新工科背景下《化学工程基础》的教学改革探索*

2020-03-07闫浩然陈君华张大朋成战强张少卿

广州化工 2020年9期

闫浩然，陈君华，郭雨，张大朋，成战强，张少卿

(1 安徽科技学院化学与材料工程学院，安徽蚌埠 233030；2 安徽鑫民玻璃股份有限公司，安徽滁州 233100)

《化学工程基础》是化学与材料相关工科专业的必修专业基础课程，内容与《化工原理》基本一致，由于学时的限制和专业的特点，在内容上相对《化工原理》有一定程度的精简。该课程具有较强实践性，与生产实际紧密相连，它综合运用了高等数学、物理、化学、物理化学、化学反应工程等基础课程相关知识，旨在处理工业生产过程中的实际问题。理论课程的主要介绍流体、传热、吸收、过滤、精馏、干燥等基本原理和化工生产的各种单元操作，以及相关单元操作所涉及的设备构造、操作原理、过程计算、设备选择等。具有与生产实践联系紧密的特点，对培养理科应用型人才、促进科技成果产业化、实现科学技术更好地为经济建设、科技进步和社会发展服务具有重要的意义[1]。然而，由于该课程内容涉及面广且综合性较强，学生普遍缺乏工程实践经验，往往“学着后面的，忘着前面的”，学习起来相对吃力。为了在有限的课时内，保证并提高本课程的教学质量，有必要对本课程的教学进行一定的改革探索。因此，笔者结合自身教学过程中的经历，谈一谈有关提高《化学工程基础》教学质量的一些探索和实践。

1 教学现状和“新工科”教育的要求

“新工科”工程教育模式与传统教学模式最大的区别在于其更加注重对学生实践能力的培养[2]。安徽科技学院作为一所地方应用型本科学校，具有鲜明的工科特色，培养目标明确，较为注重学生的实践能力的培养，旨在培养适应社会主义现代化需要的专业技术人才，这也与“新工科”教育的要求不谋而合。同时，在课程设置过程中，充分考虑到现有各专业的特点，化工原理尽管作为一门各专业必修的基础课，但各专业之间的课程设置也有所区别。对于化学和化工专业，课程设置为《化工原理》，分两学期授课，总课时为146学时，其中理论课110学时，实验课36学时，课时充分；材料科学与工程和无机非金属材料专业，课程设置为《化学工程基础》，总课时为72学时，其中理论课54学时，实验课18学时，两专业实验课和实践环节内容有所区别。对于不同专业的学生而言，其必须具备相应专业特色的知识结构与能力结构，才能尽快适应工作岗位和社会发展的需求。

2 “新工科”背景下的教学改革实践

围绕“新工科”建设的理念，需要改进传统的材料类专业人才培养模式和课程体系，建立“知识探究、能力培养、人格塑造”三位一体的育人体系[3]。本着强化基础扎实、工作踏实、作风朴实、实践能力出众的人才培养特色，地方应用型高校需将“新工科”教育理念融入到现代教学中，着力培养具有社会责任感，富有创新精神、实践能力的高素质应用型专业高级技术人才[4]。基于“新工科”教育模式，笔者从以下几点对《化学工程基础》的教学进行了改革和优化。

2.1 简化教材内容

材料类专业基础知识结构与化学专业不同，因此在有限学时内学生掌握能力有所不同，应让学生掌握课程核心内容。《化学工程基础》这门课程核心内容必然仍以“三传一反”为主，课程组通过调整课程体系，整合教学内容，将这门课的教学内容分为主讲与自学两部分。每种传递方式选择一种具有代表性的，难点重点章节详细讲解；相对简单，传递方式相似的，便于学生理解的，抑或是其他专业课内容已经有所涉及的，可以引导学生自学，不再予以讲解。主讲内容将放在具有代表性的流体流动与输送、传热、精馏、吸收和干燥，主讲内容要求学生掌握“三传”的基本原理和相关重要公式，了解建立数学模型的方法，使学生真正的学会处理工程问题的思维方法。自学内容主要包含蒸发、沉降和过滤、化学反应工程学基础基本原理和生化反应器等内容，主要原因是，比如对于蒸发来说，精馏部分会对蒸发基本知识进行相关介绍，因而此部分自学起来并不会很吃力；对于沉降和过滤来说，章节内容较少，平时学生实验锻炼接触较多，对相关知识理解起来并不会十分困难。

2.2 教学结合多媒体手段

多媒体技术是现代教学过程中一种不可或缺的媒介。基于化工类课程的特点，在基本的教学过程中，由于公式推导过程繁多，板书仍然是大部分老师的主要教学方式，仅靠幻灯片进行各种公式的快速转换，确实会使不少同学的思路跟不上。但是，当前互联网资源和动画软件十分丰富，制作模拟动画或课件却可以将一些枯燥的基本概念、基本原理较直观地展示在学生面前，能够在有限的教学时限内，提高教学效率。另外，本课程教学内容涉及化工单元操作与工艺过程，学生一般很少见过真实的化工设备，教材中的示意图与工厂设备和装置的真实体积和外观有较大的差别，学生普遍缺乏基本认知，运用多媒体手段，可以加深学生对实际化工生产和运行规模及过程有所了解，激发他们的学习兴趣，改善教学效果。

2.3 课程引入翻转课堂教学模式

传统的教学方式主要是依靠教师在讲台上讲授，学生被动接受知识，课堂氛围较为枯燥，互动性较差，教学效果不能及时反馈。近年来，“启发式”教学模式不断在高校教学中出现，提升了学生与教师之间的互动，这种学习方式能够引导学生由被动的知识学习转变为主动学习，提高学生主动学习的能力。在目前的教学中，课程组教师利用“翻转课堂”的教学形式，将课程主要内容提炼出来并细分成独立的知识点，指导学生通过学习教材对应章节知识、查阅相关文献，并进行分组讨论的形式，让学习自主学习相关知识。此外，结合学校设置的专门的翻转课堂教室，从教室布局到专业设备，都打破了原有传统教学方式，让学生可以以利用先进的电子设备和展示手段，将自己自学和准备的内容，讲给同学们听。通过实践发现，学生准备的内容远比教师预期的丰富，大多数学生能够非常认真去准备相关内容，有些学生对知识也有自己独特的见解，这远比学生被动学习带来的效果要好。在此基础上，课程组会在课程后段，对学生理解不准确，准备不到位的内容进行补充和修正，以确保知识体系的完整。

2.4 增加反映学科发展的前沿内容

《化学工程基础》作为理科专业的工程技术课程，其教学内容除了“三传一反”以外，还应当及时反映和体现学科的发展与技术进步最新动态。在之前的教学过程中，每届教学主要教学重心都是以经典理论为主，很少涉及一些新技术、新设备、新理念。在化工专业也快速发展的今天，许多化工企业和化工设备，并不是像人们印象中的污染大、设备旧、工艺老的形象了，教师在课堂上如果没有涉及学科前沿发展和现代化工内容的话，这样很难使学生开阔视野，学生接受新事物的能力以及创新思维也难以激发，不仅如此，还会阻碍学生创新能力的培养。然而，由于课时的限制，如需了解更多这些方面的工程技术知识，可自学并外加教师课外辅导的办法进行.课程讲授内容紧跟时代步伐，融入最新科技成果.适当增加新技术、新设备、新成果在相关章节的补充讲解，如在传质分离方面，膜分离技术、超临界流体萃取和吸附与分离交换技术等等，有利于拓宽学生的知识视野，也会增强学生的学习兴趣，这样对学生毕业后从事化学化工专业技术工作大有裨益。

2.5 建立课程的仿真实验教学系统

仿真教学是利用实物或电脑创设各种虚拟环境来模拟真实环境，并根据真实环境中的理论和实际操作情况在虚拟的环境中进行操作、验证、设计、运行等的教学方式[5]。其优势主要体现在以下几个方面：(1)缓解实践教学硬件条件的压力，节约教学成本；(2)维护简单，升级方便，能够跟踪学科发展前沿；(3)使用灵活，利于学生自主学习；(4)资源丰富，网络提供各种素材资源；(5)适用面广，便于建设资源共享平台；(6)提高时间效率，便于控制教学节奏；(7)提高实验安全，防范特殊设备的教学意外事故发生。考虑到化学工程基础对实践教学设施依赖性较强的特点，以及学校本身条件的限制，很难将完整的实践实验过程都放入教学计划中，因为利用仿真实验系统是一种很好的解决方式。目前，安徽科技学院有一套化工原理仿真实验系统，里面包含了化学工程中主要的12个实验，学生可以安装到自己的电脑上进行实验模拟，系统里也最大限度还原真实实验过程，并且能够进行数据的处理和图形绘制。仿真教学系统的建立，弥补了有限的实验课程中涉及不到的内容，加深了学生对化工生产过程的单元操作的认知。

2.6 加强实践锻炼，理论联系实际

尽管目前借助多种手段，尽可能使学生从多渠道获取丰富的专业理论知识，但是很少直接有实践的机会，所以对于该课程的认知往往容易停留在感性认知阶段，往往不能有效地转化为理性认知，对知识的掌握不牢固，容易遗忘且不能有效对所学知识进行迁移[6]。此外，企业中涉及到的设备也越来越集成化“智能化和自动化”，仅仅依靠毕业实习，往往难于对设备和工艺有比较深入的了解，往往到毕业实习阶段，很多同学理论知识有很大部分已经遗忘。为了让学生对这门课程有更加深刻和深入的认知，结合滁州和蚌埠当地的产业特色，在学期课程进修过程中，带领学生到企业中进行针对性的参观实习。安徽鑫民玻璃股份有限公司是滁州当地一家大型玻璃生产企业，在教学过程中，课程组让鑫民玻璃部分技术专家参与到教学和实验实践的指导中，并带领学生对煤气化炉、换热器、泵设备等有直观的认识。由于企业生产具有连续性的特点，学生能够很直观地认识不同设备之间的衔接和配合，建立起知识体系的连续性。与此同时，通过与技术部门的交流学习，了解工艺更新过程中产生问题，还使学生思考解决工程问题与纯理论问题有什么不同。工程上更注重适用性原则，以满足生产目的和可操作性，更关注经济效益[7]，学生的工程观念和经济观念在教学的环节中得到巩固和加强。