“新工科”背景下《化工原理實驗》課程教學改革模式探討

覃芳(貴州師范學院 化學與材料學院，貴州 貴陽 550018)

0 引言

復旦共識、天大行動和北京指南，開拓了工程教育改革新路徑。“新工科”即指人工智能、智能制造、云計算、虛擬現實等新興專業，也包括將這些新興技術用于傳統工科專業的升級改造。未來新興產業和新經濟需要素質更高的復合型人才：實踐能力更強、創新能力更強、國際競爭力更強。為適應這一形式變化，我校積極參加了旨在為推動高校化工類專業“新工科”建設、提高本科化工類專業核心課程教學質量、提升教育服務化工行業發展能力而舉辦的大學生化工實驗大賽，并取得了不錯的成績。同時，我校針對《化工原理實驗》課程教學實際情況，結合參加化工實驗大賽的經驗，充分利用各種資源，采取了相應的應對措施，以期提高教學質量，培養符合國家需要的人才。

1 教學中存在的問題

1.1 教學設備陳舊

《化工原理實驗》的教學設備比較陳舊，實驗裝置簡單，所包含知識點比較少，操作容易，滿足不了“新工科”要求的訓練目標。

1.2 教學模式落后

大多數實驗教學依然傳統，多事注重實驗結果，即實驗前，要求學生預習，實驗中，老師先口頭重點講解跟測定裝置相關的原理，然后演示操作，學生依葫蘆畫瓢地操作實驗裝置，測定數據，完成實驗報告。實驗教學采用線下教學的形式。實驗項目多為演示型和驗證型，均是操作型計算。學生缺乏根據說明讀圖的能力、根據問題設計實驗方案的能力、動手能力的培養。

1.3 安全意識薄弱

比如學生在實驗前，不習慣檢查閥門是否處于關閉狀態；在CO2吸收實驗開啟氣瓶前，沒有先將流量計開啟一定開度；在傳熱實驗中，光滑管與粗糙管進行支路轉換時，先關閉上一管路的進出口閥，再開啟另一根管路進出口閥；在使用同時需要加熱和冷凝的裝置，先開加熱，后開冷凝；在精餾、吸收、傳熱、流體流動實驗過程中，沒有檢查液位的意識等。

1.4 實驗過程參與程度低

化工原理實驗以小組形式展開，小組分工大體分為操作、測量、數據記錄、計算三部分。當個成員無法進行全部操作，不利于學生實驗綜合能力的培養。

1.5 應急處理能力不足

比如在精餾或吸收過程中，學生看到即將出現淹塔或淹塔時，表現出手足無措。

1.6 理論聯系實際問題處理能力欠缺

化工原理的計算式都是在穩態下推導出來的，在實驗過程中往往不知道怎么判定 “穩態條件”。在進行精餾實驗時，不知道將達到穩態前收集的餾分排除掉。如測定離心泵特性曲線時，采用計算離心泵的揚程He，對各參數的單位是有要求的：Z、He 的單位為m；壓力P 的單位為Pa，且壓力的形式(絕對壓力或表壓)一致；ρ 的單位為kg/m3，學生在計算時，容易混亂。又如在恒壓下，用水蒸汽通過裸管傳熱，測定裸管散熱系數時，在計算熱量時，不知道運用相變熱遠遠大于顯熱，可忽略顯熱的思維；在吸收實驗過程中，CO2最佳用量不知道根據當地的氣壓、溫度、溶解度進行初步判定。

1.7 經濟意識不強

課堂上一再強調，工業生產要考慮經濟性，即在滿足產品生產要求的前提下，選擇操作費用和設備費用的最低時的工藝條件。比如在CO2吸收實驗測定時，老師給定一個范圍，多數學生習慣越多越好的選擇，而且在實驗結束后，不先關閉CO2鋼瓶閥門，造成浪費。

2 應對措施

2.1 更新教學理念、提高教學目標

新時代、新時期我國對工科人才需求發生了很大的變化，現時代需要具備實踐能力、動手能力、分析能力、創新能力更強的復合型人才。因此，在教學中要轉變以前以“教師教、學生被動學”為主的模式；要突出學生的主體、主動地位，更應注重學生的探索與實踐。在實驗項目設置時，增加設計型實驗，充分調動學生運用知識解決實際問題的能力。比如給定進料熱狀況、操作條件、產品要求，讓學生自己選擇合適的回流比，培養學生的經濟意識。

2.2 加大實驗投入

參加化工實驗大賽時，接觸到了更新的設備，裝置更先進。比如流體流動裝置能同時完成離心泵特性曲線、管路特性曲線、光滑直管阻力、粗糙直管阻力、局部阻力等是測定；板式精餾實驗裝置有多塊進料設計、增加了回流比的設置；吸收增加了循環水箱的設計；還有虛擬仿真試驗，能夠線上模擬實驗操作過程，保證每個學生都能有操練的機會，盡可能提高學生對實驗過程的參與程度。

百聞不如一見，課堂多次提醒的知識點，都不如親自體驗過，更讓人印象深刻。學校高度重視學生的教育，為了培養更優質的學生，購置了一批化工實驗設備，新建了虛擬仿真實驗室。新的化工實驗設備，閥門管件增多，能鍛煉學生具備更高知識基礎和讀圖能力；設計理念比較先進，比如循環利用的意識；比如精餾有多塊進料板位置選擇和回流比設置，可以進行設計型實驗。虛擬仿真試驗可以對學生進行專業的實驗安全教育培訓；幫助學生將自己的設計方案在盡可能短的時間內進行驗證，同時在實戰演練時，降低由于人為操作不當引起的儀器損失。

2.3 豐富教學形式

實驗教學也可以采用線上線下想結合的形式。在實驗課程開課前，進入虛擬仿真教學中的安全教育培訓，提高學生的安全素養；在實驗項目開始前，先利用我校購買的“雨課堂”將針對性問題以問答、選擇題等形式定時推送給學生，便于學生溫故知新，學生也可以將問題推送給老師，進行交流解答；在實驗中，先進行虛擬仿真教學，學生可以按照自己的想法進行嘗試實驗，根據仿真系統的評分界面可以保證每一位同學都有機會獨立地完成實驗操作、掌握操作要點，然后在實驗室進行實操，用于補充小組實驗由于分工不同帶來的綜合訓練不均衡的影響；課后，利用“雨課堂”、QQ 等形式就實驗問題進行探討或反饋。

2.4 更新教學模式

預習階段：借鑒喬納森“翻轉式”課堂的原理，將以前的實驗預習環節改為實驗方案設計，即實驗課前，告知學生實驗裝置圖、原料、以及相應參數、實驗目的，讓學生自己設計實驗方案、實驗步驟，增加“穩態”條件判定、計算公式單位注釋、CO2用量計算等環節，培養學生主動學習、主動思維的過程，充分調動學生的能動性，讓實驗變為以“學生為主，教師為輔”的實驗過程。根據特定實驗裝置設計實驗操作，促使學生通過各種途徑如“MOOC 課”、“B 站”、與教師探討等積極學習相關理論知識；觸發學生思考操作蘊含的原理；同時鍛煉了學生的讀圖能力。實驗過程：采用虛擬仿真與實操相結合的方式進行實驗教學，先利用仿真軟件能讓學生的實驗步驟在短時間內得到驗證也可以模擬突發情況如淹塔，模擬現象產生的條件、處理措施；再進行實操練習，加深學生對操作要點記憶和理解，也能減少實驗設備的損傷。同時，為了培養學生實驗前檢查管件閥門的意識，可以設置障礙，在保障安全的前提下，讓學生發現問題、分析問題、解決問題，既提高學生開機前必須檢查設備閥門的意識，也培養學生分析解決實際問題的能力。

3 結語

在“新工科”的背景下，《化工原理實驗》作為一門實踐性和工程性極強的專業基礎課程，必須進行升級改造；結合大學化工實驗大賽參賽經驗，為順應時代變化，必須更新教學理念、提高教學目標、加大實驗投入、豐富教學形式、改革教學模式，以期達到“新工科”的人才培養目標。