膜分离特色化工实验项目和教学资源的建设及应用

高明丽，王钰煕，魏伟，吴亮，汪耀明，冯红艳,＊

1化学国家级实验教学示范中心(中国科学技术大学)，合肥 230026

2中国科学技术大学化学与材料科学学院应用化学系，合肥 230026

化学工程实验是中国科学技术大学化学学科唯一的一门工科类基础实验课，是理科化学和应用化学专业的工程技术教育中一个重要的实践性教学环节。理科化学工程基础实验课程的教学目标是：(1) 培养学生的工程意识、创新意识和技术经济观点；(2) 初步掌握一些有关化学工程学的实验研究方法和实验技术；(3) 培养学生运用所学理论分析问题和解决问题的能力。近年来，紧紧围绕课程教学目标，我校化工实验教学团队在课程内容建设、教学资源建设、教学模式创新等方面做了一些特色化工作，对提升化工实验教学质量起到了一定的积极作用。以下将展开介绍。

1 课程内容的特色化建设

为培养学生的创新意识，加强对学科前沿的了解，学生除了掌握如吸收、精馏等一些常规的分离技术外，还必须掌握一些新型的分离技术。膜分离技术具有高效、节能、分离过程简单等特性，目前已经广泛应用于各个领域，已成为当今分离科学中重要的手段之一[1,2]。近年来，结合中国科学技术大学功能膜研究室的科研实力，课程组开设了很多紧跟学科前沿并具有特色的新型膜分离实验[3-8]，与传统实验内容形成互补。

1.1 开设紧跟学科前沿的膜分离实验项目

“卷式扩散渗析分离酸盐实验”是一个将科研项目转化为实验教学项目的新型实验[4,9]，它来源于课程组教师的国家面上基金项目“卷式扩散渗析膜组件的优化设计和应用基础研究”(2012)科研课题。课程组教师对科研仪器进行改造设计，其中核心元件卷式扩散膜组件，已获得国家专利(201010144042.4)，是我校首套带有“USTC”字样的化工教学仪器。实验设备由合肥科佳中心生产，目前已在安徽大学等高校推广。该实验自2015年春季用于本科教学。

“膜蒸馏海水淡化实验”是一个将浸没式膜蒸馏工业用设备引入实验教学的实验项目[5]。为符合本科生实验教学要求，我们对引入设备进行管路改造，从2017年春季学期开始，它作为一个原创性的实验项目应用于本科生的化工基础实验教学。通过该实验使学生了解膜蒸馏相关的前沿知识，增强将科技成果转化为生产力的应用意识。

此外，还开设了“纳滤法分离糖和盐的水溶液实验”“超滤法分离明胶蛋白水溶液实验”等膜分离前沿实验。

1.2 开发综合设计性实验[3,6,7]

以引导学生自主思考、调动学生学习主动性、激发学生研究兴趣为目标，近年来，课程组开发了一些与膜前沿技术相关的综合设计性实验。如“超滤膜组件的组装及茶叶中茶多酚的分离实验”“超滤法分离明胶蛋白水溶液综合实验”等，在超滤综合实验中大小型设备并用，让学生根据实验方案进行膜堆组装，在组装组件的过程中，了解板框组件的内部结构和原理，解开膜分离设备原理的“黑匣子”。这类实验有的用于本科生基础化工实验教学，有的曾用于夏季学期的“化学科研基础训练”课程，收到了学生较好的反馈。

1.3 形成多层次课程体系

经过多年的建设积累，形成了更适合理科院校开设的实验内容，构建了多层次教学体系，分为“传统化工实验”“膜分离单元操作实验”和“膜分离综合实验”(表1)。在保留经典的三传一反实验的基础上，增加了适合理科专业又具有特色的膜分离实验，提高学习的挑战度。每学期从传统化工实验和新型膜分离实验中选取6-8个实验项目作为开课内容，使实验内容既有基础性实验，又有综合性实验；既有传统性实验，又有能反映学科发展方向的新实验。

表1 化工实验内容与类型

2 教学资源建设

结合化工实验课程的特点，运用现代化信息技术，我们建设了多层次的信息化教学资源。利用信息化教学资源，不仅较大程度地提高了教学效果，也增加了学生学习的主动性。

2.1 建设实验操作视频库

教学中发现，传统的实验课实施过程中存在着一些问题，如：化工设备比较复杂，有的还比较庞大，学生仅按教材预习实验，待课上做实验时仍然不明确该如何操作仪器设备。另外，学生课后撰写实验报告进行实验总结时，仅凭回忆实验过程，难以实现实验过程完整准确地再现。针对这些问题，我们借助电子信息技术，将化工实验操作拍摄成教学视频(图1)，为学生自主学习、辅助教师教学服务。目前，已完成常用于教学的8个实验项目的教学视频录制。实验教学视频具有实时播放和点播功能，具有较强的可视性和可模仿性，可以应用在课前预习、课堂、课后复习等整个教学活动过程之中。

图1 部分实验操作视频截屏

2.2 开发实验原理动画

为了帮助学生加深对实验原理的理解和掌握，解决因为管路封闭无法看到仪器内部结构或实验流程的问题，我们制作了一系列有关实验原理和仪器结构的小动画，如膜蒸馏海水淡化实验的原理及流程动画、卷式扩散渗析实验原理动画、离心泵原理动画、填料塔结构动画等。图2为部分动画截屏。

图2 动画截屏

2.3 开发虚拟仿真实验和运用优质共享资源

借助现代信息技术，结合课程的实际情况，我们开发了具有自身特色的虚拟仿真实验，包括膜蒸馏海水淡化虚拟仿真实验和卷式扩散渗析综合实验虚拟仿真实验(图3)，前者已经运用在本科生的实验教学中，学生反映虚拟实验的体验性、交互性较好；后者已经完成制作，也即将运用于教学。

图3 虚拟仿真实验截屏

对于传统化工实验内容，设备统一采购于“天津大学”开发的成型教学设备，我们将与之契合度最佳的天津大学开发的4个虚拟仿真实验引入教学，包括精馏、吸收、传热和离心泵虚拟实验项目(图4)，其中精馏实验为国家级虚拟仿真实验内容。

图4 引入的虚拟仿真实验截屏

线上虚拟仿真实验使学生的实验时间和地点不受传统课堂限制，同时其也是线下实验内容的延伸与拓展。依托虚拟仿真实验，可以开展翻转课堂，将线上虚拟实验和线下实验项目有机结合，促进实验项目更加灵活和丰富，虚拟实验也使2020年新冠疫情期间线上化工实验授课得以实现[10]。

2.4 建设课程网站

课程组制作了专门的化学工程实验网站(网址：http://chemenglab.ustc.edu.cn/，或扫二维码登录，图5)，网站全面介绍化工实验课程、教学课件、教学视频、教学成果、特色教学等。这些资料有助于学生了解本课程的设置和教学概况，给学生预习和复习实验内容提供了一种渠道。

图5 化学工程实验网站

3 教学模式的改革与实践

教学模式的创新改革是教学质量提升的助推剂。目前，课程组开发了丰富的与课程配套的教学资源，包括化工原理动画、虚拟仿真实验、实验操作视频等。除了在课程网站上发布教学资源，我们还使用“教学立方”智能教学模式，将教学资源灵活应用在实验教学之中。

“教学立方”是一种智能的课堂辅助教学平台，它是智能化、综合性的教学互动和管理系统，具有功能强大、操作方便的特点[11]。它可由网页端(网址：https://teaching.applysquare.com/Home/User/login)和微信公众号两种渠道登陆。“教学立方”教学模式可以贯穿于课前、课中、课后整个教学环节，包括线上教学资源的推送、实验预习、课程签到、课堂测试、问题讨论及进行问卷调查(图6，图7)。

图6 “教学立方”资料推送

图7 “教学立方”微信公众号

在学期结束时，通过“教学立方”给学生做的调查问卷显示，同学们普遍反应该教学模式对他们的化工实验学习很有帮助，可以很方便观看实验课件和操作视频，有利于实验预习和总结。

4 结语

历经多年的建设和实践，我校化工实验课程形成了将传统实验和膜分离实验相结合的多层次课程体系，构建包括动画、虚拟仿真实验、实验操作视频和PPT课件在内的丰富的、与课程配套的教学资源，改革教学模式，将“教学立方”智能教学辅助平台应用到实验教学的各个环节，推进教学资源的有效运用，做了一些具有自身特色的化工实验教学工作。之后，我们将在现有基础上，持续改进和更新实验内容，做好虚拟仿真实验的应用和再建设，推进新形态教材的编订工作，争取将化工实验课程再推上一个台阶。