本科院校化工原理少学时课程教学改革与实践

黎东维, 张 涛, 於思瑜, 耿豪杰, 邓朝芳, 刘社田

(1.重庆第二师范学院, 重庆 400065;2.西南大学 化学化工学院, 重庆 400715)

化工原理是化学工程、化工工艺、制药工程等专业的专业基础课程,其重要程度不言而喻[1]。化工原理课程理论性强、内容较多、难度较大,课程大致由7～8个化工操作单元构成,包括流体输送、流体输送机械、过滤与沉降、传热、蒸馏、吸收、萃取、干燥等,每个单元都自成体系,一般采用128学时教学,其中理论课72学时、实验课24学时、上机课24学时、习题课8学时[2]。随着新技术在化工领域的广泛应用和化学化工学科的不断发展以及本科院校应用型人才培养目标导向,化工原理理论课教学形式和教学内容发生了较大变化[3],迫切需要探索少学时化工原理理论课教学改革。为此,化工教育工作者开展了一定研究[4-5],取得了一些成果,为进一步推进化工原理少学时教学改革提供了重要参考。但是,如何进一步优化教学内容、压缩课程学时,探索更加有效的教学方法、提高教学效果,仍是当前面临的巨大挑战。为此,笔者结合近几年教学实践,提出51学时3学分的教学改革方案,重组教学内容,优化教学方法,既压缩课堂教学学时,又提高教学效果。

一、重组教学内容

化工原理课程的教学目标是让学生掌握单元操作的基本原理,掌握化工过程中的物料衡算、能量衡算、平衡关系、传递速率及经济核算这五个基本技能,学会分析和解决实际问题,为化工设计和研究打下基础[6]。少学时化工原理课程学时被进一步压缩,要确保教学效果,教师不能像传统教学那样安排教学内容,应当结合化工行业和学科发展最新特点,重组教学内容。由于化工原理课程知识体系内部紧密相关,在重组教学内容时一方面要考虑知识结构的内在联系,另一方面要兼顾学生学习热情衰减规律,将重要的基础知识前置。

首先,前置“传热”单元。“热”和“动”是化工中非常重要的基础知识,涉及节能环保的各项经济指标,在重组教学内容时,可以将“传热”章节从第四章前置到第二章,安排在“流体动力学”之后,这样不仅在逻辑上更加合理,还能在上半学期学生学习热情较高时将重要的流体动力学和传热讲授完毕,有助于学生基础知识的学习,为后面章节的学习打下坚实基础。

其次,合并“流体流动”与“流体输送设备”。将原“流体流动”与“流体输送设备”两章合并,这两个部分本身的联系非常紧密,实际流体流动的伯努利方程变形就得到管路特性曲线,与泵的特性曲线很容易联系起来,形成一个整体知识脉络。原教学内容中,两个部分各成一章,有关公式和符号各自独立,合并“流体流动”与“流体输送设备”后,章节逻辑呈递进关系,流体流动能量关系由伯努利方程描述,流体流动有摩擦阻力损失,能量损失“数量”与流体、流速、管径、管材、弯头、管件等有关,抵消能量损失必须采用泵提供额外能量。

第三,设置“分离传质”大单元。“传质”部分是化工原理课程中最重要的内容,包括蒸馏、吸收、沉降与过滤、干燥4个部分,蒸馏和吸收分别对应液—液均相物系的分离、气—气均相物系的分离,沉降与过滤、干燥都属于非均相物系的分离。将这4个部分设置成“分离传质”大单元,集中、依次讲授,逻辑上更加清晰。此外,在传质设备上,蒸馏和吸收都涉及板式塔和填料塔,二者有很多相似之处,学生在学习时可以采用对比学习法。将干燥放在过滤之后,更加符合化工工艺的逻辑顺序。

二、学时设计

少学时化工原理课程,课堂教学计划51学时,一个学期完成。各章节详细知识模块、学时安排与原计划对比见表1。

表1 各章节知识模块、学时安排、与原计划对比

与传统72学时相比,总学时减少了21学时,教学内容和学时变化的依据如下:

第一,将流体输送设备分散到流体流动各小节中,不再单独设置章节,即流体流动与输送部分共安排13学时,比原两个章节的总学时减少了5学时。一是将管道、管件等相关知识与流体动能损失相关联、合并讲授,从而减少原教学计划中流体输送设备的6学时;二是将离心泵的相关知识与流体流动关联。流体流动过程中,由于摩擦导致动能损失,必须由外界动力设备提供足以维持流体流动所需机械能,与此相关的离心泵原理、汽蚀、安装高度等知识比较重要,因而增加1个学时。

第二,将不太重要的知识后置、适当弱化,减少公式的理论推导、计算等内容。一是将沉降与过滤后置,安排4学时,与原有学时相同,但主要讲授基本原理和化工设备,不再将板框过滤机的板框数计算、板框过滤机过滤效率计算等知识作为重点;二是将干燥章节弱化,从原来的10学时减少为3学时,只对干燥过程的基本理论、主要设备进行讲解,减少干燥过程的速率计算、过程计算等;三是萃取分离、膜分离等知识不再纳入课堂讲授,改为学生课后自学。

第三,对传热部分内容进行优化,重点讲授热传导、对流传热、传热过程计算、换热器,减少沸腾及相变传热、辐射转热,因而将学时从原有12学时减少为8学时。

第四,将重要化工单元操作设计为传质大单元,主要包括将蒸馏作为液相均相体系分离操作、吸收作为气相均相体系分离操作,这两部分涉及各类化工“塔”,是现代化工的重点知识,因而分别安排11学时。具体教学内容与长学时版有较大区别,新方案将蒸馏、吸收的基本原理、化工单元操作的物料平衡、热平衡、塔结构等作为重点;适当弱化塔板数计算,这部分知识可以在化工原理课程设计或者化工设计等课程予以补充。此外,由于化工软件计算的发展,例如Aspen Plus、Fluent等为化工过程计算提供了极大的方便,不再需要大量人力进行纸质化计算。因此,蒸馏章节从12学时减少为11学时,吸收章节从14学时减少为11学时。

三、优化教学方法

(一)知识脉络教学

单元操作是化工原理课程的核心,在教学中各单元操作既有一定独立性,又有一些相似的逻辑规律,课堂教学要牢牢抓住暗含的两条脉络。一是“三传”的知识脉络。从流体流动开始,将流体为什么能流、流体怎么流、能量是如何损耗的、如何提供动力、热量如何传递、如何量化热量传递、如何实现热量传递和质量传递、如何实现均相和非均相物系的分离等用传动、传热、传质连成一个逻辑网络;二是指导化工生成的宏观知识脉络。化工宏观过程包括物料衡算、热量衡算、平衡关系、过程速率、经济衡算,这五大过程衡算既是每个单元操作知识学习的提纲,又是实际化工生产应用的最终落脚点。此外,可以用具有相似传递规律的理论来进行类比式教学,建立各单元操作之间的联系,强化知识脉络,拓展学生的思维,加深学生对该单元操作的理解。

(二)动态展示教学

化工原理课程理论性较强,教学内容较抽象,存在学生听不懂、难理解、难接受等普遍问题。究其原因,很大程度上是学生很难在大脑中自主构建化工设备的立体空间和整个化工物料过程的动态变化。解决这一问题,要摒弃传统的理论+公式推导的教学方法,广泛采用3D动画进行直观展示教学[7],例如在学习板式精馏塔、填料吸收塔单元操作、液泛现象等知识点时多采用动画演示,帮助学生理解。

(三)弱化计算过程

许多学生往往因为高等数学功底不好而逐步丧失化工原理的学习热情。针对这一问题,可以引入现代化工模拟软件,简化纸质用笔计算。在课堂教学中,侧重讲解原理、各参数的意义,适当弱化推理计算过程,改用计算机仿真软件实现相关计算。例如,教材中精馏塔计算过程非常繁杂,采用计算机仿真软件计算则变得十分轻松[8-9]。常见软件有Aspen[10]、Fortran、Fluent、COMSOL、Solidwork、BioWin等,学生只需专注搞懂化工原理,不必为繁重的数学计算花费精力[11-12]。

(四)注重培养工程应用能力

化工原理课程从工程中来,也要回到工程中去,要着重培养学生解决实际工程问题的能力。在教学过程中,必须注重培养学生的工程意识,强化其工程实践能力。一方面,在理论教学中引导学生注重工程实际、明确学习目的,引导学生立志成为一名化工工程师,培养学生“从工程中提出问题—学习有关理论—应用于实际工程”[13]的认知规律。另一方面,单独开设实践课程,将理论教学中相关知识与化工设计相联系,让学生完成某个化工产品的生产设计,培养学生整体设计和综合考虑问题的能力[14]。

四、教学实践效果

根据化工原理教学大纲,按少学时课程改革方案,笔者实施了教学改革且取得了较好的效果。为“量”化教学实践效果,教研室设计了与表1教学计划相匹配的期末考试细目表,期末考试题型及知识分布见表2,试题难度适中。从结果来看,期末考试总体情况良好,90分以上的占10.0%,80～89分的占28.9%,70～79分的占58.5%,60～69分的占12.6%。

表2 期末考试题型、知识点及分值分布

为“质”性评价教学实践效果,在试卷分析和调查问卷的基础上,将学生对主要教学内容的掌握情况总结于表3。学生对知识的掌握较为理想,对“三传”重点知识的掌握明显好于简单讲授的知识,例如流体输送这一最重要的化工单元操作,由于课堂上教师重点讲授,加之学生结合其他知识单元进行贯穿式学习,掌握程度较好;分子扩散与菲克定律、传热膜理论、漂流因子等部分,这些知识不是化工核心内容,在课堂上点到为止。

表3 学生主要知识点掌握情况

教学实践效果的取得,除了重组教学内容和优化教学方法,老师的课堂讲授也非常重要。对学生开展课程教学环节重要性问卷调查，统计结果如图1所示。少学时化工原理课程教学对任课教师提出了更高的要求,不仅要完全吃透传统教学内容,还要掌握最新的化工单元操作进展。例如教材中几乎没有涉及吸附分离单元操作,但在氢气制取的过程中,由西南化工研究设计院开发的吸附分离技术是目前该领域最先进的分离方法,必须予以讲解,以确保教学紧跟最新工艺。

图1 学生对教学环节重要性的反馈统计

五、结语

随着化学工程学科不断发展,多媒体、计算机技术、线上教学等教学技术和科研手段在化工原理课程教学中的深度应用以及应用型人才培养目标的内在要求,迫切需要探索少学时化工原理课程教学方案。本研究在传统72学时化工原理理论课程教学的基础上,通过前置“传热”单元、合并“流体流动”与“流体输送设备”、设置“传质”大单元重组教学内容,优化教学方法,提出51学时3学分的教学改革方案,教学实践效果较好,可为该课程的教学改革提供借鉴。