林業高校林產化工專業開展化工原理教學的一些想法

顧曉利+陳慕華+姚建峰+徐勇+王飛

[摘 要]化工原理課程強調理論與實踐緊密結合，不僅對學生要求較高，而且對教師如何開展有效教學也提出了很大的挑戰。根據化工原理課程自身特點和林產化工專業的教學需求，對課程的教學內容、教學方式、實驗教學等多個方面進行改革探索，可有效加強學生對典型林化過程中單元操作的理解，培養具有工程觀念的專業人才。

[關鍵詞]化工原理；林產化工專業；教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）09-0039-03

化工原理屬于偏工程應用性的專業基礎課程。該課程涵蓋工業生產的典型單元操作過程，以“三傳”過程（動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞）貫穿整個課程體系，著重研究典型工業生產過程中所涉及的基本原理、設備選型及計算，內容覆蓋范圍廣，知識面要求高。[1][2]在林業院校林產化工專業的課程體系中，化工原理課程一般開設在大三學年，即學生大一、大二完成自然科學基礎課之后，大四開始專業特色課之前，具有承上啟下、從理論到實踐的過渡作用。[3]

參考國內外同行高校對林產化工專業的方向定位，結合南京林業大學的辦學特色，本教研室對化工原理課程的教學改革實踐進行了一些初步的探索和歸納，其落腳點是提高學生的工程素質、培養學生的雙創意識、塑造學生的可適性，進而全方位提升學生的專業綜合素養。

一、根據林產化工專業的特色安排教學內容

林產化工專業特色是采用化學與生物化學的方法，將林業資源加工轉化為高附加值產品，要求學生系統掌握化學化工基礎理論知識，以及森林植物資源化學加工和生物化學加工的基本原理。針對于此，我們首先完成常規化工原理的教學內容，系統講授流體流動、流體輸送設備機械、沉降與過濾、傳熱學、蒸發、蒸餾與吸收、干燥學等傳統單元操作，在此基礎上增加了新型分離傳質技術，如萃取、結晶、吸附、膜分離等具有鮮明行業特色的單元操作過程。例如，針對林產化學品混合裝置應用廣泛的特點，我們在《沉降與過濾》一章中增加了“如何針對林產化學品產物特性，設計有效混合攪拌裝置”的提高內容。在《傳熱學》一章中，針對林源天然產物屬熱敏性物料、分離操作溫度不能太高的特點，我們增添了低溫傳熱過程的原理和設計方法，精簡了熱輻射的教學內容。在《干燥學》一章中，著重講述了天然產物提純所必備的冷凍干燥技術，并介紹了近年來開發的介電干燥新技術。在《結晶與萃取》一章中，重點介紹了針對天然產物的低溫結晶技術和超臨界CO2萃取技術。通過有針對性的增減教學內容，使化工原理課程教學不僅僅滿足于基礎傳遞過程的單元操作理論教學，而且結合林產化工行業特色，緊密聯系林化行業實踐內容，使得學生“出得課堂，入得廠房”“學有所用，學有所成”。

習題練習是學生學習過程中有效的輔助教學手段。通過適量的習題練習，讓學生強化課堂上較為抽象的理論知識點，掌握分析問題和解決問題的能力。[4]遺憾的是，現有國內外化工原理教材中，與林產化工相關的例題和習題幾乎沒有，主要原因在于傳統化工原理習題集與林產化工背景相差太大，導致學生很難深刻理解各單元操作在林產化工中的實際應用。因此，我們借助各種渠道，從圖書館、設計院、工廠、網絡平臺等收集林產化學加工工程相關的單元操作例題和習題。例如，從許振良主編的《綠色分離工程》、安鑫南主編的《林產化學工藝學》、J.D. Seader主編的《Separation Process Princi？鄄ples》、W.L. McCabe主編的《Unit Operations of Chemical Engineering》等教材中尋找具有林產化工專業特點的練習題，從而讓學生深刻理解單元操作理論以及如何解決林產化工行業中的基本問題。

在教學過程中，我們發現學生由于對專業認知的局限，造成學習主動性不足，幾乎很難保證課前預習、課后復習的時間。針對于此，在每次課堂教學中我們都會抽出5～10分鐘對所學重要知識點進行回顧和總結，在每章節的習題課中也結合工程實踐，引入一些學生可以獨立解決的工程小問題，采用啟發式、討論式的教學方式，不僅讓學生快速掌握章節的重要知識點，也樹立起學生對課程學習可解決實際問題的成就感，激發學生的學習熱情，達到事半功倍的教學效果。

二、教學過程中改進教學方式方法

（一）重視第一堂課《緒論課》，第一時間吸引學生眼球

在多年的教學過程中，不時有學生提出“林產化工專業的學生為什么要學化工原理？”的疑惑。他們普遍認為，作為以最具有發展潛力的綠色生物為研究對象的林產化工專業的學生，卻要花費一年的時間去學習相對成熟且應用于化工大生產的化工原理課程，是否值得呢？作為一線教師，如果不能第一時間透徹地給學生就這個“熱點”問題答疑解惑，勢必會影響學生后續的學習熱情和學習動力。因此，化工原理的第一堂課《緒論》尤其關鍵和重要。[5]一般來說，“緒論課”首先是從化學工業的發展歷程入手，介紹化工原理的誕生和發展歷史、課程研究內容、涉及相關領域等。其次，針對部分林產化工專業學生有畢業讀研或出國留學深造想法的特點，我們會介紹國外林產化工領域的知名專家教授。如：美國Uni？鄄versity of Wisconsin-Madison的知名教授Dr. James A. Dumesic課題組、美國University of Massachusetts？鄄Amherst的知名教授Dr. George William Huber課題組、西班牙皇家工程院院士Dr. A.Corma課題組等都是當前研究生物基化學品和生物質能源的領頭人。而這些專家學者的教育背景基本來自化學工程或相關專業，這讓學生懂得林產化工專業與化學工程專業的淵源相同，因此化工原理既是化工基礎理論課，又是林產化工專業不可或缺的專業基礎課。同時，提醒學生以后讀研或留學深造如果選擇林產化工、化學工程、生物工程、環境工程等專業就讀，學好化工原理極具優勢。通過以學生感興趣的“工作、讀研、出國留學”等為目標話題，潛移默化地引導學生樹立起“學好化工原理對于工科學生來說有百利而無一害”的觀點。endprint

（二）理論聯系實際，激發學生學習動力

如何調動學生學習積極性是每個教師必須思考的問題。在化工原理學習過程中，學生如果發現可以憑借課堂上抽象枯燥、晦澀難懂的知識點，去解決工程上甚至生活上的實際問題，必然會有很大的成就感，也就會有更強的學習動力。當然，教師在教學過程中，可以有意識地從一些與日常生活實際緊密聯系的現象出發，讓學生學會思考如何解釋這些現象，進而引出本堂課要重點講授的知識點，激發學生的學習動力和學習熱情，促使學生養成積極思考問題和解決問題的習慣。[6]例如：在講授《流體流動》章節時，引入城市下水道給排水工程的設計原理，提出在雨季時如何有效減小流動阻力，以避免淹水的問題，進而引出打造“海綿城市”的概念。在講授《流體輸送設備機械》章節時，引入人體心臟相當于血液輸送必備的泵，為全身提供血液循環，提出強身健體以增強心臟活力，提高心臟“泵”的揚程，避免攝入過多高熱量食品，以減小血液流動阻力，預防腦梗、心梗等疾病，進而引出養生對維持人體機能正常運轉的重要性。在講授《傳熱學》章節時，給學生提出浴室洗澡時大量蒸汽的提供和運輸問題，以及鍋爐房燒蒸汽的能耗問題，思考為避免熱損失，如何對蒸汽管道保溫以及如何提高換熱效果。在講授《蒸發》和《蒸餾》章節時，提出如何快捷有效地分離鹽水和酒水的問題，結合制鹽工業和釀酒工業，提出實際生產時應考慮能耗比等經濟性指標。在講授《干燥學》章節時，結合南方夏天梅雨季時間長、晾曬不易的特點，提出飽和濕空氣無法干燥、不飽和空氣干燥效果有差異的現象，進而引出濕空氣的若干理化性質，讓學生動手計算空氣的干燥能力等等。上述的這些問題既活躍了課堂學習氛圍，又大大調動了學生的求知欲和主動性。此外，課堂上我們引入一些有趣的小現象，通過類比思考，讓學生快速掌握重要知識點。比如：講授《傳熱學》中的傳熱阻力和傳質學中的傳質阻力時，可以引用城市交通的堵車現象來解釋阻力大小的關鍵點判斷，以及如何抓住阻力控制點以達到減小傳熱/傳質阻力的目的。講授《傳熱學》章節中対數平均傳熱溫差知識點時，指出班級里女生平均分一般都高于男生平均分的現象是由于女生的整體分值一般都比男生的分值要集中，進而揭示逆流傳熱效果優于并流傳熱的結論。上述這些實例可能不是很恰當，卻可以很好地吸引學生的注意力，進而深入了解每個不同單元操作的本質，思考單元操作過程中的目的和意義，從而掌握相應的知識點。

（三）靈活運用多媒體教學，彌補傳統教學的不足

隨著計算機網絡科技的發展延伸，運用多媒體輔助教學已成為當今教育的主流，其中的微課和慕課（MOOC）更容易讓學生直觀接受[7]，這兩者主要是以音頻、視頻為主要載體，包含教學設計、課件教案、教學評價、測試練習及學生反饋、教師點評等輔助性教學資源，可以突破傳統課程時間、空間的限制，依托互聯網滿足學生的學習。

在化工原理教學過程中，我們發現絕大部分學生由于很少接觸工程領域，往往對實際工業生產中所涉及的容器設備缺乏概念認識，難以理解其工作原理和內部復雜的結構，而這些知識點在課堂上很難直觀表達。[8]針對于此，我們充分利用互聯網等先進的信息技術，錄制了離心泵工作點詳解、精餾課程習題、傳熱過程知識點講解等微課課程，并著手于林產化工專業化工原理慕課（MOOC）建設，教學效果顯著。例如：在求取離心泵工作點課程中，我們運用Flash動畫直觀演示層流、湍流、過渡流的流線形成、離心泵內/外部結構以及著名的氣縛與氣蝕現象，通過動畫直觀模擬泵設備的工作狀態。學生可以通過這種直觀的虛擬仿真演示，第一時間掌握課程中的難點與重點，加深對單元操作原理的理解和相關設備的感觀認識，彌補學生在工程方面基礎薄弱的缺點。

三、以學生動手為目的，改進實驗教學

作為化工原理課堂教學的配套與延伸，化工原理實驗課教學在培養學生的動手能力、積累學生的工程實踐經驗、激發學生的實踐創新熱情方面起著至關重要的作用。[9]根據林產化工專業的培養要求，結合我校化學工程實驗中心的具體條件，我們在教學硬件上更新和增加了部分具有林產化工特色的實驗教學設備，有意識地提高了設計型、綜合型實驗比例，減少了部分驗證型實驗。由于現有大學本科教育中通識教育的過度重視，導致部分偏動手實驗的專業課程學時一再被縮減，造成學生工程方面訓練的不足。針對于此，我們在化工原理實驗教學大綱中除了保留傳統的流動阻力測定、離心泵特性曲線、傳熱、過濾、精餾、吸收和干燥等實驗外，還特意新增了管路拆裝實驗，即讓學生從最基本的管路組裝開始，鍛煉學生的工程應用能力。此外，作為江蘇省級實驗教學示范中心，我中心還增添了多功能反應精餾、超濾納濾膜分離、塔盤萃取和冷凍結晶等與林產化工行業密切關聯的實驗裝置。為彌補部分實驗裝置價格昂貴、占地空間大、資源相對匱乏以及某些實驗裝置具有一定危險性的不足，我中心于2015年開始著手虛擬仿真試驗中心的建設，與北京東方仿真等知名軟件公司合作開發具有林產化工特色的傳熱傳質單元操作與典型林化過程的實訓仿真軟件，使學生切實感受實驗裝置流程及操作步驟，著重培養學生的復雜工藝動手操作能力，加深學生對工程概念的理解和訓練。例如，松香胺產品是林產化工專業萜類化學與利用方向的主要產品，是核心專業課程《林產化學工藝學》中的主要內容之一，也是學生畢業實習的重點學習內容之一。[10]2016年我們以校外實習基地廣西梧州松脂股份有限公司、廣西桂林化工廠等企業的松香、松節油生產和松香胺生產為模本，與北京東方仿真合作開發“歧化松香三維虛擬仿真培訓系統”。該系統以工藝及設備仿真數據為基礎，開發三維虛擬現實展示并對外提供通用數據庫接口，為學生開展林產化工綜合自動化實驗教學提供一個專業流程的環境。工藝采用國內外主流生產技術，充分考慮現代專業企業的真實生產過程。整套流程覆蓋典型化工原理單元操作過程，具體包括松脂原料輸送、松脂熔解、熔解脂液的凈制、水蒸汽蒸餾分離松香、松香氨化脫水生成松香腈及松香腈高壓加氫生成松香胺等主要生產工序，所有工序包括過程操作參數的監測與控制（DCS系統），在線仿真培訓考核系統。該系統采用開放的軟件平臺和第一視角的虛擬仿真環境，可實現工廠數據的真實再現，真實還原實際工廠一線的現場狀態。為培養學生的工程實踐能力，我們還設計了部分可拆裝設備，以便學生拆裝、認識掌握設備內部結構，從而達到理論與實踐相結合。

可以看出，林產化工學科特色明顯，對學生的專業素養要求較高，對化工原理課程教學已不僅僅局限于傳統教學要求，更需要我們積極思考。通過合理安排教學內容、改進教學方法和手段、更新典型林化過程實驗裝備、引入虛擬仿真實驗教學環境等手段，為培養具有前瞻科學視野和工程實踐觀念的復合應用型人才打下堅實的基礎。

[ 參 考 文 獻 ]

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[4] 葉長燊，邱挺，李玲，施小芳，楊臣，林述英.化工原理課程體系中工程素質與能力的培養[J].化工高等教育，2016（3）：57-63.

[5] 林艷紅，袁曉玲，張桐江，孟繁雨.《化工原理》緒論課教學的重要性及授課策略[J].廣州化工，2016（6）：205-206.

[6] 晏麗紅，楊宗政.激發學生學習興趣，活躍課堂教學氣氛——化工原理課堂教學方法的探索和實踐[J].化工高等教育，2014（1）：105-108.

[7] 張琪，陳樂，韶暉.微課促進高?；ぴ斫虒W改革的應用研究[J].大學教育，2016（6）：155-156.

[8] 張桂軍，楊志遠，禹練英. 談《化工原理》學習方法——化難為易、化繁為簡[J].廣州化工，2009（6）：226-227.

[9] 呂海霞，楊志杰，張艷輝，尚龍安.基于應用型人才培養的化工原理實驗教改探索與實踐[J]. 化工高等教育，2016（1）：26-30.

[10] 安鑫南.林產化學工藝學[M].北京：中國林業出版社， 2002.

[責任編輯：羅 艷]endprint