理科化學專業化學工程實驗課程的教學改革

賈志謙

(北京師范大學化學學院 北京 100875)

化學與化學工程學是相互依存、相互促進、共同發展的兩個學科。理科化學專業的學生，可以通過學習化學工程學掌握過程研究的知識、方法和技能，使知識結構更加完整，素質和能力更加全面。所以，化學工程學是理科化學專業的必修課，而化學工程實驗研究是化學工程研究的主要方法，它明顯有別于化學基礎實驗，屬于工程實驗范疇。

1 化學工程實驗課程的內容

我院的化學工程實驗包括化工基礎實驗和化工綜合實驗兩部分。化工基礎實驗內容的實質是測量化工參數[1]，如流動阻力系數、差壓式流量計流量系數、對流傳熱系數、傳質系數、理論塔板數、反應速率常數、停留時間分布等，要求學生掌握離心泵、熱交換器、吸收塔、精餾塔、反應器、流量計等設備和儀表的使用方法。我院將化工基礎實驗、儀器分析實驗、物理化學實驗和結構化學實驗合并，稱為化學測量與計算實驗，屬于化學專業的必修課。化工綜合實驗具有綜合型和研究型的特點，我院將化工綜合實驗與其他化學綜合實驗合并，稱為化學綜合與設計實驗，也是化學專業的必修課，要求學生選作其中2個實驗。

2 化學工程實驗課程的改革

近年來，我們在化學工程實驗教學中進行了一些改革，主要包括：

(1) 完善和更新了化工基礎實驗內容。

化工基礎實驗共包括7個實驗(表1)，每個實驗為4學時，涵蓋了動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和反應工程4個部分；另外，在傳熱實驗中還增加了強化傳熱的內容，在吸收實驗中增加了解吸操作。

在實驗設備上，采用了國內先進的化工實驗裝置(天津大學化工系研制)，實驗硬件在綜合大學理科化學中處于先進水平。所有實驗均采用了多種測量技術(差壓式流量計、渦輪流量計、濕式流量計、壓力傳感器、溫度傳感器等)，精餾實驗采用計算機進行數據采集和過程控制，力求能反映現代化工生產和科學研究的最新進展，拓寬學生知識面，提高學生適應現代社會發展的能力，并提高他們的綜合素質和技能。

(2) 增加了化工綜合實驗內容。

根據教師的科研成果，開發了若干設計和研究型化工綜合實驗(表1)，包括孔板流量計的設計和制作、超濾分離聚乙二醇、膜吸收制備納米材料、反應精餾等，涉及膜技術、過程耦合、催化等領域，每個實驗約20學時。

在孔板流量計的設計和制作實驗中，要求學生根據實驗任務設計和制作孔板流量計，以加深對差壓式流量計原理的理解，提高實驗設計能力；同時學習小型機床的使用，提高動手能力。在超濾分離聚乙二醇實驗中，改進了文獻[2]中的用Dragendorff試劑測定聚乙二醇濃度的方法[3-4]。在膜吸收制備納米材料實驗中[5-6]，使氣液兩相分別在微孔膜兩側流動，互不分散，膜提供了穩定而巨大的氣液界面面積，易于實現線性放大，氣體可被完全吸收，過程能耗低，克服了傳統的鼓泡攪拌釜反應器的缺點，是一種綠色、高效的氣液反應器形式。根據氣液反應理論，引導學生建立連續操作和半間歇操作的數學模型，預測液相濃度、氣相分壓、液相流速等對吸收速率的影響，并與實驗結果相比較；同時研究操作條件對粒子形貌和膜污染的影響規律。上述綜合實驗反映了化學工程研究的最新進展，通過實驗可培養學生的科研能力和創新精神，使學生知識、能力和素質得到協調發展。

表1 化學工程實驗教學內容

(3) 修訂了實驗講義和改進教學方法。

在編寫的化學工程實驗講義中，首先概括介紹化工實驗的研究方法、數據處理方法和實驗設計方法(正交實驗法)，旨在使學生掌握化工實驗研究的方法，提高實驗設計和數據分析能力。在實驗編寫中設計了若干思考題，以幫助學生深入掌握教學內容。另外，將與每個實驗相關的補充資料以附錄形式附于各實驗后面，以反映實驗的有關知識背景，增加可讀性，擴大學生知識面。

化工實驗數據處理和實驗設計等內容較為枯燥，集中講授往往效果不佳。我們將該部分內容分散在各實驗中，結合具體實驗講授，取得了較好效果。另外，在教學中注意創設情境，引導學生積極思考，提高實驗設計能力。例如，在流體流動阻力測定實驗中，提出以下問題： “在化工設計中，需要計算管路流動阻力，這就需要知道直管阻力系數與雷諾數的關系曲線，以及閥門、彎頭等的局部阻力系數。如何設計實驗測定這些阻力系數呢？”在離心泵特性曲線測定實驗中，提出“如何設計實驗測定離心泵特性曲線？如何根據特性曲線選泵呢？”在利用內循環無梯度反應器測定反應動力學實驗中，提出“如果你研制出了新的固相催化劑，如何測定反應的本征動力學以表征催化活性呢？”在超濾分離聚乙二醇實驗中，提出“在分離回收溶液中的聚乙二醇時，可以采用蒸發、萃取等方法，但能耗較高，還有沒有其他更好方法呢？”這些問題可以啟發并引導學生思考實驗的意義、目的和原理，增加學生的學習興趣。

(4) 改進教學評價方法。

實驗成績包括預習、操作、實驗報告、考試等，在課程結束后進行閉卷考試，以考察學生對實驗原理和技能的掌握情況，使學生更加重視化工實驗課程的學習。

通過上述改革措施，進一步提高了化學工程實驗課程的教學質量，使我院化學工程實驗教學在國家化學實驗示范中心建設中發揮了積極作用。

[1] 教育部理科化學教學指導委員會.大學化學,1999,14(2):9

[2] 時鈞,袁權,高從堵.膜技術手冊.北京:化學工業出版社,2001

[3] Jia Z Q,Tian C.Desalination,2009,247:423

[4] 賈志謙.大學化學,2007,22(5):33

[5] Jia Z Q,Chang Q,Qin J,etal.JMembrSci,2009,342:1

[6] Jia Z Q,Chang Q,Qin J,etal.JMembrSci,2010,352:50