探究導向的化工原理實驗教學設計與實踐

王 娟， 鐘 秦， 蔡文彬， 劉 飛

（1.南京理工大學化學與化工學院，南京 210094；2.南京大學出版社，南京 210093）

0 引 言

化工原理是化工類專業一門重要的專業基礎課程，擔負著由“理”及“工”的橋梁作用。化工原理實驗是培養學生工程能力的重要實踐環節，是加深理論知識、認識工程問題、培養工程素養的關鍵環節，具有工程啟蒙意義。傳統的化工原理實驗主要為操作性或驗證性實驗，實驗組織流程包括學生結合教材預習、指導老師現場提問與講解、學生操作記錄數據、撰寫實驗報告等環節。學生參與實驗的興趣不高，部分學生懷著“完成任務、拿學分”的心理，教學效果不夠理想，主要體現在對工程問題認識不清晰、印象不深刻，甚至知其然不知所以然，與“金課”的標準還有一定的差距［1-2］。

全國各高校結合學情特點從不同角度開展了化工原理實驗教學改革［3-13］。例如，徐威等［3］開展的原理驅動啟發式教學，有助于學生更好地理解實驗流程；武莉婭等［3］通過融入信息技術強化實驗教學過程考核；秦曉麗等［12］將科研工作融入化工原理實驗教學，提高了課程的“兩性一度”。

另外，按工程教育專業認證要求，研究能力是化工原理實驗課程支撐的主要畢業要求之一［14-15］。而化工原理實驗學時少、學生工程知識積累不足，如何培養學生的工程創新能力是化工原理實驗教學的難點。

為此，筆者深入開展了研究導向［16-18］的實驗教學改革與實踐，引導學生在實驗準備、操作與撰寫報告總結過程中學會發現工程問題、學習研究問題的方法，有效提高了學生分析和解決實際問題的能力。

1 教學改革思路與創新設計

本文以南京理工大學“填料塔流體力學性能與氧解吸傳質系數測定”實驗（本文簡稱為吸收實驗）為例，闡述研究導向教學模式的設計思路和實施方法。

吸收實驗教學內容包括填料塔流體力學性能和氧解吸傳質系數的測定兩個部分，選用的吸收劑為自來水，實驗裝置委托北京化工大學設計加工，實驗流程如圖1 所示［19］。

圖1 吸收實驗流程［19］

實驗采用吸收塔和解吸塔雙塔聯合操作，在吸收塔內氧氣和水并流接觸形成“富氧水”，在解吸塔內富氧水解吸并釋放出O2轉變為“貧氧水”。具體教學改革措施如下。

1.1 實驗教材的修訂

實驗采用校內自編教材，包括實驗目的、原理、流程、步驟、數據記錄表格和思考題等內容。其中，數據記錄表格的設計是實驗的難點之一。多數學生對教材上的數據記錄表格僅是照搬使用，對表格的合理性和全面性缺乏深入的思考。為了提高學生的實驗研究設計能力，明晰實驗數據采集思路，教材重編時不再列出數據記錄表格，要求學生在預習環節完成數據表格的設計，并在現場教學中結合實驗裝置以小組討論的方式進行比較完善，最后對學生設計的數據表格進行現場點評，提高了課程的挑戰度。

1.2 設備的優化設計

為了便于學生認識和理解不同填料對氧解吸傳質過程的影響，實驗室同時設計安裝了4 套裝填不同材質和形狀填料的相同規格的氧解吸塔，并引導學生以小組合作的方式開展填料對氧解吸傳質系數影響的研究。如圖2 所示，包括瓷質拉西環、金屬θ 環、塑料星形的散裝填料和不銹鋼的波紋網狀規整填料。

圖2 不同材質填料的選擇（1∶1）

另外，在進行氧解吸實驗操作時，由于學生對實驗流程認識的不足，經常發生水倒灌入氧氣轉子流量計和氧氣緩沖罐的“事故”。為此，楊祖榮等［19］在吸收塔前設計添加了一個防水倒灌裝置，有效延緩了水倒灌進入氧氣轉子流量計的時間。然而，由于水無色透明，仍有很多學生在操作時由于未注意到防倒灌裝置的液位上升而誤操作。為此，將實驗中這個“小問題”列為本科生科研訓練“百千萬”計劃項目，并指導學生進行了深入研究，如圖3 所示。

圖3 實驗設計問題研究立項

1.3 教學資源的豐富

針對學生在預習階段對實驗流程和涉及的安全等問題認識的不足，錄制了實驗現場指導視頻，并在中國大學MOOC平臺上線。

為方便學生查閱實驗涉及的相關學科知識，基于南京大學出版社智學平臺（http：/ /njupco. study100.net），以知識圖譜的方式構建了包含化工原理實驗在內的化學工程與工藝專業課程群。通過知識圖譜學生可以方便地查找定位和實驗相關的知識點視頻。如圖4 所示為吸收實驗與化工原理理論課程關聯的知識圖譜，點擊“吸收實驗”，還可以呈現實驗相關的重點或難點，進一步點擊學習，如圖5 所示。

圖4 吸收實驗與化工原理關聯知識圖譜

圖5 吸收實驗重點和難點分布的知識圖譜

1.4 參數檢測與控制儀表的設計

為了讓學生了解現代化工生產過程參數自動檢測與控制情況，本實驗設計安排了兩套流量和壓力測量儀表，包括就地顯示儀表和遠傳儀表，清晰呈現出“現場”和“控制室”的概念。例如，水流量既可以從圖1中的水轉子流量計（就地顯示儀表FG302）讀出，還可以通過渦輪流量計（遠傳儀表FI302）的自動檢測在控制柜讀出；空氣流量既可以用空氣轉子流量計FG301檢測，還可以通過采集孔板流量計FI301 的壓降進行計算。

為方便學生學習，本文補充了吸收實驗與化工儀表和過程控制課程的關聯知識圖譜，如圖6 所示。點擊“檢測元件與變送器”模塊，還可繼續學習溫度、壓力、流量、液位等參數的檢測與變送相關知識。

圖6 吸收實驗與化工儀表和過程控制課程關聯的知識圖譜

1.5 實驗故障的溝通與處理

長期實驗教學中發現，學生在操作中遇到問題時不善于主動分析與思考，遇到問題習慣直接找老師求助，例如，“老師，我們那套設備壞了，氧氣壓力很高了，吸收塔內都沒有氣泡”“老師，我們那組流量計壞了，全開了都沒有水”等等。為此，要求學生在講清楚故障后，分析可能的原因和初步的處置辦法，例如，“我認為可能是水循環罐液位太低，導致水泵發生氣縛，加水后仍不能送液，可能是泵內有氣體積存，我想用扳手打開泵蓋板處螺母排氣檢查下?！钡鹊?。

如果能夠對設備故障有一定的判斷和思考，并能在與老師的交流中獲得指導從而解決問題，即使“誤操作”或“誤判斷”也不會被扣分，還有可能加分。通過這樣的方式有效促進了學生的主動研究與思考，一方面提升了實驗課程的高階性與挑戰度，同時，學生的實驗專注度和小組討論熱情明顯提高，甚至其他小組遇到了問題，也會躍躍欲試。

1.6 實驗報告的撰寫

除了常規實驗報告內容的撰寫要求，我們還十分重視指導學生注意有效數字、圖表規范、數據處理和實驗心得體會等部分的表達，還希望學生對實驗流程設計、實驗裝置安排和實驗教學組織提出改進建議，鼓勵學生的批判性思維。例如，有學生在“心得體會”除了表達“通過實驗對相關理論理解更加深入”等，還提出：“填料由于長期使用，有的表層部分氧化變色或結垢，建議定期清洗或更換填料”“實驗過程氣泵一直工作，空氣溫度升高較多，影響實驗結果，建議采用控溫措施”等建議。反饋出該生在實驗過程的細心觀察和思考。

2 研究導向教學的實施

基于上述研究導向的教學創新設計，通過對實際工程問題的提問、追問和討論，引導學生對實驗進行深入的理解和思考，并對1 或2 個具體問題進行深入的研究，初步學習開展研究性學習的方法，教學效果明顯提升。

2.1 課前“導學案”的設計

“導學案”主要由和實驗相關的一系列思考題組成，思考題的設置主要希望學生通過查閱資料熟悉實驗相關的工程背景，復習理論課程的相關知識，如填料層高度的計算方法、總體積傳質系數的定義、“氣膜控制”和“液膜控制”的特點等［20］，為實驗方案的設計提供依據。

例如，課前要求學生思考，若需強化O2解吸傳質過程，可采取什么措施？這是一個相對開放的問題，在實驗現場筆者對學生提出的措施進行了深入的討論。

大多數學生提出了“增加氣體和液體的流量”的強化措施，因此追問：“增加哪種流體的流量更有效？”引導學生從O2難溶于水的物性分析，認識到傳質過程為“液膜控制”過程，傳質阻力主要集中在液膜內，增加液體的流量更有效。

另外，從吸收的操作條件角度考慮，學生很容易提出升溫、減壓有利于O2解吸的措施，這里重點引領學生從工程角度分析升溫和減壓的工程可行性，例如，升溫或減壓由于耗能而帶來的操作費用提高，減壓由于需要設備的密封及材料的耐壓而導致的設備成本的增加和相應的安全問題等。

通過討論，學生對強化傳質的實驗方案設計就了然于胸了。

2.2 課中在現場對工程問題的研討

課中的提問與研討主要圍繞現場實驗流程和實驗方案展開。

例如，讓學生根據現場實驗裝置判斷O2解吸操作是加壓、減壓還是常壓條件？

因為理論上減壓有利于解吸，不少同學想當然地認為解吸一定是在減壓條件下進行，卻沒有注意到現場水循環罐和解吸塔頂氣體排出口都是與大氣相通的。

有學生會問：“為什么解吸不在負壓下操作，這樣O2解吸效果不是更好嗎？”

我們從實際工程應用的角度引導學生理解這個問題。雖然解吸塔負壓操作O2更容易釋放，同時對設備的密封、材料耐壓等要求會導致設備成本明顯增加，因次，工程上一般吸收操作采用加壓，解吸操作則為常壓，相對于吸收，解吸過程的壓力還是下降了。

再如，解吸塔底貧氧水的排出管為什么設置成U型？多數學生都能回答出是發揮液封的作用。進一步追問理論課流體靜力學方程應用章節講過的液封原理與作用，不少學生想當然地認為是防止空氣或水倒灌。那么我們就引領學生分析：“如果確實發生了流體的倒灌，其推動力是什么？”答曰：壓強差。而外界壓強是大氣壓，若產生壓強差，塔內應是負壓，這顯然和實際情況不符，通過這樣的逆向分析，培養學生的工程思維，提高學生分析和解決實際問題的能力。這個例子也反饋出學生對理論的理解與實際應用的差距，加強實驗、設計等實踐環節的教學指導十分重要。

2.3 創新意識的啟迪與培養

我校來自安全工程和應用化學專業的3 名二年級本科生依托科研訓練計劃項目對本文1.2 所述的防倒灌裝置進行了研究，先后提出了增加無水硫酸銅內涂層、內置防水貼和增加液位報警器等6 種改造方案，并對其可行性進行了比較研究，撰寫了研究報告，在結題答辯中獲得了評委老師的好評。如圖7 所示為他們設計的部分研究方案示意圖。如圖8 所示為采納學生研究方案加工的防倒灌裝置實物。

圖7 防水倒灌報警裝置部分改造方案

圖8 改造后的防水倒灌裝置實物（1∶1）

通過上述研究項目的開展，學生查閱文獻、動手能力、創新意識和報告撰寫等綜合能力有了明顯的提升，改造過程中充分研討了裝置使用壽命、對實驗系統的影響和相應的經濟成本。尤其是將他們的設計加工成實物并用于實驗裝置時，他們感到獲得了極大的鼓勵，明顯增加了專業自信。

2.4 職業工程素養的培育

研究導向教學重視學生職業工程素養的培育，例如，為了避免實驗中大量用水的浪費和直接自來水供水可能存在的水壓不穩定、相鄰裝置用水量不同而互相影響等問題，增設了水循環罐。再如，在氧解吸實驗采樣后，經常發生同組學生全部集中在O2分析儀處，實驗設備無人監控，水泵、氣泵均在工作，O2也一直在釋放中，表現出小組同學沒有合理的分工，同時缺乏節能的意識。

另外，學生在調節氧氣緩沖罐壓力時要么十分認真，臉部幾乎湊近壓力表；要么只顧低頭調節氧氣緩沖罐進口閥門，眼睛不觀察壓力表等現象，這都不符合安全操作規范，需要在課堂上示范和糾正，潛移默化培養了學生的工程素養。

3 結 語

針對化工原理實驗教學對學生的研究能力培養的不足，按工程教育認證要求和一流課程標準開展了研究導向的教學改革與實踐。對實驗方案設計和操作過程隱含的實際工程問題進行了凝練和梳理，從實驗講義修訂、實驗設備優化、教學資源豐富、實驗故障處理、和實驗報告撰寫等視角進行了實驗教學創新設計。研究導向的化工原理實驗教學模式的開展，激發了學生積極參與研究性學習與討論的熱情，提高了學生自主設計實驗方案、撰寫規范實驗報告和實驗動手能力等綜合實踐能力，培養了學生的創新思維和工程倫理素養，提高了課程的高階性、創新性和挑戰度，有效支撐了畢業要求的達成。