強化化工原理實驗教學過程,提高教學質量

吳洪特 于兵川

(長江大學化學與環境工程學院,湖北 荊州 434023)

強化化工原理實驗教學過程,提高教學質量

吳洪特 于兵川

(長江大學化學與環境工程學院,湖北 荊州 434023)

化工原理實驗是化工類及相近學科學生的一門重要實踐課。強化實驗教學過程各環節,如實驗預習,優化實驗項目,加強師生互動,注重實驗報告質量,完善實驗成績考核等,可以提高實驗教學質量。

化工原理實驗;教學過程;教學質量

化工原理實驗是化學工程與工藝及相關專業的一門重要實踐教學課程,是利用一系列參數測量技術來設計、組織和實施的工程實驗,能夠使學生建立起一定的工程概念,認識較為復雜的真實設備與工藝,鍛煉實驗操作技能及實驗數據處理和結果分析的能力[1～2]。與化學實驗、物理實驗等相比,化工原理實驗的流程和設備更復雜,需要測試的參數更多,數據處理量更大,而且常常需要采用圖示法或回歸法描述實驗結果,這就決定了其實驗方法與以前所學的課程不同[3～4]。

一、加強實驗前預習,保證實驗效果

加強實驗前預習,是保證實驗質量,提高實驗效率的有效措施[5]。利用實驗預習,學生應事先熟悉實驗所對應的理論知識點、實驗裝置、測試參數及儀器,了解操作過程及注意事項,在實驗數據記錄本上列出原始數據記錄表。學生如實驗前不認真預習,臨到實驗時才看指導書,一邊看操作步驟一邊做實驗,就難以掌握實驗的主動權,即使做了實驗也較難有一個深刻的印象,不能真正學到實驗方法和技能。實驗前預習分以下三部分進行。

(一)看書預習

實驗前要求學生看實驗教材及相關理論書籍。這樣一是有利于學生復習課堂教學已學過的理論知識,如流體流動阻力的測定實驗,其中就包涵了雷諾實驗-流動狀態、伯努利實驗-能量守恒、流體在管道的流動-能量損失、工程問題處理方法-因次分析法等各知識點,覆蓋了流體流動章節的所有內容;二是有利于培養學生查閱文獻資料的能力,在預習中要求學生將實驗所涉及的物性參數及所用儀器儀表性能、結構原理預先熟悉和了解。

(二)在計算機上做仿真實驗

看書學習時,學生對操作原理相對容易了解,而對設備、流程就一頭霧水。由于化工原理實驗裝置和流程比較復雜,測試及控制點又多,有些測試點又需同時操作,試驗時一般分小組進行。對每個同學而言,只能接觸整個實驗操作的一部分,同時實驗過程中不能直觀地觀察到實驗操作所產生的結果,因此經過仿真實驗預習后,學生對實驗裝置流程、操作步驟及應測試的原始數據就有了切實的感受,其實驗操作能力、分析解決問題的能力由此大大加強,同時也激發了學生的實驗興趣。

(三)提前進入實驗室現場預習

做實驗前要求學生提前進入實驗室現場預習現場預習可以熟悉了解設備、工藝流程、儀器、儀表管路、閥門等,不懂的地方可請教老師,這樣可消除學生對化工原理實驗裝置的陌生感,做到心中有數如流體力學綜合實驗中,實驗裝置較大且復雜,管路多,閥門多,測控點多,操作部位多,對學生來說是比較復雜的一個實驗裝置。讓學生提前進入實驗室現場預習,熟悉設備,明白流程,理清管路,明了實驗內容,這樣就能使學生進實驗室實驗時得心應手,有條不紊,從而獨立完成實驗。

為了提高預習效果,我們開放化工原理實驗室,并將相關的實驗內容和實驗資料全部掛到了學校的化工原理精品課的網頁上,主要內容包括:實驗教案內容及Power-Point實驗課件、實驗基礎理論及相關理論知識、實驗裝置及實驗相關零部件圖片及設備原理動畫等,學生可以不受時間和空間限制預習到相關的實驗內容。

二、優化實驗項目,強化實驗質量

傳統開設的化工原理實驗有流體力學綜合實驗、板框過濾實驗、傳熱實驗、填料塔性能綜合測定實驗、精餾實驗和干燥實驗等。在對傳統的化工原理實驗項目進行認真研究、篩選和合理編排后,在每一個傳統實驗項目中都增設了若干個綜合、設計型實驗題目,學生可根據自身能力在傳統實驗或新增實驗中自選其一來完成。如板框過濾實驗增設了正交試驗法在過濾研究實驗中的應用實驗,傳熱實驗中增加了測定空氣在不同內壁結構的圓形直管內強制湍流的努塞爾準數與雷諾準數的關系實驗,吸收與解吸實驗增加了不同填料類型對操作條件和吸收效果的影響等等。

實驗過程不是按部就班的程序化操作,教師要設法創設問題情境,增設符合要求的新實驗項目[6]。這些項目一般都是綜合、設計型實驗與傳統實驗內容的緊密結合或選用不同設備完成相同的過程。這樣既可以避免學生因實驗雷同,相互模仿抄襲,又能讓學生在實驗過程中發現問題,運用所學理論去分析操作變量和設備因素對化工過程及其質量指標的影響,學會正確判斷和排除故障,以培養學生發現問題的能力。

三、師生互動,提升實驗質量

化工原理實驗是學生初次接觸工程裝置,如何上好實驗課,講解那些內容,這是實驗指導老師必須認真思考的問題。實驗講解不能不講,也不能面面俱到,應有意識地保留一些實驗中經常發生的問題及常會犯的錯誤,采用提問的方式,讓學生去發現思考。而要真正達到在實驗中培養學生的動手能力、觀察發現能力、思維創造能力,在學生預習的基礎上,實驗時老師不需預演,實驗應全部由學生動手完成,并允許出錯重做。這樣完成實驗的時間雖延長了,但學生實驗的效果及動手的能力提高了。

由于課前學生進行了較好的預習,因此實驗內容、流程、步驟、相關理論等可以略講或不講,而采用提問的方式請學生講。如傳熱綜合實驗,可以先請一位同學介紹流程。同學一般都可以順著流程方向說:風機(進風)——流量測量——流量調節閥——溫度測量(空氣進口、蒸汽出口)——套管換熱(逆流)——溫度測量(空氣出口、蒸汽進口)。老師則可以針對學生的講解及裝置設備提出如下的問題請其他學生回答:傳熱過程是否存在熱阻?其熱阻是在管內還是管外,如何強化?過程強化以什么為代價?套管內管為什么采用黃銅材料?冷凝下來的蒸汽為什么要及時排走?裝置上為什么設放空閥,有什么作用?管壁的溫度是接近蒸汽還是空氣?空氣管與換熱套管連接處為什么采用軟管連接?問題提出來后,學生就積極思考、討論并爭著回答,如空氣管與換熱套管連接處為什么采用軟管連接的問題,有同學說是為了節約、消除熱效應等,老師再一一點評修正,這樣學生認真思考、仔細分析的興趣就被調動起來。在板式精餾塔性能的測定實驗中,不僅僅讓學生在正常操作條件下測理論板數及板效率,還要求學生測定全塔的濃度(溫度)分布和塔釜再沸器的沸騰傳熱系數。這樣讓學生明白,通過改變塔釜再沸器中的電加熱器的電壓(實際是改變操作氣速),塔內上升蒸汽量將會改變,全塔的濃度(溫度)會改變,塔釜再沸器電熱器表面的溫度會發生變化,其沸騰傳熱系數也將發生變化,由牛頓冷卻定律可得到沸騰傳熱系數與加熱量的關系。這樣讓學生充分認識到一個參數的改變會引起整個體系的變化,同時溫習傳熱-傳質各理論點之間的聯系。

在整個實驗過程中,教師要經常巡視,勤于觀察,具體指導,及時糾正學生的不當操作,并經常提問,啟發引導和鼓勵學生勤于動手,有意識訓練學生的思考能力,調動學生的主觀能動性,提高學生的實驗動手能力,掌握實驗技能。在實驗指導過程中,必須根據學生實驗過程中發現的問題或存在的某種現象,向學生提問釋疑。

四、強調計算機軟件應用,注重實驗報告的質量

化工原理實驗是利用一系列測量技術來設計組織和實施的工程實驗,測試參數多,數據處理量大,常常需要采用圖示法和回歸法描述實驗結果[7]因此,在實驗報告中要求學生采用Excel和Origin軟件處理數據、作圖。如流體阻力實驗中Re～λ曲線、Re～C0曲線、精餾實驗中的理論板梯級圖等,要求用Excel軟件處理數據、作圖,而離心泵特性曲線Q～H、Q～N、Q～η要求用Origin軟件作圖,要求學生學會一橫坐標,三縱坐標的作圖方法,利用Origin軟件處理傳熱實驗數據,用回歸方程求經驗公式中的常數等等,提高學生的實驗數據處理和分析能力及計算機應用能力。

實驗報告是實驗過程的全面總結和系統概括,是實踐環節不可缺少的重要組成部分,可反映學生歸納總結、分析問題和編寫能力[8](P124～127)。因此在化工原理實驗報告中減少了實驗數據處理過程,注重實驗結果的討論,強調對實驗現象和實驗誤差的分析,提倡學生采用小論文格式撰寫實驗報告。實驗報告中的原始數據表需有實驗時的老師簽名,以確保原始數據的真實性,培養學生實事求是的科學態度,同時真實反映學生的實驗水平,有利于教師公平考核。

五、完善實驗成績考核,切實保證教學質量

以實驗報告來評定實驗成績,顯然是不合理的,也不全面,不利于調動學生對實驗操作的積極性。實驗成績考核應包括實驗教學全過程,即實驗預習、實驗操作和實驗報告[9]。其中實驗預習是評價學生通過預習能否寫出實驗具體方案、設計原始數據記錄表、提出思考問題,實驗操作是評價學生實驗過程的動手操作能力、觀察能力、分析能力、解決問題能力、師生互動水平,實驗報告是評價學生對實驗數據處理及作圖能力、實驗結果分析、討論能力。總成績由這三個方面按一定比例計入。

強化化工原理實驗教學過程的各個環節,是提高學生各種能力的關鍵,也是提高實驗質量的重要保證。

[1]徐寧,牟建明,鄭學倫.在化工原理實驗教學中建立工程概念[J].實驗室研究與探索,2005(7).

[2]艾寧,周歡懷,王定海.實驗教學資源優化與創新型實驗教學[J].實驗室研究與探索,2008(6).

[3]鐘理.提高化工原理課程教學質量的探索與實踐[J].華南高等工程教育研究,2004(2).

[4]吳星義,楊國成.改革實驗內容體系,提高實驗教學質量[J].化工高等教育,2002(3).

[5]李甌,朱錦忠,鄭祖銘.在實驗教學中提高工程實踐能力[J].實驗室研究與探索,1998(1).

[6]李微,施小芳,林述英.關于化工原理實驗教學方法、內容改革的若干實踐[J].化工高等教育,2006(6).

[7]徐涵慶.建設化工原理實驗室的體會[J].實驗室研究與探索, 1997(6).

[8]吳洪特.化工原理實驗[M].北京:化學工業出版社,2010.

[9]郭慶豐,彭勇,余立新,等.在化工原理實驗教學中培養學生綜合素質及創新能力[J].化工高等教育,2004(1).

責任編輯 韓璽吾 E-mail:shekeban@163.com

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1673-1395(2010)05-0057-03

2010-06-11

湖北省教育科學十一五規劃立項課題(2007B124);長江大學校級教研項目(J Y07018)

吳洪特(1963—),女,湖南長沙人,教授,主要從事化學工程與工藝教學及研究。