对理科化学专业化工基础实验教学的思考与建议

吕占霞 高珍 贺维军

(北京大学化学基础实验教学中心 北京100871)

化工基础实验课是我国高校理科化学专业的必修课，是化学工程基础教学的组成部分，是一门独立开设的实验课程。其教学目的是扩大和加深学生对化工基本原理、方法及重要概念的理解，提高他们解决综合问题的能力，并帮助他们树立工程概念和技术经济观点。化工基础实验中所涉及的一些处理和研究问题的方法在化学专业的其他实验课中是没有的，对提高学生科学素质所起的作用也是其他实验课程所不能替代的。同时，学习化工原理理论课和化工基础实验课也是日后实现研究成果向工业化转化所必需的。虽然理科化学专业的主要培养目标不是工程技术人员，但为了使科研成果尽快转化为生产力，理科学生必须能与工程技术人员搞好“接力”或能与工程技术人员互相“渗透”［1］。

1 理科院校传统化工基础实验课存在的问题

目前理科院校开设的化工基础实验课，重在巩固化工基础知识和练习化工基本单元操作，但在培养学生创新思维和科学研究能力上存在不足，主要表现在:(1)在教学内容方面，验证型的单元操作实验多，如流体阻力测定、离心泵特性曲线测定和精馏实验等;综合性和设计性的实验甚少，难以激发学生的学习兴趣。(2)在教学方法方面，学生完全按照操作规程进行实验，“照方抓药”，不利于学生思维能力的培养和发挥。(3)实验项目与学生遇到的实际问题联系不紧密，使学生对化工理论知识的实用性理解不够，导致对化工实验积极性不高。另外，理科院校对化工实验普遍重视不够，教学效果不理想是必然的。

随着化学和化工技术的不断发展，社会对化工专业人才提出了新的要求，不仅要求他们具备化工基本技能，还需要了解化工新技术，并具备创新意识和综合实践能力。只开设验证型的化工基础实验课，不仅不能激发学生的学习兴趣，也不能满足企业对化学和化工人才的需要。考虑到很多研究成果最终要转化为现实生产力，以及理论研究人员必然要和工程技术人员进行沟通，理科学校也应该立足于化工学科的新发展，更新和丰富化工基础实验的内容，充分调动学生的积极性，开拓学生的思维，培养学生的创新意识、工程意识、研究应用能力和综合能力，为日后科研成果的产业化打下良好的基础。

2 对化工基础实验教学改革的建议

(1)增加化工新技术实验，拓宽学生的科学研究思路。

随着社会进步和科学技术的发展，化学工程学科的新技术层出不穷，这些新技术对于培养化学学科的创新人才具有重要的意义［3］。超临界技术、膜分离技术、化工仿真技术、等离子体技术、超重力技术和微反应器技术等已不同程度地应用于化工的许多领域中，并产生了巨大的经济效益与社会效益。而在理科化学专业的化工基础实验课教学中，实验技术、实验设备特别是实验内容的更新速度很慢，限制了学生的视野。目前虽然在化工基础实验教学方面投入了一定经费对实验设备进行更新，优化了实验教学环境，但在实验技术和实验内容上几乎没有变化。

在新编《化学工程基础》教材中，除了“三传一反”(动量传递、热量传递、质量传递和化学反应工程)外［2］，增加了生化反应器和新型分离技术(如膜分离技术)等反映学科发展的新内容，但这些内容在许多理科化学专业的化工基础实验课中体现得很少，甚至没有体现。目前反渗透膜(RO膜)技术已广泛应用于实验室去离子水设备和家庭纯净水设备中;超临界技术已在医药、化工、食品及环保领域取得了很大进展;超重力工程技术是一项强化“三传一反”化工过程的新技术，可明显提高产品的产量与质量，已应用到化工、环保、医药、能源等领域;微反应器设备具有很大的比表面积，在传质、传热和恒温方面有巨大的优势［4］，已成功应用于有机合成、乳液制备等领域，取得了非常显著的经济效益与社会效益。建议在化工基础实验中适当增加这类实验内容，以拓宽学生的实验技术知识面。如果教学经费紧张或实验学时数有限，可以将这些新技术实验以演示实验的形式进行开设。

(2)增加化学反应工程实验内容，培养工程意识，提高学生科学研究能力。

目前，在理科化学专业化学工程的理论课教学内容中，化学反应工程的内容占有较大分量，但在化工基础实验中，除了传统的停留时间分布实验外，几乎没有反映化学反应工程的其他实验。化学反应工程实验内容与单元操作实验不同，它既包括化学过程，又包括物理过程，通过对反应系统中各种物理因素对化学反应过程影响的考察［2］，给学生提供一种研究反应过程的思路，能提高他们从事应用和开发研究的能力。因此，增加化学反应工程方面的实验十分必要。

为此，可以增加一些能用于合成反应的反应釜，学生可以利用这些反应釜将低年级做过的实验进行放大，研究其与小烧瓶或小试管实验的区别。为了达到这一目的，可以选用较容易实现的设施。以搅拌为例，一般情况下，学生实验中都采用磁力搅拌器，用磁子进行搅拌，而工业上使用的是各种各样的机械搅拌桨。为了让学生了解搅拌桨结构对反应过程的影响，可以采用冷模实验，如在化工基础实验室配备小型的玻璃反应釜和多种形式的搅拌桨，同时提供几种不同黏度的流体和示踪剂，让学生通过选择不同的搅拌桨及搅拌转数，研究其对不同黏度流体与示踪剂混合效果的影响，进而推断其对反应过程和反应转化率等的影响。

若有条件，亦可以采用热模实验，让学生了解化学反应工程放大过程中的温度效应和浓度效应。对于热效应突出的反应，在小玻璃瓶内反应时，由于反应物少，容易散热，往往需要加热;而在放大后，由于物料增多，放热量集中，往往就需要增加撤热设备。又如在小试时，反应物料可以一次加入;而在放大后，受温度效应和浓度效应的影响，往往需要分次或连续加入。总之，可以结合学校的实际情况，选取相应的化工过程进行放大效应实验，培养学生的工程放大意识。

(3)增添化工设备模型和备品备件，提高学生兴趣，改善教学效果。

在化工基础实验教学中，实验装置的各部件都是连接在一起的，学生只能按照实验步骤进行操作，对于泵、阀、流量计、热电偶等，只能观察到其外形，而无法了解其内部结构。这样会对理解相关理论知识产生困难。

为了使学生了解设备的内部结构，有必要添置相关化工设备的教学模型及备品备件实物。如增添离心泵模型，可以让学生看到其内部结构，深入了解离心泵输送流体的过程;增加雷诺实验演示仪，可让学生直观地观察流体流形的变化;还可以购置各种阀门(如球阀、闸阀、截止阀等实物)，或将废旧的阀门摆放在实验室，供学生拆卸和重新组装。这样能使学生了解各种阀门的内部结构和区别，对它们在不同场合的实际应用有更深刻的理解。此外，可以制作多媒体课件，将重要化工设备和泵阀的内部结构及工作原理以动画的形式展示给学生，使抽象的理论具体化，工程过程形象化。通过这些生动的演示模型、动画和可动手拆装的备件，不仅可以提高学生的学习兴趣，还可使学生更直观地认识到设备的工作原理。

(4)完善考核方法，将实际操作用于考核。

目前的化工基础实验课，一般都是从预习报告、实验操作(多是开关阀门、记录数据)、实验报告等几个方面考核。为了提高学生的动手能力和解决问题能力，可以根据情况增加操作方面的考核内容。例如:

①将实验装置中的某些小环节(如:涡轮流量计的拆装及清洗，带接头管路气密性的检测及解决漏气的方法，倒U型管压力计两液柱液面不等高时的排气泡操作等)作为考查项目。②将光滑管或强化管的传热实验作为考查项目，在不加热的情况下，考查学生的操作过程，并要求学生讲明白各操作步骤先后顺序必要性，如为什么风机启动或停转前要将旁路阀开到最大?为什么蒸汽发生器加热前要将其与水槽之间的连通阀全开?通过这些操作性考核，能够在考核学生动手能力的同时，让学生通过手脑并用，对实验中出现的问题和异常现象进行分析判断，找出问题之所在，进而提高分析问题和解决问题的能力。

(5)开放化工基础实验装置，充分发挥实验装置作用。

由于化工基础实验课是为本科高年级学生开设的课程，此前许多学生都在科研组进行了一段时间的研究工作，因此可以将教学中心现有的化工实验装置向他们开放，让他们结合在研究过程中感兴趣的问题，以小组为单位，自己设计化工实验过程和实验方案，共同研究并完成实验任务，解决研究项目中的具体问题。这不仅有利于激发学生的学习兴趣、培养他们的协作精神，还可使他们逐步了解将科技成果转化为生产力的过程。

目前，化工基础实验课一般只针对化学专业的学生开设，化工实验装置在较多时间处于闲置状态，不仅设备利用率低，也会导致装置中某些设备由于闲置引起问题。为解决这方面问题，可面向学校非化学专业(如环境科学、生命科学、基础医学和药学等专业)的学生开设化工基础实验选修课，一方面可以拓宽非化学专业学生的实验技能，提高他们的综合素质;另一方面，可以进一步发挥化工基础实验装置的作用［5］，提高资源的利用率。

3 结束语

我国现有理科化学专业化工基础实验课的教学通常注重培养学生的基本操作技能和数据处理方法，而工程概念和意识却较为缺乏，导致理科毕业生在工作时与工程技术人员难以达到很好的衔接。因此，建议在化工基础实验课中增加新化工技术实验、化学反应工程实验和研究型实验，以增强学生工程意识，提高学生解决实际问题的能力;还可在教学过程中增加相关教学模型、动画、实物和原理挂图等，提高学生学习积极性，加深对化工设备及其工作原理的理解。此外，在改革实验内容的同时，在考核方面可适当增加实际操作内容，以提高学生的实做能力和分析解决问题的能力。

［1］温瑞媛，严世强，江洪，等.化学工程基础.北京:北京大学出版社，2005

［2］马玉龙，祝志峰，周新花，等.大学化学，2002，17(4):22

［3］武汉大学，兰州大学，复旦大学，等.化工基础实验.北京:高等教育出版社，2005

［4］张纪领，赵罗生.舰船防化，2010(6):9

［5］傅延勋，杨伟华，瞿其曙，等.大学化学，2004，19(1):30