化工原理及实验课程教学体系的改革与探索

张莉梅 秦莉晓 谭芸妃 董立春

[摘 要] 化工原理及实验是化工类及相近专业的主干课程。为了提高化工原理及实验课程的教学质量并激发学生的学习兴趣，针对课程存在的问题，并结合重庆大学的教学实际，对现有化工原理课程及实验体系在教学内容、教学方法、教学模式上进行全面改革，从而构建以化工实践和创新能力培养为导向的化工原理课程体系。

[关键词] 化工原理;课程体系;改革与探索

[基金项目] 2017年度重庆大学教学改革研究项目（2017Y64）;重庆市高等教育教学改革研究项目（193012）;重庆市研究生教育教学改革研究项目（yjg193011）

[作者简介] 张莉梅（1988—），女，四川人，硕士研究生，重庆大学化学化工学院实验员;秦莉晓（1985—），女，河南人，硕士研究生，重庆大学化学化工学院实验师（通信作者）;谭芸妃（1990—），女，重庆人，硕士研究生，重庆大学化学化工学院实验师;董立春（1972—），男，河北人，博士研究生导师，重庆大学化学化工学院副院长，教授（通信作者）。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）29-0373-03    [收稿日期] 2019-10-16

化工原理及其实验是化工专业本科学生的主要专业基础课。化工原理课程是综合运用数学、物理和化学等基础知识，分析和解决化工类型生产中各种反应过程（或单元操作）问题的工程学科[1，2]。该课程的主要任务是研究化工生产中各种单元过程的基本原理、典型的设备结构、性能与操作原理;研究单元过程及其典型设备的计算方法;通过各种单元过程的操作因素分析，寻找适宜的操作条件，探索强化过程的方向及改进设备的途径。其知识的传授主要在课堂理论教学中完成，而实践工程能力的培养主要在实验教学中完成。化工原理实验是化工原理课程中理论与实践相联系、相结合的重要环节之一[3]，其基本任务是巩固和加深对化工原理课程中基本理论知识的理解[4]，培养学生灵活地运用基本理论，分析和解决各种单元过程中的工程技术问题的能力;熟练地进行单元过程和设备的实际操作技能和独立工作的能力。

一、化工原理理论及实验课程教学面临的主要问题

（一）教学形式单一，不能有效激发学生的“科学创新”精神

实验教学基本上是形式单一的验证性实验，学生只是机械的按照老师的指导进行实验操作、获得实验数据并完成实验报告，无法激发学生的学习兴趣和创新性思维，无法培养学生的工程观念和素质，无法提高学生的探索问题、解决问题和进行化工过程工艺及设备设计的能力;化工原理理论教学以传统的“保姆式”教学为主，不利于锻炼学生独立分析问题和解决问题的能力，也不利于培养学生“科学创新”的精神，对具体单元设备操作、过程、设计选型等的感性认识不足，工程实践环节比较薄弱。

（二）理论教学和实验教学衔接不合理

理论教学和实验教学步调很难协调一致，有的知识点理论教学完成很长时间才进行实验教学，这样学生对知识点的深入理解就会减弱，无法达到强化理论知识的效果;有时实验教学时理论知识还没有学习，学生在没有理解理论知识的前提下进行实验，很难把握实验的真谛。

（三）知识点更新速度慢

理论课程教学和实验内容已跟不上工程实际的发展，工程实践中新的知识、先进的技术和设备以及某些新兴工程技术领域的知识无法在教学过程中得到体现。学生在校的知识储备陈旧或不足，难以满足科技迅猛发展对人才知识能力的需求，并且會降低他们对未来的工作和生存环境的适应能力，不符合现代教育教学培养基础扎实、素质全面、实践能力强并具有一定创新能力的应用型、创新性人才的理念。

化工原理及其实验对化工类及相近专业学生的业务素质、工程能力与创新能力的培养起着至关重要的作用[5]。做好化工原理理论教学与实验教学的紧密结合，一直是从事化工原理及其实验教学者所关注并身体力行的事[6]。本文针对化工原理及其实验教学存在的不足，结合我校教学实际，对现有化工原理课程体系在教学内容、教学方法、教学模式上进行全面改革，构建以化工实践和创新能力培养为导向的化工原理课程教学体系[7]，激发学生的学习兴趣和创新性思维，以适应“卓越工程师教育培养计划”及“创新型工程人才”培养的要求。

二、教学改革措施

（一）改进和延伸实验教学内容，增加设计型实验，提高学生创新能力

化工原理实验课程将减少验证型实验，增加设计型实验，树立以学生为中心的教学观念，激发学生综合运用所学理论知识自主设计实验的积极性和主动性，以提高学生的创新能力。总的思路是紧密结合课堂理论教学，培养学生运用所学基本理论自主设计实验，以提高其分析、解决实际工程问题的能力，并且在此过程中注重学生创新思维的开拓和创新能力的培养。

常规的验证性实验，学生只是按照实验指导书上的实验步骤完成实验，这些实验的完成，对于学生掌握课堂理论知识具有一定的强化作用，但对提高学生解决实际工程问题的能力尚不足。因此，为提高学生思考、分析和解决实际问题的能力，强化工程意识，将实验内容由单纯的验证性实验改进为具有一定设计性和综合性的实验。如，恒压过滤常数的测定实验，学生只是测定出恒压过滤常数，至于“温度如何影响”“饼层厚度如何影响”[8]，学生都没有深刻的印象，操作性和设计性不强，没有完全满足学生的好奇心和动手能力。可让学生自行设计实验，考察物料温度对过滤速率的影响，研究温度对过滤常数的影响，对不同温度的实验结果加以比较分析，解释原因，得出结论。

（二）理论教学和实验教学相结合，从课堂教学出发，融入实验案例，在实验中印证并巩固理论，让实践赋予理论时代性

在理论教学中应对相关实验进行教学，尤其是对典型的错误操作及可能引起的后果进行讲解，因实际的实验中无法演示误操作的后果，可在教学环节中引入仿真软件，使学生观察误操作的后果，从而掌握正确的操作方法，加深印象，正面引导学生顺利完成实验。

化工原理实验教学方式的改进，应紧密结合课堂教学，通过实验扎实基本理论，强化学生工程意识。在实验教学过程中，应创设一些“问题”，让学生在实验过程中运用基本理论去分析、解决问题。比如，离心泵实验是化工原理实验中较简单的一个，但很多学生在实验过程中，泵启动后不出水，此时老师可以引导学生根据理论知识去分析，“不出水的原因是什么？”“离心泵的工作原理是什么？”从而最终确定离心泵在工作前要进行“灌泵”！[8]学生通过对这一实验失误的思考、分析，到最终解决问题，就一定会对离心泵的“气缚”现象有更深的理解，强化学生工程意识和分析问题、解决问題的能力。

化工原理实验中有很多演示实验，这类实验一般是实验教师做，学生观察现象，对于这类实验学生仅仅是浮于表面的、初浅的理解，对于培养学生的工程意识意义不大。我们可以探究型实验教学模式，结合理论知识，在进行实验时设计1～2个问题，让学生在通过化工原理实验课程学习的同时，对化工原理课程的基本理论进一步理解，树立工程的观点，应用所学的知识分析和正确解决工程实际问题。如在机械能转化演示实验中，教师可以提出这样一个问题：精馏塔塔顶连接一个敞口容器，溶剂由敞口容器流入精馏塔，要计算高位槽应放置的高度。提出问题后，老师要引导学生分析问题，要求高位槽的放置高度，实际就是要解决液体进入精馏塔的流速、精馏塔进液口处的压力，在高位槽液面和精馏塔进液口之间列伯努利方程，求得高位槽与精馏塔进液口的位差，即可计算出高位槽的放置高度。

（三）理论教学时适当增加案例教学

“化工原理理论”课程教学是提高学生培养质量的关键环节。课程教学不仅是传承知识和拓宽基础的途径，也是培养学生创新能力的必要手段。现代教学要求的是培养基础扎实、素质全面、实践能力强并具有一定创新能力的应用型、创新性复合技术人才。但目前本科生大都是“从学校到学校”的应届生，具备较扎实的理论知识，但缺乏生产实践经验，因此我们在进行化工原理理论教学时，尽量融入一些与生产实践保持密切联系的案例，不仅要呈现生产实践中的现实问题或技术改革方案、措施等，以便让学生能够接触更多的生产实践知识，有针对性地培养其实践能力及创新能力，更为关键的是教师在授课过程中须对这些事实性案例的理论基础进行剖析，引导学生用所学的理论知识对这些事实性案例做出科学分析，通过合理的分析与设计，使一个个“死”的案例变得“活”起来，跟化工原理的理论知识点与企业的生产实践联系起来，促进知识与技能的有机融合。如学习萃取时，可以融入“1，4丁二醇高粘焦油资源化利用技术开发”案例：1，4-丁二醇（BDO）是一种重要的化工原料，某公司采用雷珀法（Reepe）生产1，4-丁二醇，在BDO精制过程中，每生产1吨1，4-丁二醇可产生约100kg的高粘焦油。目前企业的处理方法为减压蒸馏回收部分BDO，然后将蒸馏釜底废液焚烧处理。但减压蒸馏处理会使焦油粘度进一步提高，造成生产过程中的设备和管道堵塞，更麻烦的是蒸馏釜底废液中无机盐含量过高，造成无法焚烧，形成大量无法处理的废物。学生学习萃取后，老师可以引导学生，由于有无机盐的存在，导致焦油无法焚烧，因此问题的关键就是：如何去除焦油中的无机盐。老师进一步引导学生，可以考虑以硫酸作盐析剂，在酸性环境下对高粘焦油进行盐析萃取，去除焦油中的无机盐。又如学习液体精馏时，可以融入“萃取精馏分离甲醇—甲苯—水的工艺设计及过程优化”案例：某工厂在生产邻氨基苯甲酸甲酯化工过程中，会生成甲苯—甲醇—水的废溶液。甲苯和甲醇均为重要的有机化工的原料，广泛应用于医药、化工和石油等领域，从保护环境和节约资源的角度出发，都需要对甲苯和甲醇进行回收利用。普通精馏无法实现甲苯—甲醇—水三元多共沸体系的高纯度分离，需要采用特殊精馏工艺——萃取精馏来对其进行分离。

通过实例讲解每个案例涉及的相关知识点，引导学生用所学知识解决实际生产问题，做到学以致用。此外，还可以让学生参与到课题组相关横向项目的实施过程中，通过吸纳学生参与到实际问题的实施过程中，激发学生的学习兴趣，提高学生运用理论知识解决实际问题的能力。

（四）教学方法多样化，提高学生的主观能动性

实验教学过程中可结合多媒体教学，在理论课程的基础上，每个实验给出几个任务书，提前将实验操作步骤、工艺流程和注意事项，录制成视频[9]，学生自由组队，自主选择任务书，提前预习实验。实验之前可随机抽取学生来讲解实验原理、操作方法、流程以及演示操作步骤，再由老师进行补充。提高学生的主观能动性，激发学习积极性，提高学习效率，充分发挥他们的个性特长，促进个性化学习，提高工程实践能力。另外，在理论教学过程中将传统的课程教学与多媒体、仿真设备、实物演示融为一体，加强对化工设计软件如Aspen Plus、Flunet、TG-tower、Heat-exchanger等的讲授[3，10 ]，使学生尽早掌握现代化工设计工具。如在精馏操作的讲解过程中，可让学生利用Aspen Plus软件预测物流的流率、组成和操作条件，设计塔板数、模拟设备尺寸等，再如使用TG-tower软件让学生模拟进料组分、操作温度、压力的变化对精馏操作的影响，使学生更好地将学到的理论知识运用到真实的工程设计和操作中。

下一步，我们要删减教材中陈旧的教学内容，优化知识结构，将学科前沿知识引入到教学中，充分利用各种教学手段，向学生介绍新知识在化工领域的应用前景，引导学生应用新知识去解决前人尚未解决或解决得不好的问题，从中训练学生的创新思维，提升学生的创新能力。

三、结语

通过对化工原理课程理论教学与实验教学的改革，强化学生“创新性科学思维”能力的培养，注重理论教学与实验教学相结合，实现理论教学与实验教学的无缝衔接，使学生更好地将学到的理论知识运用到工程设计和操作中，提前为全国化工设计大赛做准备。优化知识结构，将学科前沿知识引入到教学中，为国家培养出既懂理论又有实践经验的创新型人才。

参考文献

[1]贾绍义，李士雨，张金利，等.《化工原理及实验》网络课程建设[J].化学工业与工程，2005（S1）：50-53.

[2]郑大锋，王秀军.创新导向下化工原理课程教学方法研究[J].化工高等教育，2018（2）：6-10.

[3]吕海霞，杨志杰，张艳辉，等.基于应用型人才培养的化工原理实验教改探索与实践[J].化工高等教育，2016，33（1）：26-30.

[4]邓朝芳，李青嵩.化工原理实验课程改革探讨[J].教育教学，2015（5）：270-271.

[5]黎载波，张永平.在化工原理实验教学中培养学生工程素质及创新能力的改革与实践[J].广东化工，2014，41（12）：218-219.

[6]刘丽丽，台夕市，郭焕美.化工原理实验课程教学改革的探索[J].广东化工，2016，43（5）：210-211.

[7]陈万东，李秉朝，赵广旺，等.化工专业创新能力培养的实践与探索[J].实验技术与管理，2011，28（5）：127-129.

[8]王士财，刘赫扬，成忠.化工原理实验课程教学改革探索[J].浙江科技学院学报，2013，25（5）：400-404.

[9]戴益民，李浔，张跃飞.基于创新与实践能力培养的化工原理实验研究性教学模式的探索与实践[J].化工高等教育，2012，29（6）：31-34.

[10]刘军.《化工原理》课程教学改革初探[J].职业技术教育，2006，27（14）：41-43.