化工原理实验教学模式创新探索

2023-05-29钟建军喻冬秀电子科技大学中山学院材料与食品学院广东中山528402

化工管理 2023年15期

钟建军，喻冬秀(电子科技大学中山学院材料与食品学院，广东中山 528402)

0 引言

化工原理是一门综合运用所学数学、物理、化学、物理化学、计算机基础等知识，分析和解决化工生产中各种物理过程问题的工程性基础学科课程，是高校化工、制药、生物、环境、轻化等工科专业必修的一门专业基础课程[1-3]，涉及到化工过程中常见单元操作的基本理论、设备结构、工程应用，导致课程学习中涉及的计算繁琐、设备结构复杂、工程应用灵活多现。为更好地认知、理解和掌握相关内容的学习，常会在化工原理课程教学中匹配有相关单元操作的实验实践内容，以期通过实物认知和实际操作来强化对理论部分的学习效果。化工原理实验是以单元操作设备为载体，通过对单元操作的设备原理、设备操作和实验数据处理等内容的学习来培养学生的工程观点，强化工程动手能力，让学生学会用基本理论知识去分析和解决单元操作的工程问题，提高学生的工程素养、动手实践能力、设计创新能力及处理复杂工程问题的能力[4]。化工原理实验作为从基础化学实验教学向化工专业实验教学过渡的桥梁，旨在帮助学生实现从化学学习向工程实践的转变[5]，可见化工原理实验在相关工科专业实验实践学习中有着举足轻重的作用。

1 化工原理实验教学现状和问题

1.1 教学资源有限，传统教学方式受挑战

不同于基础实验中以小型玻璃仪器为主，可以做到学生人手拥有独立的操作平台和实验设备，化工原理实验是以单元操作设备为载体的，基本上是化工生产过程中的实际设备或者接近于实际设备，具有单台设备费用高、投资大、维修复杂、占地面积大等特点，导致单个化工原理实验项目能使用的设备数量非常少，且设备更新换代慢。以我校化工原理实验室为例，现有雷诺实验、能量转化实验、离心泵、传热、过滤、精馏、吸收、萃取、干燥(普通干燥、喷雾干燥)等单元操作各一套，于2021 年换新，前一套设备使用了14 年，在相当长的一段时间内，设备陈旧，无法与现代化生产实践相接轨。这给教学带来极大的挑战：若是按照传统教学模式，一个标准班(大约为30 人)同时来开展一个实验项目，势必会导致“僧多粥少”，真正可以动手操作学习的非常有限，影响教学效果。

1.2 僵化的教和学，能动性调动受限

教师的“教”常常是以该实验要完成的目标、要求、实验原理、设备原理及操作流程等方式来完成。学生的“学”则分为课前预习、课中操作、课后数据处理三部分。课前预习依靠课程提供的有着清晰实验目的、实验要求、实验原理、操作步骤、实验注意事项和实验结果分析示例的实验教材，进行预习，并准备包括实验目的、实验要求、实验原理、操作步骤、实验注意事项等内容的预习报告。整个预习过程形同于“搬运工”：把教材的内容完整地誊写到预习报告上，严重影响学生的学习主动性和个性化学习，预习效果较差。课中操作则有依赖教师的手把手“教”。课后数据处理则由于有实验结果分析示例，学生对实验结果的处理也就照样完成，不思考数据处理的方法和数据涵义，更不懂整个实验操作和结果涵盖的学习内容，无法把握整个实验的目的，学生无法理解相应的知识，更不能培养其能力和素养。

1.3 单一的考核机制，自驱学习力下降

学生的成绩由平时成绩和实验报告成绩两部分构成，学生的平时成绩主要是通过考勤、预习报告的完成情况、课堂上的操作表现来衡量，考核点较为粗放。预习报告和实验结果机械抄写、套用现象是非常常见的，学生缺乏独立思考。而课堂上的操作表现局限于设备、实验时间有限，加之实验人数又多的情况下，难以考核到每一个学生在实验整个操作过程中的表现，更不用说来考核实验目标是否在每一个学生学习过程中的达成度。多数情况下，只能以大组的形式，以集体评估方式来完成，势必会有实验操作“划水”而机械抄写的学生获得了较优的成绩，出现考核成绩未客观评价到学生的真实学习状态，进而影响“学”的主动性、滋生了“学”的惰性，不利于整个课程目标的达成。

2 化工原理实验教学创新措施和实施

2.1 运用多维手段，丰富教学资源的形式

受限于实验建设经费和实验室固有面积，固定资产在短时间内难以充盈。一方面，把换下的旧设备留下，请专业人士拆开的同时，录制相关拆开视频，使学生预习时更好地了解设备结构，理解实验原理，同时拆开部件留放于实验室专有位置，进入实验室后，学生可再次真实的感受和认识设备。另一方面，引入虚拟仿真软件，它不仅把实验操作仿真，而且把实训、生产实习、半实物仿真工厂也引入了仿真系统，实现了从单一单元操作到流程化操作的整个过程，使单元操作的实验学习由单个设备操作过渡到整个工厂的实际流程，让学生由局部认知，拓展到整体认知，在增强学生对单元操作认知深度、提高实验操作能力的同时，加深了对整个生产流程的认知，培养了学生对现代工业产品生产流程的构思、设计、实施、运行等工程能力和工程素养[6]。疫情期间，北京欧倍尔软件技术开发有限公司将其化工原理相关的仿真实验部分供我校试用于线上教学，操作界面逼真，操作形式设置非常人性化，设置任务闯关，即时的反馈模式，极大吸引了学生的学习兴趣。辅以虚拟仿真软件内容，在学生预习阶段布置任务要求，进行仿真学习，深入了解实验操作和实验结果的正确性。最后，实验操作时采用小组制，分组轮换式来完成实践，有效解决实际操作时实验设备少的困境。例如离心泵实验，学生在上这门课前没有见到更别说是使用过离心泵，受限于教学资源，原来的教学模式只能依赖于教材，学生只能通过理论课授课内容、实验教案预习到实验原理及实验操作，在预习阶段依然处于抽象状态，若是有真实设备的拆开视频并提前进入实验室认知实验设备结构，必然是原本的抽象学习具体化。结合虚拟仿真操作，再对整个设备进行仿真操作，学生通过多次的反复仿真，优化实验数据，达到对实验重点和难点认知和理解的突破。最后，进入实验室来实地操作，验证自己在前期预习中的设计方案，并进行数据的合理处理和分析，提高了学生的设计、构思、实际操作能力和解决问题能力，夯实了学生整体的学习效果。因学生的仿真操作情况都直观地记录在系统，结合预习报告为实验预习的一部分，而在实验操作过程也进行了多维考核设计，即学生在整个实验开展过程的每一步都进行了考核记录，可有效督促学生独立学习实验内容，提高了学生的参与度。

2.2 启发式教学方式设计，活化“教”和“学”

化工原理实验教学不应定位于训练学生的操作技能和数据处理能力上，而应从培养学生工程观念和提升学生理论联系实际和解决复杂工程问题能力的角度考虑。除了丰富教学资源和改进课程内容设计之外，教学理念转变和教学方式改进是非常必要的。如何引导学生在实验过程中既主动参与实际操作，又摒弃惰性，主动学习是化工原理实验教学改革的核心。课程组实施了基于EIP 理念的“查、阅、思、写、讲、践、析、享”启发式教学方式设计，“教”发生变化：首先是改变了教学资源的提供，由传统的实验教材改为实验设备资料学习，然后课程组对预习报告进行了启发式设计：实验任务是什么？完成此任务需要哪些单元操作，对应于哪些设备？设备如何选型？设备该如何连接？实验流程该如何设计？参数该如何设置？如何正确操作？实验结果是否合理？如何由实验结果来判断实验任务的完成度？整个过程设计依据的原理是什么？该单元操作可应用于哪些生产流程？在具体应用中，可能会产生问题，该如何解决？引导学生主动思考、积极探寻，达成实验目的。分化实验任务单，采用学生“小老师”破解任务单形式来进行课间讲解，老师点评和解惑重难点。根据学生的预习情况初步掌握其理解程度，在课间操作过程中进行有针对性的指导，实验共性问题组内即时解答，个性问题则单独指导，做到共同成长中差异化教学，同时引导学生形成同伴学习氛围，增加团队意识。“学”发生变化：学生仅依靠教师提供的教学资源无法破解任务单，需要查相关资料、进行精细阅读、分析、思考，并总结形成预习报告文字，以小老师的身份来分享，通过实验操作来实践，要对实验结果进行组内预分析，组间分享，实验任务达成后才可离场。

2.3 增加设计性内容，拓展实验的广度和深度

根据现有的实验设备，课程组进行教学设计，在保留原有演示性实验、验证性实验和综合性实验类型的基础上，新增设计性实验，拓展实验内容的广度和深度，提高学生解决复杂问题的能力。例如离心泵实验，该实验的原教学目标主要是进行泵性能参数的测定，应用性不强。由于新设备是由2 台泵组成的流体输送系统，课程组结合此次情况给出不同的任务单：(1)现有2 台相同的泵，应串联还是并联操作来获得最大扬程？(2)现有2 台相同的泵，应串联还是并联操作来获得最大流量？采用每组现场随机获取任务单的形式，来设计完成，允许学生试错，但需准备分析正确与否的原因。通过设计性实验的引入，增加了课程的高阶内容，一方面增强学生团队合作能力，另一方面加深了学生对理论知识的理解深度，培养了学生实践操作能力、分析问题和解决问题的能力。

2.4 强化数据处理能力，增强学生工程能力

数据处理能力是工科学生工程素养很重要的环节[7]，直接影响实验结果表达正确与否。在化工原理实验过程中，有大量的数据需要处理，要求学生使用excel 软件[7]、origin 软件[8]对数据进行拟合、数值计算及图形绘制，有目地性地驱动学生用好已会的软件，甚至去掌握新的软件，增强学生的工程能力。

2.5 “全过程、即时性、多元化”的多维考核模式，驱动自主学习

为鼓励参与学习、考核成绩尽可能客观评价到学生的真实学习状态，课程组探讨并实施了“全过程、即时性、多元化”的多维度考核模式，具体考核指标如表1所示。该考核模式细化了考核点，覆盖到预习、操作和任务达成的整个学习过程，结合现代化手段，采用线上线下评价相结合的方式来完成，摈弃考评单一滋生的无法给学生准确评价和成绩的弊端，更好地激发学生学习参与度和积极性。每一项都清晰给分，即时反馈的方式让学生在学习中获肯定的同时也即时纠偏，尤其是在实验操作过程中，对不爱动手操作的学生多鼓励，对动手能力差的学生进行个性化指导，及时肯定其付出。

表1 多维度考核指标

3 化工原理实验教学成效

衡量教学改革效果的一个重要指标就是学生的学习效果和教学目标的达成度。化工原理实验教学改革是2021 开始执行，发现丰富教学资源后，启发式教学方式的实施使学生的学习态度发生了根本性转变，由机械式预习变为主动式预习，沉闷的课堂变得活跃，学生有更多问题需要解答，团队之间的合作度提升，总评成绩对每一个学生在课程学习中的每一个环节都有了积极的回应。从图1 中2021、2022 学年教学改革班成绩可以看出，学生的成绩出现了显著的差异度，鼓励了认真学习者，“划水”学习者从成绩上被甄别出来。随着教学改革的推进，学生整体成绩优秀率(80 分以上者)在提高，同时也发现学生的工程能力在提升，说明教学改革是朝着既定的教学目的而行的，整个教学改革是有效的。