化工基础课程 教学现状及基于兴趣导向的教学改革

伍鹏(苏州大学 材料与化学化工学部 化工与环境工程学院，江苏 苏州 215123)

0 引言

随着我国改革开放和现代化进程的不断加快，培养一大批量具有高素质工程技术人才，对我国经济发展和科技进步具有重大的现实意义和深远的战略意义[1]。大学生是创新型高素质工程科技人才的培养主体。根据理科分流培养基础性和应用性专业人才的教学改革要求，对理科学生强化工程教育日益受到各高等院校的重视[2]。化工基础是一门针对理科化学和应用化学专业的技术基础必修课，在基础课与专业课之间起着承上启下、由理及工的桥梁作用，对培养兼具理论知识与工程思维的复合型人才有着举足轻重的作用[3]。该课程作为一门工程学科课程，实践性很强，涉及到化工、材料、食品、医药、环保等多个领域，并且与生活中的衣食住行紧密相关。化工基础课程内容涉及化工单元操作、基本化学反应器和典型的化学工艺三方面，浓缩了化工原理、化学反应工程和化学工艺学等三门化工专业主干课程的基本知识[4]。通过本课程的学习，要求学生能掌握化工“三传一反(动量传递、热量传递、质量传递和化学反应工程)”的基本原理、计算以及研究方法等。

兴趣是创造性思维的源泉，也是提高教学质量和学习效果的关键。教学改革任重而道远，基础教育有“兴趣”，专业教育才能有“创新”[5]。讨论创新型人才的教育模式，需要从“兴趣”二字找答案，而具体到专业基础课程中，需要探讨如何落实“兴趣”[6]。化工基础课程涉及的公式多、计算繁杂，要求学生逻辑思维严密，具备扎实的高等数学、普通物理、大学化学、计算机等基础课程知识，以及良好的综合分析能力。理科化学专业学生的高等数学和物理的基础相对薄弱，受课时少、教学材料匮乏、教学手段单一、疫情缺乏实习机会等因素影响，学习化工基础课程的难度较大，学习积极性和兴趣较低。

本文首先对本课程的教学现状进行简要回顾，阐明传统教学模式存在的问题，在此基础上，总结笔者近年来在激发学生的学习兴趣、提高本课程的教学效果方面所采取的一系列改革措施，以期为培养高素质、创新型工程技术人才奠定基础。

1 化工基础课程教学现状

1.1 教学内容多、课时少

如前所述，化工基础课程内容繁杂、涉及面广、综合性强，在当前“厚基础、宽口径”的教学培养模式下，该课程的课时数明显偏少。根据我校最近修订的2021 级化学专业培养方案，化工基础课程的学时已经从54 学时压缩至36 学时。学时的大幅度减少影响教学计划的完成，知识点得不到详细讲解，尤其是化工传递和反应工程相关的计算和设计往往一带而过。更为重要的，受课时限制，教师也很难有充分的时间在课堂上与学生进行互动和交流，使得学生逐渐丧失对该课程的学习兴趣和动力。

1.2 教学内容陈旧、缺乏新教材

目前全国各高校理科化学专业采用的化工基础教材内容均围绕化工“三传一反”展开，虽然涉及面广，但内容大多比较陈旧，不能反映当代化工前沿科学技术的发展水平和现状。且许多内容仍然沿用工科教材的内容体系，没有突出培养理科人才的知识结构需要，不能满足理科化学专业的培养目标和要求[7]。

1.3 教学手段和教学工具缺乏创新

目前大多数院校的化工基础课程采用的主要教学工具依然是PPT 课件与黑板板书结合，课堂讲授知识和学生课后完成作业的模式[8]。这种教学模式本质上是一种填鸭式教学手段，学生只是被动地接受知识，而没有积极地参与到课堂教学中，不能充分调动学生学习的积极性和课堂参与度，势必影响教学质量和学习效果。

1.4 实践和实习机会欠缺

化工基础课程涉及到种类繁杂的化工单元操作设备和化学反应器工艺，而多数学生都没有实际接触化工生产过程，对化工设备和生成工艺流程缺乏感性认识。工厂参观和实习是了解化工生产设备和过程的有效途径[9]，但受学校经费、周边化工厂数量、新冠疫情等多种因素的限制，当前很难找到稳定的、安全的、愿意对外开放的实习工厂。学校虽然开设了化工基础实验课程，但理论课与实验课不同步，且实验设备不齐全，理论知识得不到有效巩固，实践技能得不到提高，无法将所学理论知识与化工生产实际过程相结合。

上述化工基础教学现状，导致学生对该课程缺乏学习兴趣和动力。此外，从理科化学专业培养目标上来看，大多数高等院校旨在培养能在科研机构、高等学校及企事业等单位从事与化学相关的科学研究、技术开发、教学和管理等工作的学术型人才，而不是工程技术人才[9]。因而许多学生认为他们将来不会从事化工生产相关的工作，学习化工基础这类工程技术课程对他们未来就业和深造没有任何帮助。这种思想意识的偏差致使他们对本课程的学习不够重视。兴趣是一种特殊的意识倾向，是创造性思维的源泉，也是提高教学质量和学习效果的关键[10-11]。因此，如何在充分激发学生学习兴趣的基础上，对该课程进行改革，构建兴趣导向的学习模式，使学生积极主动学习，真正学有所得，是所有一线化工教师应该深入思考的问题。笔者自2018 年担任化工基础课程主讲教师以来，对本课程的教学内容、教学方法和考核方式等进行了改革探索，并取得了积极成效。

2 教学改革探索与实践

2.1 系统优化教学内容，强化工程观点，构建实用且前沿的课程体系

化工基础课程的教材内容涉及面非常广，而课时又非常有限，因而在实际教学过程中，必然要对教材的内容进行删减。培养和强化学生的工程思维和技术经济观点是本课程的重要教学目标之一。因此，我们在课堂上主要介绍“三传一反”的基本原理及处理工程问题采用的研究方法(包括数学分析法、数学模型法和因次分析法等)；着重于典型的化工单元操作(包括流体流动、热传导、热对流、精馏和吸收)和基本反应器(间歇操作反应器、平推流反应器和全混流反应器)，并结合化工案例强化技术经济分析等；而将比较复杂的单元操作(比如：膜分离、结晶、干燥) 和非理想反应器相关的知识列入选修内容；删除了那些对理科学生不必要的繁琐运算。这样既能有效减少化工基础课程知识内容，降低学生学习的难度，又能有助于学生将精力与时间集中在能显著强化工程观点的化工单元操作和基本反应器这两项重难点内容上。

为了丰富教学内容，在课堂教学中及时补充本学科不断涌现的新知识、新方法、新技术以及相关前沿内容，不仅拉近了教学与学科前沿的距离，还促进了学生对新知识和新技术的认知，拓宽了学生的知识面[8,12]。为了进一步强化学生的工程思维和经济分析能力，近年来将产品设计报告融入课堂教学环节中：要求学生自主组队，基于化工传递和反应原理，设计一款产品，并以PPT 形式从原理、技术、经济、安全方面对该产品进行综合评价。这极大丰富了课堂的理论教学内容，提高了学生运用所学理论知识解决实际工程问题的能力，增强了课程的趣味性。

2.2 合理运用现代化教学手段，提升学生课堂参与度

适合的教学手段是提高学生课堂参与度和学习主动性，进而确保取得良好教学效果的关键。随着现代教育技术的飞速发展，多媒体教学和网络化学习已成为可能，很大程度上已经取代了传统的板书教学[10]。现代化的教学手段对于化工基础课程的教学非常重要。化工单元操作和化学反应都涉及到多种化工设备，比如：离心泵、流化床、换热器、精馏塔、吸收塔、反应器等。利用黑板、教材、挂图等传统的教学手段，学生只能看到它们的平面图或结构简图，缺乏立体和动态的感性认识，很难与实际设备联系起来。现代化多媒体和网络技术(比如3D Max 和虚拟仿真VR)不仅可以将设备的结构和操作原理，以三维立体图形、动画和“沉浸式游戏”的形式生动、直观、形象地展示出来，并且能活跃课堂的学习气氛，增强学生的感性认识。比如在讲解精馏塔的结构和工作原理时，使用动画和视频素材，逼真地呈现了精馏塔的各部分结构和安装过程，液流和气流在塔内的流向，易挥发组分和难容组分在不同塔板处浓度的变化，以及液泛、漏液和雾沫夹带等不正常操作现象。在演示的过程中，教师“画龙点睛”地补充一些解释，学生就能很快地理解和掌握相关知识，达到事倍功半的教学效果。近两年受新冠疫情的影响，本课程建设了完整的线上课程资源(微课、慕课、作业、习题库等)，供学生通过网络学习，用于巩固和复习课堂知识，打破了“老师讲，学生听”的传统上课模式，促进老师与学生间的互动，提升了课堂参与度。需要指出的是，尽管多媒体和网络教学越来越普遍，但在实际教学过程中，不能一味追求现代教学手段而不考虑课程自身的特点。笔者认为，对于方法原理、重要公式的推导等内容，传统的PPT课件与黑板板书结合更容易帮学生建立更完善的知识体系和激发学生的学习兴趣。

2.3 系统引用生活实例，增强学生学习的自主性

化工基础是一门实践性强、与日常生活密切相关的工程技术课程。笔者结合近年来的教学经验发现，生活联想教学法可以很大程度上弥补工程实践的不足。在教学中联想生活常识，巧妙地将复杂的问题简单化，拉近了课本知识与实践的距离，让学生真正认识到知识的重要性。该教学法注重学生学习的过程和方法，强调让学生自主地参与获得化工基础知识和技能的过程[13]。在讲解某部分知识点之前，教师先提出若干与此相关的生活常识问题或现象，让学生带着问题去学习相关知识；随后，通过提问的方式让学生运用所学的理论知识回答此前提出的问题或解释生活现象。比如在讲解流体的连续性方程时，可以引导学生运用所学知识解释为什么河道狭窄处的流速更大；在介绍离心泵的工作原理和安装时，请学生思考为什么农用泵(离心泵) 在启动之前需要先灌泵(气缚现象) 和农用泵的安装高度不能太高(汽蚀现象)；类似地，在热量传递章节，冬天坐在铁凳子上比木板凳更冷(导热系数)；保暖衣需要穿在身体最里层(傅里叶定律和牛顿冷却定律)；在相同的室外温度条件下，有风比无风时感到更冷些(对流传热)；在质量传递部分，夏天雨后感觉空气清新且凉爽(吸收)；打开碳酸饮料瓶盖会冒泡(解吸)；白酒生产和牛奶提浓(蒸馏)等。通过生活联想教学法，不仅加深学生对化工原理知识点的理解和掌握，而且能有效激发学生的学习兴趣，提高教学过程的趣味性，同时也增强了学生的自主学习能力[14]。

2.4 科研反哺教学，激发学生探索学科前沿的兴趣

在教学活动中结合科研成果，以科研成果支撑教学改革，教学与科研有机结合、互相促进，是激发学生探索学科前沿兴趣、提高教学质量的重要举措[10]。在教学过程中除了将化工学科发展前沿的新理论、新成果和新方法及发展动态向学生进行介绍，还可以将相关的科研项目、科研成果等与具体的教学内容相结合。笔者主要从事体外仿生胃肠道消化系统的构建和应用研究，从化工过程工程角度看，人体胃肠道本质上也是一种复杂的生化反应器，如图1 所示，比如胃可看作一种特殊的搅拌槽式反应器，小肠类似于管式反应器，大肠则是发酵罐[15-16]。摄入的食物类似化学反应器中的物料，消化酶可看成催化剂，食物在消化酶的作用下分解成小分子营养物质的过程也是反应器中的物料在催化剂作用下的化学反应过程。另外，营养物质在小肠内的跨膜吸收过程也可以看成一种化工单元操作(膜吸收)。在讲授基本化学反应器时，注重引导学生思考人体胃肠道的结构和生理功能与传统的化学反应器有何异同，这不仅有助于提升学生对反应器的理解程度，而且培养了学生的创新思维，为他们将来从事相关科学研究工作奠定基础。除了将科研融入教学，鼓励和支持学生参加教师承担的研究课题，以及大学生创新科研项目、化工设计和实验竞赛等，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的实践能力[17]。

图1 基于化工过程工程思维的食物在胃肠道内的加工(消化与吸收)过程

2.5 建立多元化成绩评定机制，强调过程化考核

课程考核作为重要的教学环节之一，是检验教学效果的重要途径。课程考核方式显著影响学生学习积极性和重视程度，也是教学改革的重要一环。目前大多数院校化工基础课程均采用“总成绩 = 平时成绩 + 期末考试成绩”的传统考核方式，其中平时成绩主要由考勤和平时作业组成。教师经常会批阅到雷同的平时作业，难以判断是否由学生独立完成。期末考试一般采用闭卷考试，侧重于化工“三传一反”基本概念、原理和公式的考查。这导致有些学生平时对课程过程学习不重视，只在考前突击背诵和复习相关知识点，最后也能得到不错的成绩，但实际上他们对课程内容的理解和掌握程度远远不够。总之，传统的课程考核方式较为单一，不能反映学生对知识掌握的实际程度，也忽视了学生的主观能动性和探索性学习的意识[10,12]。因此，改变传统的考核方式，探索建立科学、灵活、多元的考核方式已经势在必行。

笔者构建了多元化、过程化考核机制，如图2 所示。课程成绩由四部分组成，包括平时成绩、期中考试、期末考试和产品设计项目，分别占比20%、20%、35%和25%，降低期末考试成绩的比例，强调过程化考核。平时成绩由出勤情况(反映学生学习态度)、平时作业(考查对知识的记忆、理解等)、课堂讨论或分组作业等(考查学生搜集资料的能力、自我学习能力)构成。平时作业以开放性思考题为主，鼓励学生利用所学理论知识和网络资源自主寻找答案，提出解决问题的措施，并分组讨论和归纳总结，以培养学生的良好学习习惯和提高自主学习能力；试卷内容主要由开放式主观问答题和计算分析题组成，侧重考查学生对知识的记忆、理解、总结归纳、应用等综合能力；在产品设计项目成绩评定上，采用教师评价和生生互评的方式从项目的科学性、可行性和趣味性以及PPT 陈述方面多角度评价，最后汇总得到综合成绩。改革后的课程考核方式，不仅有利于全方面、多角度地考查学生的知识水平和掌握程度，而且激发了学生的学习兴趣与积极性，提高了学生对学习过程的重视程度与参与度。

图2 基于多元化和过程化考核机制的 化工基础课程成绩评定方式

3 结语

兴趣是求知的起点和源泉。激发学生的学习兴趣，提高主动学习的积极性，是提升化工基础课程教学质量和学习效果的关键。为此必须把握课程的特点，研究教学的科学性和艺术性，从教学内容、教学手段、教学方法、考核和评价机制方式等多方面进行改革探索和实践，以增加课堂教学的趣味性，充分调动学生的课堂参与度，提高解决复杂工程问题的能力，为培养兼具理论知识和工程思维的创新型、复合型人才奠定基础。