化工實驗儀器功能開發與實驗課程體系建設

張 紅, 林瑞年, 龐秀言

(1. 河北大學 化學與環境科學學院, 河北 保定 071002；2. 河北大學 化學國家級實驗教學示范中心, 河北 保定 071002)

高校對于本科實驗課程的投入力度不斷加大,但是存在實驗儀器功能“單一化”、實驗內容“孤立化”等一系列問題[1]。如何充分挖掘儀器性能,設置綜合性、研究型實驗項目,為學生提供探究性實驗平臺與科學的教學指導是重中之重[2-3]。理工科院校化學、化工及相關專業均開設“化工基礎”或“化工原理”及相關實驗課程[4-6]。我院“化工基礎實驗”獨立設課,課時經歷了由批準為國家級實驗教學示范中心前的36學時到成立后的60學時(化學、材料化學、高分子材料與工程專業)的變化,還要保證每年10%的實驗更新率。相比于實驗教學示范中心成立前,化學等專業實驗學時增加了近一倍，而實驗室面積增加不足50%,實驗室場地現狀制約了通過大量購置新儀器來增加實驗項目方案的實施。同時,學生研究及創新能力的培養對實驗項目的設置也提出了更高要求。本文將探討化工基礎實驗室在我院化學國家級實驗教學示范中心成立10年的建設過程中,如何通過儀器功能開發助力綜合性、研究型實驗平臺搭建,進一步通過綜合性、設計性實驗項目設置與實施，以及實驗成績管理、課程師資安排、教材建設等方面助力“實踐教學”,培養學生科研思維與創新能力。

1 購置實驗儀器力求儀器功能多元化

鑒于實驗場地限制,在更新及新購置實驗儀器過程中,將儀器功能多元化作為主要考核目標之一。例如,將原來只能進行離心泵性能參數測定的實驗儀器更新為流體力學綜合實驗裝置,可以分別完成流體流量測量與流量計校驗、離心泵特性曲線測定、流體阻力測定等多方面實驗內容；將單釜反應器流動模型檢驗實驗儀更新為可分別實現單釜及三釜串聯的連續攪拌釜式反應器；將間歇精餾實驗儀更新為連續精餾實驗儀,使可考察因素滿足綜合性、設計性實驗的要求；購置的中空纖維超濾膜分離儀可以分別考察不同截留分子量膜分離器的獨立、串聯、并聯等不同設備因素及操作條件下的分離能力測定。儀器功能“多元化”可實現一機多實驗,從而節省了實驗場地,同時為完成綜合性、設計性實驗奠定了基礎。

2 改進“標準化”裝置,提高儀器性能

根據實驗內容需要,對原有“標準化”“商品化”儀器進行適當改進,為設置綜合性、設計性實驗提供保障。精餾為典型化工單元操作,是化工基礎理論與實驗課程必修項目[7-9]。對于購置的連續精餾實驗儀,為了拓展儀器性能,增加實驗內容的設計性,使影響分離能力的設備因素(例如填料塔填料形式)、操作因素均可以作為考察變量。在原廠家提供的單一陶瓷拉西環填料塔的基礎上,自行更換為4種不同填料(增加了不銹鋼θ形壓延環、玻璃彈簧、金屬絲網θ環),以便同時考察填料設備因素對分離能力的影響。對于填料吸收實驗儀,為了同時考察填料高度對分離效果的影響,在原來單一塔頂尾氣濃度檢測的基礎上,增開取樣口取樣,檢測在不同填充高度上的吸收效果,以同時體現填料高度設備因素對吸收分離的影響。對于購置的以濕物料干燥特性測定為目的的流態化干燥實驗儀器,通過改進物料支撐柵板、實驗物系,為拓展完成固體流態化特性曲線提供了保障,使流態化干燥實驗條件選取有了理論依據。

3 綜合性、設計性實驗平臺的搭建

功能多元化儀器的購置以及以研究為目的儀器功能改進為綜合性、設計性實驗平臺的搭建奠定了基礎,使化工基礎實驗室可開出的綜合性、設計性實驗項目達到60%以上。例如:利用流體力學綜合實驗裝置,學生在液體流量測量與流量計校驗實驗中認識到了流量測量方法的重要性；機械能損失測量與離心泵特征曲線測定的結合，使學生對流體流動規律與輸送的必要性形成了完整的概念；改進后的連續精餾實驗裝置,既可以利用任何一臺儀器進行不同操作條件下分離能力的測定,還可以在相同物性因素、相同操作條件下,評比任意組合的2臺、3臺或4臺不同形式填料柱的分離能力,該實驗內容的實施不但可以培養學生的實驗設計、組織協調能力,同時可以培養學生間的團隊合作精神；改進后的流態化干燥實驗裝置,學生在進行干燥實驗之前,首先以與干燥實驗粒徑、密度相近物料進行固體流態化實驗,認識什么是流態化現象及控制方法,并依據測定的流態化曲線來安排、實施濕物料的流態化干燥實驗,使學生對流態化干燥實驗中實驗條件的選擇與控制依據一清二楚,增加了實驗的設計性、連貫性,避免了“盲目操作”。

4 實施“啟發式”教學模式

為了使學生充分利用儀器功能,運用所學知識進行實驗方案設計并實施的研究能力得到充分鍛煉,在每一個實驗的組織與實施過程中,堅持以學生為中心、指導教師進行輔助“引導”的指導思想。對于綜合、設計性實驗,實驗前,指導教師首先對儀器性能做現場介紹,要求學生課下結合實驗教材進行多因素實驗方案設計。在實驗項目運行前,檢查學生預習情況,并進一步對設計方案給出指導性建議。以連續精餾實驗為例,鼓勵學生既可以設計以1臺儀器為基礎的連續精餾分離能力測定方案,考察多種操作條件對分離能力的影響；還可以將2臺、3臺甚至4臺儀器組合,同時考察操作因素、填料設備因素與分離能力的關系,最終得到探究性的結論,并篩選出最佳分離方案。又如,在進行流態化干燥實驗前,通過提出什么是流態化現象、實驗中所用空氣流量選擇依據、影響流態化速度的因素等問題,使學生意識到要進一步利用該儀器,選擇與干燥實驗中粒徑、密度均相近物料測定出保證固體流態化狀態的空氣流量范圍。在啟發式教學模式下,儀器功能發揮最大化,學生設計實驗、動手操作、綜合分析問題的能力得到明顯提高。

5 建立綜合、客觀的實驗成績評定體系

傳統實驗教學通常粗略地以實驗速度、實驗結果和實驗報告來評定實驗成績,忽略學生在實驗過程中的創新思維與對實驗結果的綜合分析。結果不利于學生創新與研究能力培養,也有悖于研究設計性實驗平臺設置的初衷。為了緊跟項目設置的變化,充分考慮實驗平臺的特征,化工基礎實驗成績評定大膽摒棄傳統評定方法的局限性,遵循重過程、輕結果的原則[10],將實驗成績分成平時成績與考核成績兩部分。

實驗考核成績占比30%,在所有實驗結束后以試卷答題形式進行,重點考查實驗原理以及實驗操作、數據處理中的注意事項。平時成績占比70%,注重考查學生在每個實驗項目實施過程中的考勤(5%)、預習(方案設計,15%)、認知與創新(10%)、實際操作(10%)、實驗記錄(10%)、實驗結果(10%)與實驗報告(40%)。實驗報告成績由實驗目的(5%)、實驗原理(15%)、實驗裝置圖(10%)、操作步驟(10%)、數據記錄(10%)、數據處理過程示例(20%)、實驗結果(10%)、結論與結果分析討論(20%)8項組成。

該評定體系從創新與認知、動手能力、獨立完成報告、科學分析實驗結果等方面綜合考查學生的實驗技能與素質。實踐證明,該考評體系可以全面、綜合、客觀地反映學生的實驗能力,得到了師生的一致認可,并得以在全院其他實驗課程中推廣。

6 理論課程與實驗課程相輔相成的教學方法

為了理論與實踐實時、實地的結合,在化工基礎實驗課程與理論課程的人員安排上,遵循理論課教師同時指導實驗課程的原則,防止專職實驗教師忽略原理只講操作，而理論課教師空講原理不求應用。實踐證明,理論與實驗的有機結合可以使二者相互促進,既提高了學習效果,同時又能激發學生的學習興趣。例如,理論課上機械能衡算方程的應用，要求2個衡算截面上壓強表達方式必須一致,“抽象而空洞”的重點強調仍然被學生忽略。教師可以借助離心泵特性曲線測定實驗實地引導學生認識壓強的測量方法、泵的入口截面與出口截面測壓形式、在計算泵的揚程時截面壓強帶入方法。既回顧并強化了理論教學,又及時預防了學生在處理數據過程中出現錯誤。又如,精餾理論課上“恒摩爾流率”假設是精餾段、提餾段物料衡算的重要理論依據,要求忽略汽-液傳熱、傳質過程的熱損失并假設分離對象相變熱相等。在精餾實驗中,教師可以實時、實地地引導學生觀察精餾柱的真空夾層及外保溫結構、分離物系組分的等摩爾相變熱特點來理解“恒摩爾流率”規律,使理論與實驗相得益彰。

7 完善課程實驗教材內容

實驗課程有一套與實驗項目及理論課程匹配的實驗教材對于學生預習至關重要。化工基礎理論課教材一般為經典教材,而實驗儀器指導書由儀器生產公司編寫提供,使得指導書內容與課程理論之間存在一定差距,并且符號體系不能保持一致。為便于學生使用,從2000年開始著手于實驗教材的編寫,經過多年的實驗教學實踐,不斷完善實驗內容,該教材于2009年由化學工業出版社正式出版[11],并于2016年因實驗項目更新及儀器的引進而進行了教材的修訂再版[12]。由于實驗教材及時跟上了理論課程與實驗內容的更新,便于學習使用而得到了學生的好評。

8 結語

多年來,化工基礎實驗課程本著通過實踐教育來使學生全面發展、培養學生創新能力的教育宗旨,通過對儀器功能的完善與開發,使得綜合性、設計性實驗開出數目達到8個,占總實驗開出數目的60%以上。課程運行體系逐步完善,具有配套并不斷隨實驗內容更新的實驗教材、認真盡責的教學團隊與客觀公正的成績評定體系。學生對課程的評價在95分以上,學習興趣與動力明顯提高。培養的本科畢業生在被推薦或報考到中國科學院、天津大學、南開大學等高校后,無論是其科研思維能力,還是動手實驗能力，均得到了對方院校的認可。同時,化工基礎課程獲批校級精品課程、課程組教師完成出版相關實驗教材2部[11-12]、發表教改論文7篇[13]，《以培養創新型人才為核心,深化化學實驗中心教學內容及管理體系改革》獲批省級實驗教改項目,并榮獲二等獎。

參考文獻(References)

[1] 唐力,張文娟.實驗創新教育與創新人才培養[J].實驗技術與管理, 2017, 34(5):11-13.

[2] 王文禮,劉懷.關于提高實驗室設備利用率的問題與措施[J].實驗技術與管理, 1994, 11(1):42-44.

[3] 郝聯芳,任耀輝,張金選,等.更新開發大型儀器功能提高使用效率[J].實驗室研究與探索,2008,27(5):140-141,153.

[4] 北京大學化學與分子工程學院.本科生課程設置[EB/OL]. http://www.pku.edu.cn/education/kcsz/bkskcsz/index.htm?deptid=00010.

[5] 蘭州大學精品課程.化工基礎[EB/OL].http://202.201.1.71/meol/homepage/common/index_jpk.jsp.

[6] 武漢大學化學與分子科學學院.武漢大學化學與分子科學學院本科人才培養方案(2013版)[EB/OL]. http://www.chem.whu.edu.cn/bkspy/pyfa.htm.

[7] 武漢大學,蘭州大學,復旦大學.化工基礎實驗[M].北京:高等教育出版社,2005.

[8] 武漢大學.化學工程基礎[M]. 2版.北京:高等教育出版社,2009.

[9] 陳敏恒,潘鶴林,齊鳴齋.化工原理[M]. 2版.上海:華東理工大學出版社,2013.

[10] 李少龍,陶偉涵,金愛娟,等.關于大學理論課與實驗課結合的探究[J].上海理工大學學報,2016,38(4):383-386.

[11] 馬志廣,龐秀言.基礎化學實驗4：物性參數與測定[M].北京:化學工業出版社,2009.

[12] 馬志廣,龐秀言.基礎化學實驗4：物性參數與測定[M]. 2版.北京:化學工業出版社,2017.

[13] Pang X Y. Knowledge framework building of “Chemical Process and Equipment” course [J]. International Education and Research Journal,2017,3(2):48-49.