d)(u2/2)，公式中的l、d是管路尺寸，由实验装置确定；速度u可由测速装置确定；对于水平等径直管，其ΔPf等于管路两端压力差ΔP，从而得出Wf=ΔPf/ρ(ρ由流体和温度决定)。因此，依次确定实验装置中应有测速装置、水平等经直管、测压差装置和测温装置。这样看似从学生熟知的理论公式推理出了工程装置的设计依据，方便学生对实验装置的认识。以一个公式，统揽整个实验，培养学生的整体意识、工程素质。

3 实施大学生助教制度，改革实验教学运行模式

各实验课程的实验教学模式有相通的地方，也有自己独特的地方，因此，实验教师必须根据课程特点进行相应的教学改革。化工原理实验课程一直面临设备台套数少，学生人数多的问题。除了多个实验项目并行开设，增加分组数外，聘任大学生助教也是不错的方法[16]。这种方法本身也是一种因材施教的范例。

选择学习基础好、自主性强的学生进行培训，采用先培训后聘用的方法聘用大学生助教，代替老师进行一些重复性的讲授工作。聘用大学生助教并不能完全代替授课教师指导实验，教师仍要在场指导、答疑。学生反映对自己指导的实验项目印象尤为深刻，这得益于其充分的实验前准备和预习。同时，也让其意识到提前预习的重要性。对学生而言，做助教也是一种锻炼。通过授课，助教不仅可以培养其逻辑能力和语言表达能力，而且更能培养其自信，提升学生的综合素质。

4 辨析理论与实验的关系，培养工程素养

理论教学与实验教学的关系，毫无疑问是相辅相成、相互渗透的[12]。在化工原理实验中，理清理论教学与实验教学的关系，解释实验结果与理论推测不一致的现象，变得尤为重要。

化工原理是一门工程学科，很多知识是理论与实践相结合的产物，也就是说理论知识的形成是参考了实践内容的。化工原理中的很多公式正是如此，是通过理论推导与实践结果相结合而得到的。因此，在化工原理实验教学中，可以结合实验和理论的关系，解释实验中遇到的一些问题。如雷诺实验中，学生观察到的层流边界和湍流边界对应的雷诺准数(Re)，并不是2000和4000，而是介于俩者之间。而这显然和理论推测是不一致的。殊不知，2000和4000这两个边界代表的不是某一次实验的结论，而是多个实验的综合结果。当学生拿自己所得的层流边界(如2600)与教材上的数据对照时，这个2600不等于2000，但是却也满足了“当Re≤2000时，肯定是层流流动；Re≥4000时，肯定是湍流流动；2000

5 结论

在化工原理实验教学中，改进实验教学方法，改革实验教学运行模式，理论与实验的关系。通过模型展示、科学设疑、现场预习和仿真预演，增设实验预习途径，不仅扩大了学生自主学习的时间与空间，而且培养了学生的工程意识，预习效果大大提高。以理论公式为核心采用提纲挈领法进行实验教学，即复习了理论知识，又明确了实验装置结构的合理性，体现了理论指导工程实践的过程，培养了学生的而工程素养。通过辨析理论知识与实验结果的关系，理清工程中理论与实验相互依存的关系，培养了学生的工程素养和综合素质。