强化化工原理实验教学过程,提高教学质量

吴洪特 于兵川

(长江大学化学与环境工程学院,湖北 荆州 434023)

强化化工原理实验教学过程,提高教学质量

吴洪特 于兵川

(长江大学化学与环境工程学院,湖北 荆州 434023)

化工原理实验是化工类及相近学科学生的一门重要实践课。强化实验教学过程各环节,如实验预习,优化实验项目,加强师生互动,注重实验报告质量,完善实验成绩考核等,可以提高实验教学质量。

化工原理实验;教学过程;教学质量

化工原理实验是化学工程与工艺及相关专业的一门重要实践教学课程,是利用一系列参数测量技术来设计、组织和实施的工程实验,能够使学生建立起一定的工程概念,认识较为复杂的真实设备与工艺,锻炼实验操作技能及实验数据处理和结果分析的能力[1～2]。与化学实验、物理实验等相比,化工原理实验的流程和设备更复杂,需要测试的参数更多,数据处理量更大,而且常常需要采用图示法或回归法描述实验结果,这就决定了其实验方法与以前所学的课程不同[3～4]。

一、加强实验前预习,保证实验效果

加强实验前预习,是保证实验质量,提高实验效率的有效措施[5]。利用实验预习,学生应事先熟悉实验所对应的理论知识点、实验装置、测试参数及仪器,了解操作过程及注意事项,在实验数据记录本上列出原始数据记录表。学生如实验前不认真预习,临到实验时才看指导书,一边看操作步骤一边做实验,就难以掌握实验的主动权,即使做了实验也较难有一个深刻的印象,不能真正学到实验方法和技能。实验前预习分以下三部分进行。

(一)看书预习

实验前要求学生看实验教材及相关理论书籍。这样一是有利于学生复习课堂教学已学过的理论知识,如流体流动阻力的测定实验,其中就包涵了雷诺实验-流动状态、伯努利实验-能量守恒、流体在管道的流动-能量损失、工程问题处理方法-因次分析法等各知识点,覆盖了流体流动章节的所有内容;二是有利于培养学生查阅文献资料的能力,在预习中要求学生将实验所涉及的物性参数及所用仪器仪表性能、结构原理预先熟悉和了解。

(二)在计算机上做仿真实验

看书学习时,学生对操作原理相对容易了解,而对设备、流程就一头雾水。由于化工原理实验装置和流程比较复杂,测试及控制点又多,有些测试点又需同时操作,试验时一般分小组进行。对每个同学而言,只能接触整个实验操作的一部分,同时实验过程中不能直观地观察到实验操作所产生的结果,因此经过仿真实验预习后,学生对实验装置流程、操作步骤及应测试的原始数据就有了切实的感受,其实验操作能力、分析解决问题的能力由此大大加强,同时也激发了学生的实验兴趣。

(三)提前进入实验室现场预习

做实验前要求学生提前进入实验室现场预习现场预习可以熟悉了解设备、工艺流程、仪器、仪表管路、阀门等,不懂的地方可请教老师,这样可消除学生对化工原理实验装置的陌生感,做到心中有数如流体力学综合实验中,实验装置较大且复杂,管路多,阀门多,测控点多,操作部位多,对学生来说是比较复杂的一个实验装置。让学生提前进入实验室现场预习,熟悉设备,明白流程,理清管路,明了实验内容,这样就能使学生进实验室实验时得心应手,有条不紊,从而独立完成实验。

为了提高预习效果,我们开放化工原理实验室,并将相关的实验内容和实验资料全部挂到了学校的化工原理精品课的网页上,主要内容包括:实验教案内容及Power-Point实验课件、实验基础理论及相关理论知识、实验装置及实验相关零部件图片及设备原理动画等,学生可以不受时间和空间限制预习到相关的实验内容。

二、优化实验项目,强化实验质量

传统开设的化工原理实验有流体力学综合实验、板框过滤实验、传热实验、填料塔性能综合测定实验、精馏实验和干燥实验等。在对传统的化工原理实验项目进行认真研究、筛选和合理编排后,在每一个传统实验项目中都增设了若干个综合、设计型实验题目,学生可根据自身能力在传统实验或新增实验中自选其一来完成。如板框过滤实验增设了正交试验法在过滤研究实验中的应用实验,传热实验中增加了测定空气在不同内壁结构的圆形直管内强制湍流的努塞尔准数与雷诺准数的关系实验,吸收与解吸实验增加了不同填料类型对操作条件和吸收效果的影响等等。

实验过程不是按部就班的程序化操作,教师要设法创设问题情境,增设符合要求的新实验项目[6]。这些项目一般都是综合、设计型实验与传统实验内容的紧密结合或选用不同设备完成相同的过程。这样既可以避免学生因实验雷同,相互模仿抄袭,又能让学生在实验过程中发现问题,运用所学理论去分析操作变量和设备因素对化工过程及其质量指标的影响,学会正确判断和排除故障,以培养学生发现问题的能力。

三、师生互动,提升实验质量

化工原理实验是学生初次接触工程装置,如何上好实验课,讲解那些内容,这是实验指导老师必须认真思考的问题。实验讲解不能不讲,也不能面面俱到,应有意识地保留一些实验中经常发生的问题及常会犯的错误,采用提问的方式,让学生去发现思考。而要真正达到在实验中培养学生的动手能力、观察发现能力、思维创造能力,在学生预习的基础上,实验时老师不需预演,实验应全部由学生动手完成,并允许出错重做。这样完成实验的时间虽延长了,但学生实验的效果及动手的能力提高了。

由于课前学生进行了较好的预习,因此实验内容、流程、步骤、相关理论等可以略讲或不讲,而采用提问的方式请学生讲。如传热综合实验,可以先请一位同学介绍流程。同学一般都可以顺着流程方向说:风机(进风)——流量测量——流量调节阀——温度测量(空气进口、蒸汽出口)——套管换热(逆流)——温度测量(空气出口、蒸汽进口)。老师则可以针对学生的讲解及装置设备提出如下的问题请其他学生回答:传热过程是否存在热阻?其热阻是在管内还是管外,如何强化?过程强化以什么为代价?套管内管为什么采用黄铜材料?冷凝下来的蒸汽为什么要及时排走?装置上为什么设放空阀,有什么作用?管壁的温度是接近蒸汽还是空气?空气管与换热套管连接处为什么采用软管连接?问题提出来后,学生就积极思考、讨论并争着回答,如空气管与换热套管连接处为什么采用软管连接的问题,有同学说是为了节约、消除热效应等,老师再一一点评修正,这样学生认真思考、仔细分析的兴趣就被调动起来。在板式精馏塔性能的测定实验中,不仅仅让学生在正常操作条件下测理论板数及板效率,还要求学生测定全塔的浓度(温度)分布和塔釜再沸器的沸腾传热系数。这样让学生明白,通过改变塔釜再沸器中的电加热器的电压(实际是改变操作气速),塔内上升蒸汽量将会改变,全塔的浓度(温度)会改变,塔釜再沸器电热器表面的温度会发生变化,其沸腾传热系数也将发生变化,由牛顿冷却定律可得到沸腾传热系数与加热量的关系。这样让学生充分认识到一个参数的改变会引起整个体系的变化,同时温习传热-传质各理论点之间的联系。

在整个实验过程中,教师要经常巡视,勤于观察,具体指导,及时纠正学生的不当操作,并经常提问,启发引导和鼓励学生勤于动手,有意识训练学生的思考能力,调动学生的主观能动性,提高学生的实验动手能力,掌握实验技能。在实验指导过程中,必须根据学生实验过程中发现的问题或存在的某种现象,向学生提问释疑。

四、强调计算机软件应用,注重实验报告的质量

化工原理实验是利用一系列测量技术来设计组织和实施的工程实验,测试参数多,数据处理量大,常常需要采用图示法和回归法描述实验结果[7]因此,在实验报告中要求学生采用Excel和Origin软件处理数据、作图。如流体阻力实验中Re～λ曲线、Re～C0曲线、精馏实验中的理论板梯级图等,要求用Excel软件处理数据、作图,而离心泵特性曲线Q～H、Q～N、Q～η要求用Origin软件作图,要求学生学会一横坐标,三纵坐标的作图方法,利用Origin软件处理传热实验数据,用回归方程求经验公式中的常数等等,提高学生的实验数据处理和分析能力及计算机应用能力。

实验报告是实验过程的全面总结和系统概括,是实践环节不可缺少的重要组成部分,可反映学生归纳总结、分析问题和编写能力[8](P124～127)。因此在化工原理实验报告中减少了实验数据处理过程,注重实验结果的讨论,强调对实验现象和实验误差的分析,提倡学生采用小论文格式撰写实验报告。实验报告中的原始数据表需有实验时的老师签名,以确保原始数据的真实性,培养学生实事求是的科学态度,同时真实反映学生的实验水平,有利于教师公平考核。

五、完善实验成绩考核,切实保证教学质量

以实验报告来评定实验成绩,显然是不合理的,也不全面,不利于调动学生对实验操作的积极性。实验成绩考核应包括实验教学全过程,即实验预习、实验操作和实验报告[9]。其中实验预习是评价学生通过预习能否写出实验具体方案、设计原始数据记录表、提出思考问题,实验操作是评价学生实验过程的动手操作能力、观察能力、分析能力、解决问题能力、师生互动水平,实验报告是评价学生对实验数据处理及作图能力、实验结果分析、讨论能力。总成绩由这三个方面按一定比例计入。

强化化工原理实验教学过程的各个环节,是提高学生各种能力的关键,也是提高实验质量的重要保证。

[1]徐宁,牟建明,郑学伦.在化工原理实验教学中建立工程概念[J].实验室研究与探索,2005(7).

[2]艾宁,周欢怀,王定海.实验教学资源优化与创新型实验教学[J].实验室研究与探索,2008(6).

[3]钟理.提高化工原理课程教学质量的探索与实践[J].华南高等工程教育研究,2004(2).

[4]吴星义,杨国成.改革实验内容体系,提高实验教学质量[J].化工高等教育,2002(3).

[5]李瓯,朱锦忠,郑祖铭.在实验教学中提高工程实践能力[J].实验室研究与探索,1998(1).

[6]李微,施小芳,林述英.关于化工原理实验教学方法、内容改革的若干实践[J].化工高等教育,2006(6).

[7]徐涵庆.建设化工原理实验室的体会[J].实验室研究与探索, 1997(6).

[8]吴洪特.化工原理实验[M].北京:化学工业出版社,2010.

[9]郭庆丰,彭勇,余立新,等.在化工原理实验教学中培养学生综合素质及创新能力[J].化工高等教育,2004(1).

责任编辑 韩玺吾 E-mail:shekeban@163.com

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1673-1395(2010)05-0057-03

2010-06-11

湖北省教育科学十一五规划立项课题(2007B124);长江大学校级教研项目(J Y07018)

吴洪特(1963—),女,湖南长沙人,教授,主要从事化学工程与工艺教学及研究。