以精馏为例的化工原理实验课程教学设计

2022-11-09李朝艳

广州化工 2022年19期

李朝艳，曹原

(南阳理工学院生物与化学工程学院，河南南阳 473004)

化工原理实验的主要内容是单元操作的设备原理和设备操作，是为了学生能够处理工程问题而开设的一门实践性课程。通过化工原理实验，可以培养学生的设计能力、动手实践能力以及发散思维的创新能力, 并且能够提高学生解决实际问题的能力，让学生学会用基本的理论知识去分析和解决化工生产过程中的工程问题。因此，化工原理实验课与理论课具有同等重要的教学地位。

自2007年翻转课堂这种教学模式兴起后，国内和国外的教育工作者都对此产生了巨大的兴趣。“翻转课堂”又被称为“反向教学”“颠倒课堂”，是一种通过对知识传授和知识内化的颠倒安排，改变传统教学中的师生角色并对课堂时间进行重新规划的新型教学模式。[1]翻转课堂的教学模式，将传统的“上课听讲-课后复习”转变为“课前自习-课堂集中，教师点评-课后完善”的教学策略。根据不同的教学内容，“翻转课堂”教学模式的实施有所区别，但基本都可参照图1所示的模式进行。

图1 翻转课堂教学模式的实施方法Fig.1 Implementation Plan of reverse teaching

本校大纲规定化工原理实验教学有16个课时，要求所选的实验项目涵盖大纲要求的重要知识点。因此，实验项目的选择至关重要。本校化工原理实验室可开设的实验包括10个实验项目，列于表1中。

表1 化工原理实验教学项目Table 1 Experimental project in chemical engineering principle

表1中每一个实验项目相对独立，各实验均有其考查点，符合人才培养目标的要求，又涵盖了大纲要求的知识点，设置合理。实验项目的设置循序渐进，形成了连贯的教学过程。实验设备主要是比较经典的天津大学的化工原理设备，能圆满的完成培养学生动手能力，工程实践能力的要求。

基于课时的限制以及实验的难易程度，表1实验项目中带“*”的为选做的演示实验，而另外一些作为必做项目。演示实验为难度较小、涉及基本知识点的实验项目，因此，这些实验项目都由学生自主学习和操作，教师负责答疑，对实验结果进行评价，并给出指导性建议。对于难度较大的实验项目，实验教师应多给予课前指导，加强实验方案及操作步骤的审查，并可通过设置课前讨论环节，掌握学生对每个步骤的理解。在实验过程中，也应加强监管，对取得的数据进行及时的分析以尽快取得新的实验方案。课后要及时对实验过程中出现的问题进行解答和讨论。即“实验难度决定翻转程度”。

1 “精馏实验”教学方案设计

1.1 教学内容分析

精馏实验是基于《化工原理》中“精馏”和“气液传质设备”这两章开设的一个实验项目。精馏实验的教学内容包括：精馏的设备、原理、操作流程、数据处理方法。精馏所用的设备即精馏塔，是工厂中用于分离液体混合物的一种塔设备。关于塔设备，因为有前面“冷膜塔演示实验”作为基础，已经学习了塔设备内各部分组件的形式以及作用，不同类型塔板、板面设置、降液管等的选择、气液不同接触状态等相关内容，所以，本次实验内容的重点在于精馏分离的原理和操作流程，以及数据处理方法。

1.2 教学目标分析

精馏是工业生产中非常常用的一种均相混合物的分离方法。大纲要求的精馏实验的教学目标为：了解精馏装置的基本流程及筛板精馏塔的结构；熟悉精馏操作方法，学会正确处理各种异常情况；用作图法确定精馏塔全回流与部分回流时理论板数，并计算出全塔效率(或单板效率)[3]。这三个教学目标涉及到了基本的教学内容要求，比如设备的结构、流程、操作方法、数据处理方法。还涉及了高级的要求，即正确处理异常情况，这就要求学生能具备过程调节能力。即对于精馏实验来讲，我们的基本教学目标是：通过本次实验，让学生结合理论知识掌握基本的实验操作技能，还应该在此基础上具有过程调节和设计实验的能力。

实际上，我们的实验设备就是工厂实际设备的缩小版。通过实验，不仅可以达到掌握基本教学内容的要求，更重要的是能增加学生的感性认识，非常有助于学生扩展自己的思维，引发学生对知识的渴求以及探索的欲望。因此，我们的教学目标不能仅仅局限于基本的教学要求，要引导学生发散思维，去思考更深远的问题。比如更进一步的达到过程设计开发和设备的设计改造的能力。

1.3 学情分析

“以学习者发展为中心”的教育理念是国家教育改革规划的要求，也是工程教育专业认证的核心理念[4]。因此教师在进行教学设计时，必须首先要熟悉学习者的情况。只有熟悉了学习者的情况，才能够有的放矢的真正做到因材施教，更容易达到我们的教学目的。2018春季的化工原理实验课程开设班级为2015级化学工程、应用化学、生物工程和食品工程的学生，均为大三学生。因此学生具有如下特点。

(1)知识基础

在本门课程之前，学生已经学习了《高等数学》、《大学物理》、《物理化学》这三门基础课，具备了学习本门课程的基础。而且，在开设实验课程这一个学年，学生已经学习了《化工原理》理论课程，并且，正在开展《化工仿真实训》。因此，在此时开设化工原理实验，可以加强学生对理论知识的理解和认识，并能将理论和实践相结合，强化工程实践能力。

(2)学生学习层次分析

从前期的知识基础可以看出学习对学习本门实验课程的知识储备。下一步，需要对学生对课程的掌握情况进行分析，以便进一步了解学生和下一步的分组实验。

以15级应化合作班为例，全班共20名学生，在上册的《化工原理》理论课考试中，进行成绩分析如表2所示。

表2 15应化合作班成绩分析Table 2 Performance analysis of 2015 cooperative class

在实验分组时，就需要考虑理论课的成绩，每组都要保证既有成绩好一些的同学也有差一些的同学。这样在前期实验准备到后期成绩考查及讨论中将每一位同学分配不同的任务，担任不同的角色，才能做到优势互补，并能培养同学的团队合作精神。精馏实验中，我们将20人分为4个小组，分组情况如表3所示。

表3 实验分组Table 3 Experimental group

这种分组，是在实验初期根据理论课的成绩分析进行的，有其局限性。因此在实验过程中，实验老师会根据实际表现情况，进行组别调整，以达到最佳学习效果。

(3)学习风格分析

应化合作班人数较少，但是班级气氛非常活跃。针对这样的情况，采用翻转课堂的教学策略，可以有效的调动学生的积极性，让学生自己动手，既可以满足他们的动手积极性，又可以让他们及时认识到自身存在的不足。教师在此过程中，要及时监控，以便学生能及时发现问题。

1.4 课前准备

翻转课堂的教学模式，要求学生在课前要做好自习，这就要求教师要精心选择有效资源提供给学生，以便于学生做好自习。精馏实验的动画演示可以通过网络平台，比如微信群、QQ群发给学生，并配套相关的装置操作的书面版本。另外，相关实验目的及原理和数据处理提供书面版本给学生[2]。

图2 精馏动画演示Fig.2 Distillation animation demo

在课前准备阶段，教师在准备实验前给出预习目的、相关问题设置，并提供视频等资源，学生预习。精馏实验的预习任务和问题设置列在图4中，实验任务分为3各方面，问题设置分为四个层次。从第一个层次的基本知识设置，层层递进，到难度逐渐增大的综合知识和设计性问题设置，最后是设备的改造设计。在预习过程中，学生遇到的问题可向老师反馈，教师给出解答。实验前三天，可组织学生进行关于实验原理、操作等的问题大讨论，并进行总结。实验前一天，对照实验前的教师给出的问题检查实验预习效果。具体实施方法如图3所示。

图3 课前准备流程Fig.3 Prepare steps before class

图4 精馏实验任务及问题设置Fig.4 Task and problem setting of distillation experiment

实验前一天的问题反馈至关重要，是影响第二天实验好坏的关键，因此教师应进入每个小组，对每一位同学的讨论发言做出反应，并且针对既定的评价标准对小组成员的课前活动进行评价。

表4 课前预习情况评价体系Table 4 Evaluation system of pre-class preview

1.5 教学过程

“翻转课堂”教学模式的实施是采用了“课前自学+课堂交流内化”的教学形式，即“先学后教”。学生自学的过程有助于发现问题，教师对课前活动监管及时，能解决一部分疑难问题。课堂上从接触实验设备那一刻开始，学生开始将自己前期的自学知识用于实验操作，这个衔接必须做好，才能将自学知识用于实践，达到知识的内在转化。在这个过程中，教师要及时引导，随时答疑，安全监管并提供技术指导，最后，要对学生的实验结果进行预估。另外，对于问题设置中综合问题和设计性问题做了深入思考的同学，应鼓励尝试，鼓励学生参加化工原理实验大赛和化工设计大赛等对知识好能力要求较高的学科竞赛。具体实施方案如表5所示。

表5 课堂教学实施方案Table 5 Implementation plan of classroom teaching

图5 实验设备认识及故障设置Fig.5 Understanding and fault setting of experimental equipment

表6 课堂实验表现评价体系Table 6 Evaluation system of classroom experiment performance

实验过程中，教师主要起到引导和监管的作用，并需要及时为学生答疑，参与到学生讨论中。在课堂上的每一个环节中，都要做到及时交流，以保证实验顺利进行、理论知识和实践的贯通。对于课堂上学生的表现情况，也要做好记录，及时进行评价。

1.6 课后巩固

课堂实验过程结束后，学生需要对实验数据进行整理和计算，写出实验报告。对于实验过程有问题遗留的同学，师生在网络平台上应继续交流讨论，及时答疑。对于实验过程中出现问题比较多的地方也应集中辅导解惑。最终的课后巩固情况的成绩评价由表7所示部分构成。

表7 课后巩固情况评价体系Table 7 Consolidate the evaluation system after class

对于实验参与积极性高，实验整体完成程度好的同学，可给出额外加分。以鼓励学生学习的积极性。

2 “翻转课堂”的教学效果

将“翻转课堂”用于化工原理实验教学，取得了一定的教学效果。

(1)化工原理实验设备得到了有效的利用。以前的化工原理实验时间是由老师定好的时间，采用“翻转课堂”的教学模式后，哪一组学生预习功课做好了就可以申请进入实验室，因此实验时间比较灵活，只要教师和学生时间能够吻合上就可以进行实验，不必非得把实验排在某一天。这样，学生的实验环境比较宽松，老师也会更集中精力进行指导，师生交流起来更加轻松，效果自然会更好。

(2)可以培养学生的团队精神，激发学生的创造性。每一个化工原理实验都是由5～8人一个小组进行的，每一组的人员在分组之前都是由教师经过成绩分析等综合因素决定的，所以，知识储备有差异，性格上也存在差异。一些基础知识掌握的比较牢固的同学就更适合做一些创造性的工作，而一些同学适合做一些增强认知性的工作。在平时的提问及答疑阶段，教师也兼顾了不同学生的知识掌握情况，对学生多多进行鼓励，增强学生信心，激发学习热情。学生认识到自身的优势，才能愿意学习他人的优点，积极投入到小组实验活动中。

(3)避免了实验报告“千人一面”的情况。以往的实验教学过程是老师讲，学生听，老师讲原理、讲操作、讲注意事项、讲数据处理，最终还要进行示范实验。学生听完没有任何思考，直接跟着老师的步骤做，做完实验也不知道做的是什么。实验报告也是一个班一组数据，处理结果也完全一样。“翻转课堂”的引入，让学生充分自学，投入了大量的精力，自然在实验结束后对自己亲自取得的实验成果充满了骄傲，也就愿意花精力去进行数据的整理和处理。

(4)考核方式更合理。教师在实验前、实验中和实验后都制定了严格的实验考核标准，为了对照考核标准给出实验成绩，教师会跟学生做更多的交流，以便及时掌握学生情况，给出合理的成绩。因为各个环节的成绩很透明，也使得学生在整个过程中懒散的情况变少了，参与程度很高，能严肃地对待每一个环节的成绩。

3 教学反思

一次实验教学的任务完成并不是学习任务的结束，课后我们也进行了积极的反思，对这种教学方式中存在的问题进行了总结。首先，“翻转课堂”要求有大量的学生自学内容，这部分内容名义上是学生自学，实际上教师的参与程度也是非常高的。教师要给大家准备充分的学习资料，测试资料，列出明确而细致的学习任务，并要及时答疑和参与讨论，这些事情繁杂琐碎而且工作量巨大,但是可致进一步提高教师教学能力和效率，这已经成为教育工作者必须要面对的现实问题[5]。其次，学生自学需要条件，比如电脑和网络资源。这些外在条件使得有些同学更容易方便的提出自己的问题，得到解答，而另一些同学因为条件的限制不太方便随时提问得到自己想要的答案。此外，学生预习情况直接决定了实验过程进行的好坏。由于预习条件等导致的积极性不高很容易使课堂不能顺利进行。从而使得预习情况和课堂教学的衔接问题变得异常重要。