黎東維, 張 濤, 於思瑜, 耿豪杰, 鄧朝芳, 劉社田

(1.重慶第二師范學(xué)院, 重慶 400065;2.西南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 重慶 400715)

化工原理是化學(xué)工程、化工工藝、制藥工程等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程,其重要程度不言而喻[1]?；ぴ碚n程理論性強(qiáng)、內(nèi)容較多、難度較大,課程大致由7～8個(gè)化工操作單元構(gòu)成,包括流體輸送、流體輸送機(jī)械、過(guò)濾與沉降、傳熱、蒸餾、吸收、萃取、干燥等,每個(gè)單元都自成體系,一般采用128學(xué)時(shí)教學(xué),其中理論課72學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)課24學(xué)時(shí)、上機(jī)課24學(xué)時(shí)、習(xí)題課8學(xué)時(shí)[2]。隨著新技術(shù)在化工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和化學(xué)化工學(xué)科的不斷發(fā)展以及本科院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)導(dǎo)向,化工原理理論課教學(xué)形式和教學(xué)內(nèi)容發(fā)生了較大變化[3],迫切需要探索少學(xué)時(shí)化工原理理論課教學(xué)改革。為此,化工教育工作者開(kāi)展了一定研究[4-5],取得了一些成果,為進(jìn)一步推進(jìn)化工原理少學(xué)時(shí)教學(xué)改革提供了重要參考。但是,如何進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、壓縮課程學(xué)時(shí),探索更加有效的教學(xué)方法、提高教學(xué)效果,仍是當(dāng)前面臨的巨大挑戰(zhàn)。為此,筆者結(jié)合近幾年教學(xué)實(shí)踐,提出51學(xué)時(shí)3學(xué)分的教學(xué)改革方案,重組教學(xué)內(nèi)容,優(yōu)化教學(xué)方法,既壓縮課堂教學(xué)學(xué)時(shí),又提高教學(xué)效果。

一、重組教學(xué)內(nèi)容

化工原理課程的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握單元操作的基本原理,掌握化工過(guò)程中的物料衡算、能量衡算、平衡關(guān)系、傳遞速率及經(jīng)濟(jì)核算這五個(gè)基本技能,學(xué)會(huì)分析和解決實(shí)際問(wèn)題,為化工設(shè)計(jì)和研究打下基礎(chǔ)[6]。少學(xué)時(shí)化工原理課程學(xué)時(shí)被進(jìn)一步壓縮,要確保教學(xué)效果,教師不能像傳統(tǒng)教學(xué)那樣安排教學(xué)內(nèi)容,應(yīng)當(dāng)結(jié)合化工行業(yè)和學(xué)科發(fā)展最新特點(diǎn),重組教學(xué)內(nèi)容。由于化工原理課程知識(shí)體系內(nèi)部緊密相關(guān),在重組教學(xué)內(nèi)容時(shí)一方面要考慮知識(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系,另一方面要兼顧學(xué)生學(xué)習(xí)熱情衰減規(guī)律,將重要的基礎(chǔ)知識(shí)前置。

首先,前置“傳熱”單元。“熱”和“動(dòng)”是化工中非常重要的基礎(chǔ)知識(shí),涉及節(jié)能環(huán)保的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),在重組教學(xué)內(nèi)容時(shí),可以將“傳熱”章節(jié)從第四章前置到第二章,安排在“流體動(dòng)力學(xué)”之后,這樣不僅在邏輯上更加合理,還能在上半學(xué)期學(xué)生學(xué)習(xí)熱情較高時(shí)將重要的流體動(dòng)力學(xué)和傳熱講授完畢,有助于學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí),為后面章節(jié)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

其次,合并“流體流動(dòng)”與“流體輸送設(shè)備”。將原“流體流動(dòng)”與“流體輸送設(shè)備”兩章合并,這兩個(gè)部分本身的聯(lián)系非常緊密,實(shí)際流體流動(dòng)的伯努利方程變形就得到管路特性曲線,與泵的特性曲線很容易聯(lián)系起來(lái),形成一個(gè)整體知識(shí)脈絡(luò)。原教學(xué)內(nèi)容中,兩個(gè)部分各成一章,有關(guān)公式和符號(hào)各自獨(dú)立,合并“流體流動(dòng)”與“流體輸送設(shè)備”后,章節(jié)邏輯呈遞進(jìn)關(guān)系,流體流動(dòng)能量關(guān)系由伯努利方程描述,流體流動(dòng)有摩擦阻力損失,能量損失“數(shù)量”與流體、流速、管徑、管材、彎頭、管件等有關(guān),抵消能量損失必須采用泵提供額外能量。

第三,設(shè)置“分離傳質(zhì)”大單元?！皞髻|(zhì)”部分是化工原理課程中最重要的內(nèi)容,包括蒸餾、吸收、沉降與過(guò)濾、干燥4個(gè)部分,蒸餾和吸收分別對(duì)應(yīng)液—液均相物系的分離、氣—?dú)饩辔锵档姆蛛x,沉降與過(guò)濾、干燥都屬于非均相物系的分離。將這4個(gè)部分設(shè)置成“分離傳質(zhì)”大單元,集中、依次講授,邏輯上更加清晰。此外,在傳質(zhì)設(shè)備上,蒸餾和吸收都涉及板式塔和填料塔,二者有很多相似之處,學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)可以采用對(duì)比學(xué)習(xí)法。將干燥放在過(guò)濾之后,更加符合化工工藝的邏輯順序。

二、學(xué)時(shí)設(shè)計(jì)

少學(xué)時(shí)化工原理課程,課堂教學(xué)計(jì)劃51學(xué)時(shí),一個(gè)學(xué)期完成。各章節(jié)詳細(xì)知識(shí)模塊、學(xué)時(shí)安排與原計(jì)劃對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 各章節(jié)知識(shí)模塊、學(xué)時(shí)安排、與原計(jì)劃對(duì)比

與傳統(tǒng)72學(xué)時(shí)相比,總學(xué)時(shí)減少了21學(xué)時(shí),教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)變化的依據(jù)如下:

第一,將流體輸送設(shè)備分散到流體流動(dòng)各小節(jié)中,不再單獨(dú)設(shè)置章節(jié),即流體流動(dòng)與輸送部分共安排13學(xué)時(shí),比原兩個(gè)章節(jié)的總學(xué)時(shí)減少了5學(xué)時(shí)。一是將管道、管件等相關(guān)知識(shí)與流體動(dòng)能損失相關(guān)聯(lián)、合并講授,從而減少原教學(xué)計(jì)劃中流體輸送設(shè)備的6學(xué)時(shí);二是將離心泵的相關(guān)知識(shí)與流體流動(dòng)關(guān)聯(lián)。流體流動(dòng)過(guò)程中,由于摩擦導(dǎo)致動(dòng)能損失,必須由外界動(dòng)力設(shè)備提供足以維持流體流動(dòng)所需機(jī)械能,與此相關(guān)的離心泵原理、汽蝕、安裝高度等知識(shí)比較重要,因而增加1個(gè)學(xué)時(shí)。

第二,將不太重要的知識(shí)后置、適當(dāng)弱化,減少公式的理論推導(dǎo)、計(jì)算等內(nèi)容。一是將沉降與過(guò)濾后置,安排4學(xué)時(shí),與原有學(xué)時(shí)相同,但主要講授基本原理和化工設(shè)備,不再將板框過(guò)濾機(jī)的板框數(shù)計(jì)算、板框過(guò)濾機(jī)過(guò)濾效率計(jì)算等知識(shí)作為重點(diǎn);二是將干燥章節(jié)弱化,從原來(lái)的10學(xué)時(shí)減少為3學(xué)時(shí),只對(duì)干燥過(guò)程的基本理論、主要設(shè)備進(jìn)行講解,減少干燥過(guò)程的速率計(jì)算、過(guò)程計(jì)算等;三是萃取分離、膜分離等知識(shí)不再納入課堂講授,改為學(xué)生課后自學(xué)。

第三,對(duì)傳熱部分內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化,重點(diǎn)講授熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱、傳熱過(guò)程計(jì)算、換熱器,減少沸騰及相變傳熱、輻射轉(zhuǎn)熱,因而將學(xué)時(shí)從原有12學(xué)時(shí)減少為8學(xué)時(shí)。

第四,將重要化工單元操作設(shè)計(jì)為傳質(zhì)大單元,主要包括將蒸餾作為液相均相體系分離操作、吸收作為氣相均相體系分離操作,這兩部分涉及各類化工“塔”,是現(xiàn)代化工的重點(diǎn)知識(shí),因而分別安排11學(xué)時(shí)。具體教學(xué)內(nèi)容與長(zhǎng)學(xué)時(shí)版有較大區(qū)別,新方案將蒸餾、吸收的基本原理、化工單元操作的物料平衡、熱平衡、塔結(jié)構(gòu)等作為重點(diǎn);適當(dāng)弱化塔板數(shù)計(jì)算,這部分知識(shí)可以在化工原理課程設(shè)計(jì)或者化工設(shè)計(jì)等課程予以補(bǔ)充。此外,由于化工軟件計(jì)算的發(fā)展,例如Aspen Plus、Fluent等為化工過(guò)程計(jì)算提供了極大的方便,不再需要大量人力進(jìn)行紙質(zhì)化計(jì)算。因此,蒸餾章節(jié)從12學(xué)時(shí)減少為11學(xué)時(shí),吸收章節(jié)從14學(xué)時(shí)減少為11學(xué)時(shí)。

三、優(yōu)化教學(xué)方法

(一)知識(shí)脈絡(luò)教學(xué)

單元操作是化工原理課程的核心,在教學(xué)中各單元操作既有一定獨(dú)立性,又有一些相似的邏輯規(guī)律,課堂教學(xué)要牢牢抓住暗含的兩條脈絡(luò)。一是“三傳”的知識(shí)脈絡(luò)。從流體流動(dòng)開(kāi)始,將流體為什么能流、流體怎么流、能量是如何損耗的、如何提供動(dòng)力、熱量如何傳遞、如何量化熱量傳遞、如何實(shí)現(xiàn)熱量傳遞和質(zhì)量傳遞、如何實(shí)現(xiàn)均相和非均相物系的分離等用傳動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)連成一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò);二是指導(dǎo)化工生成的宏觀知識(shí)脈絡(luò)?；ず暧^過(guò)程包括物料衡算、熱量衡算、平衡關(guān)系、過(guò)程速率、經(jīng)濟(jì)衡算,這五大過(guò)程衡算既是每個(gè)單元操作知識(shí)學(xué)習(xí)的提綱,又是實(shí)際化工生產(chǎn)應(yīng)用的最終落腳點(diǎn)。此外,可以用具有相似傳遞規(guī)律的理論來(lái)進(jìn)行類比式教學(xué),建立各單元操作之間的聯(lián)系,強(qiáng)化知識(shí)脈絡(luò),拓展學(xué)生的思維,加深學(xué)生對(duì)該單元操作的理解。

(二)動(dòng)態(tài)展示教學(xué)

化工原理課程理論性較強(qiáng),教學(xué)內(nèi)容較抽象,存在學(xué)生聽(tīng)不懂、難理解、難接受等普遍問(wèn)題。究其原因,很大程度上是學(xué)生很難在大腦中自主構(gòu)建化工設(shè)備的立體空間和整個(gè)化工物料過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化。解決這一問(wèn)題,要摒棄傳統(tǒng)的理論+公式推導(dǎo)的教學(xué)方法,廣泛采用3D動(dòng)畫(huà)進(jìn)行直觀展示教學(xué)[7],例如在學(xué)習(xí)板式精餾塔、填料吸收塔單元操作、液泛現(xiàn)象等知識(shí)點(diǎn)時(shí)多采用動(dòng)畫(huà)演示,幫助學(xué)生理解。

(三)弱化計(jì)算過(guò)程

許多學(xué)生往往因?yàn)楦叩葦?shù)學(xué)功底不好而逐步喪失化工原理的學(xué)習(xí)熱情。針對(duì)這一問(wèn)題,可以引入現(xiàn)代化工模擬軟件,簡(jiǎn)化紙質(zhì)用筆計(jì)算。在課堂教學(xué)中,側(cè)重講解原理、各參數(shù)的意義,適當(dāng)弱化推理計(jì)算過(guò)程,改用計(jì)算機(jī)仿真軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)計(jì)算。例如,教材中精餾塔計(jì)算過(guò)程非常繁雜,采用計(jì)算機(jī)仿真軟件計(jì)算則變得十分輕松[8-9]。常見(jiàn)軟件有Aspen[10]、Fortran、Fluent、COMSOL、Solidwork、BioWin等,學(xué)生只需專注搞懂化工原理,不必為繁重的數(shù)學(xué)計(jì)算花費(fèi)精力[11-12]。

(四)注重培養(yǎng)工程應(yīng)用能力

化工原理課程從工程中來(lái),也要回到工程中去,要著重培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。在教學(xué)過(guò)程中,必須注重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí),強(qiáng)化其工程實(shí)踐能力。一方面,在理論教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生注重工程實(shí)際、明確學(xué)習(xí)目的,引導(dǎo)學(xué)生立志成為一名化工工程師,培養(yǎng)學(xué)生“從工程中提出問(wèn)題—學(xué)習(xí)有關(guān)理論—應(yīng)用于實(shí)際工程”[13]的認(rèn)知規(guī)律。另一方面,單獨(dú)開(kāi)設(shè)實(shí)踐課程,將理論教學(xué)中相關(guān)知識(shí)與化工設(shè)計(jì)相聯(lián)系,讓學(xué)生完成某個(gè)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)計(jì),培養(yǎng)學(xué)生整體設(shè)計(jì)和綜合考慮問(wèn)題的能力[14]。

四、教學(xué)實(shí)踐效果

根據(jù)化工原理教學(xué)大綱,按少學(xué)時(shí)課程改革方案,筆者實(shí)施了教學(xué)改革且取得了較好的效果。為“量”化教學(xué)實(shí)踐效果,教研室設(shè)計(jì)了與表1教學(xué)計(jì)劃相匹配的期末考試細(xì)目表,期末考試題型及知識(shí)分布見(jiàn)表2,試題難度適中。從結(jié)果來(lái)看,期末考試總體情況良好,90分以上的占10.0%,80～89分的占28.9%,70～79分的占58.5%,60～69分的占12.6%。

表2 期末考試題型、知識(shí)點(diǎn)及分值分布

為“質(zhì)”性評(píng)價(jià)教學(xué)實(shí)踐效果,在試卷分析和調(diào)查問(wèn)卷的基礎(chǔ)上,將學(xué)生對(duì)主要教學(xué)內(nèi)容的掌握情況總結(jié)于表3。學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握較為理想,對(duì)“三傳”重點(diǎn)知識(shí)的掌握明顯好于簡(jiǎn)單講授的知識(shí),例如流體輸送這一最重要的化工單元操作,由于課堂上教師重點(diǎn)講授,加之學(xué)生結(jié)合其他知識(shí)單元進(jìn)行貫穿式學(xué)習(xí),掌握程度較好;分子擴(kuò)散與菲克定律、傳熱膜理論、漂流因子等部分,這些知識(shí)不是化工核心內(nèi)容,在課堂上點(diǎn)到為止。

表3 學(xué)生主要知識(shí)點(diǎn)掌握情況

教學(xué)實(shí)踐效果的取得,除了重組教學(xué)內(nèi)容和優(yōu)化教學(xué)方法,老師的課堂講授也非常重要。對(duì)學(xué)生開(kāi)展課程教學(xué)環(huán)節(jié)重要性問(wèn)卷調(diào)查，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。少學(xué)時(shí)化工原理課程教學(xué)對(duì)任課教師提出了更高的要求,不僅要完全吃透?jìng)鹘y(tǒng)教學(xué)內(nèi)容,還要掌握最新的化工單元操作進(jìn)展。例如教材中幾乎沒(méi)有涉及吸附分離單元操作,但在氫氣制取的過(guò)程中,由西南化工研究設(shè)計(jì)院開(kāi)發(fā)的吸附分離技術(shù)是目前該領(lǐng)域最先進(jìn)的分離方法,必須予以講解,以確保教學(xué)緊跟最新工藝。

圖1 學(xué)生對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)重要性的反饋統(tǒng)計(jì)

五、結(jié)語(yǔ)

隨著化學(xué)工程學(xué)科不斷發(fā)展,多媒體、計(jì)算機(jī)技術(shù)、線上教學(xué)等教學(xué)技術(shù)和科研手段在化工原理課程教學(xué)中的深度應(yīng)用以及應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的內(nèi)在要求,迫切需要探索少學(xué)時(shí)化工原理課程教學(xué)方案。本研究在傳統(tǒng)72學(xué)時(shí)化工原理理論課程教學(xué)的基礎(chǔ)上,通過(guò)前置“傳熱”單元、合并“流體流動(dòng)”與“流體輸送設(shè)備”、設(shè)置“傳質(zhì)”大單元重組教學(xué)內(nèi)容,優(yōu)化教學(xué)方法,提出51學(xué)時(shí)3學(xué)分的教學(xué)改革方案,教學(xué)實(shí)踐效果較好,可為該課程的教學(xué)改革提供借鑒。