“新工科”背景下《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)改革模式探討

覃芳(貴州師范學(xué)院 化學(xué)與材料學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550018)

0 引言

復(fù)旦共識(shí)、天大行動(dòng)和北京指南，開(kāi)拓了工程教育改革新路徑?！靶鹿た啤奔粗溉斯ぶ悄堋⒅悄苤圃?、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興專(zhuān)業(yè)，也包括將這些新興技術(shù)用于傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)的升級(jí)改造。未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要素質(zhì)更高的復(fù)合型人才：實(shí)踐能力更強(qiáng)、創(chuàng)新能力更強(qiáng)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。為適應(yīng)這一形式變化，我校積極參加了旨在為推動(dòng)高?；ゎ?lèi)專(zhuān)業(yè)“新工科”建設(shè)、提高本科化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)核心課程教學(xué)質(zhì)量、提升教育服務(wù)化工行業(yè)發(fā)展能力而舉辦的大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)大賽，并取得了不錯(cuò)的成績(jī)。同時(shí)，我校針對(duì)《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)實(shí)際情況，結(jié)合參加化工實(shí)驗(yàn)大賽的經(jīng)驗(yàn)，充分利用各種資源，采取了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，以期提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)符合國(guó)家需要的人才。

1 教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 教學(xué)設(shè)備陳舊

《化工原理實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)設(shè)備比較陳舊，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，所包含知識(shí)點(diǎn)比較少，操作容易，滿(mǎn)足不了“新工科”要求的訓(xùn)練目標(biāo)。

1.2 教學(xué)模式落后

大多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)依然傳統(tǒng)，多事注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即實(shí)驗(yàn)前，要求學(xué)生預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)中，老師先口頭重點(diǎn)講解跟測(cè)定裝置相關(guān)的原理，然后演示操作，學(xué)生依葫蘆畫(huà)瓢地操作實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)定數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用線(xiàn)下教學(xué)的形式。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多為演示型和驗(yàn)證型，均是操作型計(jì)算。學(xué)生缺乏根據(jù)說(shuō)明讀圖的能力、根據(jù)問(wèn)題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力、動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

1.3 安全意識(shí)薄弱

比如學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前，不習(xí)慣檢查閥門(mén)是否處于關(guān)閉狀態(tài)；在CO2吸收實(shí)驗(yàn)開(kāi)啟氣瓶前，沒(méi)有先將流量計(jì)開(kāi)啟一定開(kāi)度；在傳熱實(shí)驗(yàn)中，光滑管與粗糙管進(jìn)行支路轉(zhuǎn)換時(shí)，先關(guān)閉上一管路的進(jìn)出口閥，再開(kāi)啟另一根管路進(jìn)出口閥；在使用同時(shí)需要加熱和冷凝的裝置，先開(kāi)加熱，后開(kāi)冷凝；在精餾、吸收、傳熱、流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，沒(méi)有檢查液位的意識(shí)等。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程參與程度低

化工原理實(shí)驗(yàn)以小組形式展開(kāi)，小組分工大體分為操作、測(cè)量、數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算三部分。當(dāng)個(gè)成員無(wú)法進(jìn)行全部操作，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)綜合能力的培養(yǎng)。

1.5 應(yīng)急處理能力不足

比如在精餾或吸收過(guò)程中，學(xué)生看到即將出現(xiàn)淹塔或淹塔時(shí)，表現(xiàn)出手足無(wú)措。

1.6 理論聯(lián)系實(shí)際問(wèn)題處理能力欠缺

化工原理的計(jì)算式都是在穩(wěn)態(tài)下推導(dǎo)出來(lái)的，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中往往不知道怎么判定 “穩(wěn)態(tài)條件”。在進(jìn)行精餾實(shí)驗(yàn)時(shí)，不知道將達(dá)到穩(wěn)態(tài)前收集的餾分排除掉。如測(cè)定離心泵特性曲線(xiàn)時(shí)，采用計(jì)算離心泵的揚(yáng)程He，對(duì)各參數(shù)的單位是有要求的：Z、He 的單位為m；壓力P 的單位為Pa，且壓力的形式(絕對(duì)壓力或表壓)一致；ρ 的單位為kg/m3，學(xué)生在計(jì)算時(shí)，容易混亂。又如在恒壓下，用水蒸汽通過(guò)裸管傳熱，測(cè)定裸管散熱系數(shù)時(shí)，在計(jì)算熱量時(shí)，不知道運(yùn)用相變熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顯熱，可忽略顯熱的思維；在吸收實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，CO2最佳用量不知道根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鈮?、溫度、溶解度進(jìn)行初步判定。

1.7 經(jīng)濟(jì)意識(shí)不強(qiáng)

課堂上一再?gòu)?qiáng)調(diào)，工業(yè)生產(chǎn)要考慮經(jīng)濟(jì)性，即在滿(mǎn)足產(chǎn)品生產(chǎn)要求的前提下，選擇操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用的最低時(shí)的工藝條件。比如在CO2吸收實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)，老師給定一個(gè)范圍，多數(shù)學(xué)生習(xí)慣越多越好的選擇，而且在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，不先關(guān)閉CO2鋼瓶閥門(mén)，造成浪費(fèi)。

2 應(yīng)對(duì)措施

2.1 更新教學(xué)理念、提高教學(xué)目標(biāo)

新時(shí)代、新時(shí)期我國(guó)對(duì)工科人才需求發(fā)生了很大的變化，現(xiàn)時(shí)代需要具備實(shí)踐能力、動(dòng)手能力、分析能力、創(chuàng)新能力更強(qiáng)的復(fù)合型人才。因此，在教學(xué)中要轉(zhuǎn)變以前以“教師教、學(xué)生被動(dòng)學(xué)”為主的模式；要突出學(xué)生的主體、主動(dòng)地位，更應(yīng)注重學(xué)生的探索與實(shí)踐。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置時(shí)，增加設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。比如給定進(jìn)料熱狀況、操作條件、產(chǎn)品要求，讓學(xué)生自己選擇合適的回流比，培養(yǎng)學(xué)生的經(jīng)濟(jì)意識(shí)。

2.2 加大實(shí)驗(yàn)投入

參加化工實(shí)驗(yàn)大賽時(shí)，接觸到了更新的設(shè)備，裝置更先進(jìn)。比如流體流動(dòng)裝置能同時(shí)完成離心泵特性曲線(xiàn)、管路特性曲線(xiàn)、光滑直管阻力、粗糙直管阻力、局部阻力等是測(cè)定；板式精餾實(shí)驗(yàn)裝置有多塊進(jìn)料設(shè)計(jì)、增加了回流比的設(shè)置；吸收增加了循環(huán)水箱的設(shè)計(jì)；還有虛擬仿真試驗(yàn)，能夠線(xiàn)上模擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，保證每個(gè)學(xué)生都能有操練的機(jī)會(huì)，盡可能提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的參與程度。

百聞不如一見(jiàn)，課堂多次提醒的知識(shí)點(diǎn)，都不如親自體驗(yàn)過(guò)，更讓人印象深刻。學(xué)校高度重視學(xué)生的教育，為了培養(yǎng)更優(yōu)質(zhì)的學(xué)生，購(gòu)置了一批化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備，新建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。新的化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備，閥門(mén)管件增多，能鍛煉學(xué)生具備更高知識(shí)基礎(chǔ)和讀圖能力；設(shè)計(jì)理念比較先進(jìn)，比如循環(huán)利用的意識(shí)；比如精餾有多塊進(jìn)料板位置選擇和回流比設(shè)置，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真試驗(yàn)可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)安全教育培訓(xùn)；幫助學(xué)生將自己的設(shè)計(jì)方案在盡可能短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)在實(shí)戰(zhàn)演練時(shí)，降低由于人為操作不當(dāng)引起的儀器損失。

2.3 豐富教學(xué)形式

實(shí)驗(yàn)教學(xué)也可以采用線(xiàn)上線(xiàn)下想結(jié)合的形式。在實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)課前，進(jìn)入虛擬仿真教學(xué)中的安全教育培訓(xùn)，提高學(xué)生的安全素養(yǎng)；在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)始前，先利用我校購(gòu)買(mǎi)的“雨課堂”將針對(duì)性問(wèn)題以問(wèn)答、選擇題等形式定時(shí)推送給學(xué)生，便于學(xué)生溫故知新，學(xué)生也可以將問(wèn)題推送給老師，進(jìn)行交流解答；在實(shí)驗(yàn)中，先進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)，學(xué)生可以按照自己的想法進(jìn)行嘗試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)仿真系統(tǒng)的評(píng)分界面可以保證每一位同學(xué)都有機(jī)會(huì)獨(dú)立地完成實(shí)驗(yàn)操作、掌握操作要點(diǎn)，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)操，用于補(bǔ)充小組實(shí)驗(yàn)由于分工不同帶來(lái)的綜合訓(xùn)練不均衡的影響；課后，利用“雨課堂”、QQ 等形式就實(shí)驗(yàn)問(wèn)題進(jìn)行探討或反饋。

2.4 更新教學(xué)模式

預(yù)習(xí)階段：借鑒喬納森“翻轉(zhuǎn)式”課堂的原理，將以前的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)改為實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，即實(shí)驗(yàn)課前，告知學(xué)生實(shí)驗(yàn)裝置圖、原料、以及相應(yīng)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)步驟，增加“穩(wěn)態(tài)”條件判定、計(jì)算公式單位注釋、CO2用量計(jì)算等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)思維的過(guò)程，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的能動(dòng)性，讓實(shí)驗(yàn)變?yōu)橐浴皩W(xué)生為主，教師為輔”的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。根據(jù)特定實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作，促使學(xué)生通過(guò)各種途徑如“MOOC 課”、“B 站”、與教師探討等積極學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)；觸發(fā)學(xué)生思考操作蘊(yùn)含的原理；同時(shí)鍛煉了學(xué)生的讀圖能力。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：采用虛擬仿真與實(shí)操相結(jié)合的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，先利用仿真軟件能讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)步驟在短時(shí)間內(nèi)得到驗(yàn)證也可以模擬突發(fā)情況如淹塔，模擬現(xiàn)象產(chǎn)生的條件、處理措施；再進(jìn)行實(shí)操練習(xí)，加深學(xué)生對(duì)操作要點(diǎn)記憶和理解，也能減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損傷。同時(shí)，為了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)前檢查管件閥門(mén)的意識(shí)，可以設(shè)置障礙，在保障安全的前提下，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，既提高學(xué)生開(kāi)機(jī)前必須檢查設(shè)備閥門(mén)的意識(shí)，也培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

在“新工科”的背景下，《化工原理實(shí)驗(yàn)》作為一門(mén)實(shí)踐性和工程性極強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，必須進(jìn)行升級(jí)改造；結(jié)合大學(xué)化工實(shí)驗(yàn)大賽參賽經(jīng)驗(yàn)，為順應(yīng)時(shí)代變化，必須更新教學(xué)理念、提高教學(xué)目標(biāo)、加大實(shí)驗(yàn)投入、豐富教學(xué)形式、改革教學(xué)模式，以期達(dá)到“新工科”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。