童敏曼 秦正龍

(江蘇師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

化工原理是一門重要的工程技術(shù)基礎(chǔ)課程，是應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境工程、制藥工程、材料科學(xué)等專業(yè)必修的一門主干課[1]，具有概念多、公式多、習(xí)題多、圖表多、計(jì)算復(fù)雜、綜合性大、工程觀念強(qiáng)等特點(diǎn)[2,3]。在教學(xué)過程中，教師認(rèn)為教的已經(jīng)很好了，但學(xué)生對知識的理解、掌握及應(yīng)用不夠；學(xué)生認(rèn)為學(xué)的很刻苦了，但總有一過就忘、一用就錯(cuò)、上課清楚、作業(yè)糊涂、學(xué)不懂記不住的感覺，不能形成完整的知識體系[4,5]，出現(xiàn)“教師忙于講解，學(xué)生難于理解”的窘境[6]。究其原因主要有兩點(diǎn)。其一是教師的教學(xué)方式。目前，盡管教學(xué)的方式已多種多樣，但受傳統(tǒng)教學(xué)思想的影響，多采用單一的以“教”為中心的“填鴨式”教學(xué)，并形成了一種定勢，即“我講你看”、“我講你聽”的教學(xué)模式，忽視了學(xué)生的主體性，知識是被灌輸給學(xué)生的，而不是學(xué)生主動思考獲得的，學(xué)生的創(chuàng)新性思維缺失。其二是學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。學(xué)生的學(xué)習(xí)是被動的學(xué)習(xí)，往往是教師講學(xué)生聽，教師講學(xué)生記，教師教到哪里，學(xué)生學(xué)到哪里，缺乏自主學(xué)習(xí)。因此，要想使學(xué)生真正掌握化工原理課程的知識內(nèi)容，就要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和學(xué)習(xí)興趣[7,8]。為此,許多教師在化工原理教學(xué)過程中進(jìn)行了積極的探索[9-12]。我們在教學(xué)過程中采用啟發(fā)討論式教學(xué)法(以吸收單元操作教學(xué)為例)，將傳統(tǒng)的以“教師為中心”的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)效果。

1 啟發(fā)討論式教學(xué)法的基本內(nèi)涵

現(xiàn)代教學(xué)論認(rèn)為，教學(xué)必須以學(xué)生的發(fā)展為宗旨，啟發(fā)學(xué)生思維為核心，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，發(fā)揮其主體作用。所有的教育、教學(xué)活動都應(yīng)使每一個(gè)學(xué)生的個(gè)性得到自由充分的發(fā)展。

啟發(fā)討論式教學(xué)就是教師根據(jù)教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)境及學(xué)生的知識基礎(chǔ)、認(rèn)知水平、接受能力等實(shí)際情況，采用啟迪、引導(dǎo)、討論、點(diǎn)撥、匯報(bào)、對比、總結(jié)等手段喚醒學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，充分發(fā)揮其主體作用，促使學(xué)生積極主動獲取知識的一種教學(xué)方法[13,14]。該方法將傳統(tǒng)的“一言堂”轉(zhuǎn)變成為“群言堂”，將單一的“滿堂灌”轉(zhuǎn)變成為開放的啟迪與探討，形成和諧的師生互動、生生互動，產(chǎn)生教學(xué)共振。學(xué)生由學(xué)會向會想、會學(xué)、會用轉(zhuǎn)變，自發(fā)產(chǎn)生“我要學(xué)”的激情，提高自學(xué)能力、組織能力、表達(dá)能力、協(xié)作能力和獨(dú)立觀察、發(fā)現(xiàn)、分析解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)最佳教學(xué)效能。

2 應(yīng)用

2.1 在確定設(shè)計(jì)條件中的應(yīng)用

吸收塔設(shè)計(jì)型計(jì)算的目的是求填料層的高度Z。一般給定的條件是：惰性氣體的摩爾通量V、氣體中溶質(zhì)組分入塔濃度Y1、氣體中溶質(zhì)組分出塔濃度Y2(或回收率η)、平衡關(guān)系Y=f(X)(或相平衡常數(shù)m)、氣相總體積吸收系數(shù)KYa?？晒┻x擇的條件是：吸收的流向(逆流、并流)，吸收劑入塔濃度(X2，逆流)，吸收劑的摩爾通量L，溶劑的再循環(huán)等。

對于吸收操作中溶劑的再循環(huán)學(xué)生是很茫然的，因此，教師首先提問“吸收的目的是什么”，學(xué)生很快就回答“為了獲得出塔濃度X1較高的液體產(chǎn)物”，教師接著問“為了獲得出塔濃度X1較高的液體產(chǎn)物，可以采取哪些措施”。學(xué)生一時(shí)回答不了，此時(shí)就組織學(xué)生進(jìn)行討論，然后老師進(jìn)行總結(jié)?？梢詰?yīng)用的有效措施主要有：降低吸收的溫度、提高吸收的壓強(qiáng)、減小吸收劑的用量等。但是，如果吸收劑的用量太小，塔內(nèi)的填料不能完全被液體濕潤，氣液兩相的接觸面積變小，不利于傳質(zhì)，此時(shí)采用吸收劑的再循環(huán)。老師小結(jié)完后，繼續(xù)啟發(fā)提問“采用吸收劑再循環(huán)后，吸收的推動力怎么變化”。學(xué)生本以為有關(guān)溶劑再循環(huán)的學(xué)習(xí)討論已經(jīng)結(jié)束，不料老師又拋出一個(gè)新的問題，一下子調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及創(chuàng)造性思維，課堂又開始活躍起來。同時(shí)，老師在黑板上畫出溶劑再循環(huán)的流程圖(圖1a)及無溶劑再循環(huán)的操作線和平衡線(圖1b，稀線)，并提示學(xué)生在采用溶劑再循環(huán)后，吸收劑入塔濃度怎么變化？這樣又復(fù)習(xí)鞏固了物料衡算等方面的知識。

對圖a中的C點(diǎn)進(jìn)行物料衡算：

對總物料衡算：L′=L+Lθ

顯然，溶劑再循環(huán)使液相入塔濃度X2′大于新鮮吸收劑的入塔濃度X2。如果氣體出塔濃度Y2保持不變，可在圖1b中畫出吸收劑再循環(huán)后的操作線，即操作線在塔頂?shù)奈恢脤⒂葾點(diǎn)移動到A′點(diǎn)?？梢娢盏耐苿恿ψ冃?，因此吸收劑再循環(huán)對吸收不利。學(xué)生對這樣的結(jié)論“大失所望”。在學(xué)生“失望”之時(shí)，老師及時(shí)點(diǎn)撥：如果吸收過程是一個(gè)比較強(qiáng)的放熱過程，通過大量吸收劑的再循環(huán)，可以降低吸收的溫度，平衡線將怎么變化？“平衡線向下移動”學(xué)生們脫口而出。老師在黑板上畫出溫度降低后的平衡線，此時(shí)絕大部分學(xué)生發(fā)現(xiàn)吸收的推動力變大了，學(xué)生們或微微點(diǎn)頭，或微微一笑，說明學(xué)生理解了。最后老師補(bǔ)充“吸收的推動力提高了，氣相總體積吸收系數(shù)KYa也增大了”。通過設(shè)問-啟發(fā)-討論-小結(jié)-再設(shè)問-再啟發(fā)-再討論-再小結(jié)，學(xué)生不僅掌握了溶劑再循環(huán)操作的特點(diǎn)、結(jié)果及應(yīng)用，而且提高了學(xué)生觀察、發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的科學(xué)方法。

2.2 在操作型計(jì)算中的應(yīng)用

操作型計(jì)算是對已有設(shè)備或某一過程完成一定任務(wù)進(jìn)行計(jì)算或核定某些操作參數(shù)。操作型計(jì)算不但變量多，而且變量之間的關(guān)系往往是非線性的，因此計(jì)算復(fù)雜，知識應(yīng)用靈活[15]。

在長期的教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對換熱器的操作型計(jì)算掌握的比較好，但對吸收塔的操作型計(jì)算難以理解，我們就采用啟發(fā)討論類比的教學(xué)方法，得到了事半功倍的教學(xué)效果。

例如在講吸收塔操作型計(jì)算方法之一的消元法時(shí)，首先啟發(fā)學(xué)生回顧換熱器操作型計(jì)算消元法的思路:需要幾個(gè)方程？需要消去的是哪一項(xiàng)？然后組織學(xué)生復(fù)習(xí)討論。老師接著問吸收塔操作型計(jì)算的消元法需要幾個(gè)方程？需要消去哪一項(xiàng)目？學(xué)生很快就會回答，需要兩個(gè)方程。物料衡算方程：

V(Y1-Y2)=L(X1-X2)

(1)

及吸收特征方程即填料層高度計(jì)算方程：

Z=HOGNOG

(2)

需要消去Y1-Y2，變非線性方程(2)為線性方程。

“那如何消去Y1-Y2呢”，老師繼續(xù)啟發(fā)提問。學(xué)生又開始熱烈的討論，提出各種各樣的想法和方案，同時(shí)老師及時(shí)點(diǎn)撥：不要忘了相平衡方程及物料衡算。最后與學(xué)生一起導(dǎo)出整個(gè)過程。如下

根據(jù)定義，方程(2)中的NOG為

(3)

而

(4)

故

(5)

又因?yàn)?/p>

V(Y1-Y2)=L(X1-X2)

即

(6)

將式(6)代入式(5)得

(7)

再將式(7)代入式(3)得

(8)

將式(8)代入式(2)，并整理得

(9)

通過以上一系列的變換，非線性方程(2)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性方程(9)。聯(lián)立求解方程組(1)、(9)，即可求出Y2、X1。

吸收塔第一類操作型計(jì)算講完后要及時(shí)總結(jié)，并與傳熱相關(guān)知識進(jìn)行比較(見表1)，使知識由點(diǎn)成線。通過啟發(fā)-討論-點(diǎn)撥-對比-總結(jié)，激發(fā)了學(xué)生的思維，培養(yǎng)了學(xué)生的興趣，發(fā)展了學(xué)生的能力，潛移默化地實(shí)現(xiàn)對新知識的遷移，化難為易，使學(xué)生愉快地自主學(xué)習(xí)。

表1 吸收塔第一類操作型計(jì)算的總結(jié)比較

3 實(shí)施啟發(fā)討論式教學(xué)法需要注意的問題

3.1 選擇內(nèi)容要適宜

啟發(fā)討論式教學(xué)需要系列問題作引領(lǐng)。因此，討論的選題必須是重點(diǎn)或關(guān)鍵性的知識，最好能夠引發(fā)學(xué)生對某種生活經(jīng)歷或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)的思考，學(xué)生有興趣并樂于參與。選擇的內(nèi)容應(yīng)具有系統(tǒng)的邏輯性，能夠把學(xué)生的思維引向縱深，使討論更加全面，使知識相互交聯(lián)滲透，內(nèi)容相互補(bǔ)充。

3.2 教師應(yīng)適時(shí)啟發(fā)指導(dǎo)

在啟發(fā)討論式教學(xué)中最怕出現(xiàn)冷場，教師可以采取鼓勵(lì)或適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)啟發(fā)，也可以通過點(diǎn)名的方式打破冷場。在整個(gè)討論過程中，教師的角色應(yīng)該是個(gè)“導(dǎo)演”，要組織好討論過程，認(rèn)真聽取學(xué)生的發(fā)言，參與學(xué)生的討論，啟發(fā)、引導(dǎo)和控制好討論的方向和深度。

3.3 及時(shí)總結(jié)反思

采取啟發(fā)討論式教學(xué)法，就學(xué)生對問題的分析和看法要及時(shí)進(jìn)行歸納，肯定和表揚(yáng)學(xué)生的勞動成果，但對學(xué)生錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，要及時(shí)指出，及時(shí)糾正，并分析原因。另外，受教學(xué)學(xué)時(shí)的限制及啟發(fā)討論式教學(xué)法特點(diǎn)的影響，該教學(xué)法只適合于20人左右的小班。為了適應(yīng)教學(xué)改革的需要，過程性評價(jià)的分?jǐn)?shù)在課程總成績中所占的比重越來越高，但如何評定學(xué)生在啟發(fā)討論式教學(xué)中的成績，還缺乏有效的定量評估手段。

4 結(jié)語

采用啟發(fā)討論式教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)能力、培養(yǎng)學(xué)生積極表達(dá)能力、訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維能力，學(xué)生由原來的被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，充分體現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位和教師的引導(dǎo)作用，在啟發(fā)討論中掌握觀察、發(fā)現(xiàn)、思考、分析和解決問題的科學(xué)方法，達(dá)到高階學(xué)習(xí)的目標(biāo)。在后疫情時(shí)期，如何更好的使啟發(fā)討論式教學(xué)法與分層式教學(xué)法、微課、SPOC、MOOC等現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)有機(jī)融合，還需要廣大教學(xué)工作者去探索、去實(shí)踐。