面向卓越工程师教育培养计划的化工原理课程创新教学的探索与实践

曾秀琳,梁 铣

淮南师范学院化学与化工系,安徽淮南,232001

面向卓越工程师教育培养计划的化工原理课程创新教学的探索与实践

曾秀琳,梁 铣

淮南师范学院化学与化工系,安徽淮南,232001

化工原理课程是化工类专业以及相近专业的一门重要的必修专业基础课,工程实践性强。针对本科化工原理课程特点,结合卓越工程师教育培养计划的实施,对化工原理课程的教学理念、教学内容、教学方法和考核方式进行创新性改革与实践,以培养学生的工程观点和工程能力。

化工原理;卓越工程师教育培养计划;工程观点

教育部 2010年发起的“卓越工程师教育培养计划”(以下简称“卓越计划”),是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010-2020年)》的重大改革项目,也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措,旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量的各类型工程技术人才,为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务,对促进高等教育面向社会需求培养人才、全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的示范和引导作用。“卓越计划”具有三个特点:一是行业企业深度参与培养过程;二是学校按通用标准和行业标准培养工程人才;三是强化培养学生的工程能力和创新能力[1-2]。为适应国家着力打造“卓越工程师教育培养计划”的目标,以及面向未来的化工类、材料类、设计类等工程行业对工程技术创新型复合人才的需求,针对化工原理课程的任务要求,淮南师范学院化工原理课程教学团队围绕着“卓越计划”指导精神,在教学理念、教学内容、教学方法、考核模式等方面都进行了创新探索。

1 化工原理课程的地位与作用

化工原理课程是化学工程、化工工艺及相近专业的技术基础课,它在基础课和专业课之间起着承前启后、由理及工的桥梁作用[3]。该课程主要以化工单元操作为研究对象,以物料衡算、能量衡算、平衡关系、传递速率、经济核算等基本概念为理论依据,掌握单元操作通用的学习方法和分析问题的思路,培养理论联系实际的观点和方法,具有涉及知识面广、工程实践性强、设备类型多样且结构复杂等特点。探索该课程创新性教学方法,激发学生学习兴趣,逐步培养学生的工程观念,提高学生处理工程问题的能力,才能使教学效果逐步适应“卓越工程师教育培养计划”的要求。

2 教学理念的创新

“卓越计划”是通过教育和行业、高校和企业的密切合作,以实际工程为背景,以工程技术为主线,着力提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。化工原理课程是综合运用自然科学的原理,考察、解释和处理工业生产过程中的工程实际问题的一门技术基础课程。因此,在培养学生树立工程观点、培育卓越能力方面起到至关重要的作用,在“卓越计划”实施和执行之中,意义不言自明。化工原理课程体现了理论与实践的高度统一,高校教师面对当前的教学改革,应迅速转变以往重理论轻实践的教学理念,切实从思想上重视工程实践教育,着力培育学生工程意识方面的特长与技能,为“卓越计划”的实施打下坚实的思想基础。

化工原理课程是一门以典型的单元操作为主要内容,以传递过程和研究方法论为主线的工程技术基础课程。强调学生用工程方法和工程手段将书本知识实现应用,即强化学生将理论的感性认识上升到理性认识,达到“学以致用”的目的。课程的教学理念应是让学生建立工程意识,用工程的价值观念来分析、解决工程实际问题。为了逐步培养学生的工程意识,教学中必须充分使用多媒体技术。介绍各个单元操作中一些相对抽象的概念和理论时,如流体的流动形态以及吸收塔中的气体吸收过程,为了给学生以生动、直观的信息,便于学生的理解,教学团队从网络上下载相关的图片和 flash动画,精心设计多媒体课件,生动形象地描述单元操作的原理和过程,把过去很难描述清楚的设备结构用三维立体动画和录像的形式清晰形象地展现在学生面前,使教学内容的实感性增强,授课信息量加大,学生印象深刻,从而使学生较好地掌握化工的基本原理、基本技能及研究工程实际问题的基本方法(如因次分析法、数学模型法、过程分解法等),收到了很好的效果。此外,教学团队还购买了一系列教学视频录像等辅助教学资料,在课外组织学生观看,加深对知识点的消化和吸收。

化工原理中各个单元操作看起来均独成一个体系,如果按照这个思路学习,学生无法将多个单元操作联系起来,当然更不能把单元操作与实际的生产过程联系起来,不利于工程意识的培养。为了能更好地将工程意识引入到课堂教学中,笔者在授课时特别注意阐述各个单元操作间的联系。如沉降、过滤及传热之类的单元操作与流体输送联系起来,可由柏努利方程解决料浆及滤液的输送、冷热流体的流动;找出精馏和吸收的共同点及二者的差别:基础理论都是相平衡,但精馏强调“理想溶液”,用拉乌尔定律,而吸收强调“稀溶液”,用亨利定律;将再沸器、冷凝器和换热器联系起来,其中涉及的计算均为传热过程的内容。不同的是再沸器、冷凝器中所涉及的物系均为混合物而已;所有的传质(如吸收、精馏、萃取等)过程都是一样的,传质推动力都是实际组成和平衡组成间的差值等。这种教学理念上的创新,为培养学生的工程能力创造了良好的气氛,也是贯彻“卓越计划”精神、培养学生工程技能的基础。

3 教学内容的创新

化工原理课程是继高等数学、物理化学等基础课程之后、专业课之前的过渡课程,起到从小型实验到大型化工生产之间的桥梁作用,学生的工程概念是通过这门课程的学习建立起来的。通过化工原理课程的学习,学生应掌握化工过程的单元操作基本原理、典型过程设备结构方面的基本理论知识和技能,获得过程工艺设计计算和设备选型及单元过程的操作分析的能力,为以后学习和应用更深、更新、更多的专业知识和实用技能打好基础。因此,应根据化工原理的课程要求,进行教学内容的创新性探索,以“卓越计划”的培养目标为导向,提升培养学生的教学目标。

3.1 由理论模型转向实际过程

作为基础学科的化工原理,学习和研究内容大都是理论模型,如管路流体流动、热量传递和传质过程的膜理论模型。当然,由理论模型可便于产生理论研究成果。而实际生产过程中,各种物质千变万化,设备形状千姿百态,人们面对的是一个真实而复杂的世界,理论模型对此显得无能为力。为了能在真正意义上实现“卓越计划”人才培养的目标,必须将理论中学到的知识模型与现实世界相联系,所学到的知识才更丰富、更有效和易于迁移。例如,在讲授流体流动这一节时,为了能让学生更好地理解分支管路中流量分配的特征,引导学生留心观察在用水高峰期与非高峰期学校各条管路出水量的大小;理解流体流动阻力的概念时,结合家庭装修中如何合理选择和铺设水管等具体问题来深入浅出地加以引导和启发;在传热学教学中,三种传热方式的介绍也与实际过程联系起来,以冬天皮肤接触铁、木块时人体的感觉介绍热传导,以龙卷风来临时出现的强对流天气介绍热对流,以家用红外线电暖炉介绍热辐射等。以冰箱背面的大量泡沫板来讨论如何有效地传热以及如何防止在传热过程中的热损失等相关的工程实际问题。这些与实际过程联系起来的方法,不但能充分培养学生的观察、想象和思维能力,强化对工程观念的检验和应用,同时也能培养学生对化工原理课程的学习兴趣,有利于工程观念的建立和提升。

化工原理作为一门实践性很强的课程,要熟练了解各种单元操作及其设备的原理,离不开实验教学;要从理论学习转向实际过程,更离不开实验教学。实验教学强调动手能力和知识综合运用能力,从实验方案拟定、实验步骤设计、实验流程装配、实验现象观察、实验数据处理和实验结果讨论等方面,有效地培养学生的实践动手能力和面向实际过程处理问题的能力;在基础实验、综合性实验的基础上,开设设计型实验和研究型实验,有助于培养学生的科研创新能力,给部分学有余力的学生以充分发展的空间。在实验教学中,首先根据教学目标把一节的内容进行整合,并进行整体设计,建构学生未来工作的情境,目的是用一套装置和一次实验达到由理论模型转向实际过程。例如,离心泵的性能测定实验,实验前先介绍一个拆开的离心泵塑料模型,结合叶轮、叶片、吸入管、底阀、排出管等图片一一予以说明,并根据图片让每位学生都尝试着安装。然后,将收集来的各种离心泵的铭牌展示给学生,最后,让学生动手做实验。在完成常规实验的同时,及时补充新的实验项目,增加综合设计型实验的比例,补充单元操作仿真实验,培养他们综合应用知识的能力、分析和解决工程实际问题的能力以及科研能力。

3.2 将方法论和工程意识引入课程教学

可以受益终生的工程意识。这样,学生今后遇到类似的实际问题,就可大胆地应用已学过的工程方法,解决工程实践遇到的问题。

4 教学方法和考核方式的创新

化工原理课程是以传递过程和研究方法论为主线的工程技术基础课程。其中,各单元操作和设备的开发、设计和操作过程中的问题都具有很强的工程性。解决问题也是以实验、分析为主,逐步形成理论、实践和计算三足鼎立的态势。为使学生掌握化工过程的基本原理和工程思维方法,培养学生分析和解决工程问题的实际能力,在教学过程中引入“方法论”和“工程意识”。化工原理课程中,除了少数简单的问题可采用数学解析法外,大多数问题都需要依靠理论指导下的工程化方法来解决。例如,流体流动一章的公式很多,特别是管路中流体摩擦阻力损失的公式分层流和湍流两种情况,层流情况的公式虽然只有一种,但湍流情况的公式多且复杂,两种情况混在一起,学生常常是糊里糊涂。为了便于学生理解,笔者授课时重点介绍范宁(Fanning)公式,即将层流和湍流两种情况的公式归结为一种:hf=λ·(l/d)· (u2/2),根据不同情况,公式中摩擦系数λ有不同的表达式。再如,求解无相变化时对流传热系数的特征数关联式,牛顿冷却定律把复杂的对流传热问题集中转移到对流传热系数T上,所以T的确定就成为着手解决的复杂问题。由于T的影响因素非常多,目前从理论上还不能推导T的计算式,只能找出影响T的若干因素,采用因次分析与传热实验相结合的方法,找出各种准数之间的关系,建立起T的经验公式。由实验知道流体无相变化时,影响对流传热系数T的因素有流速u、传热面的特征尺寸l、流体黏度_、流体密度d、热导率λ、比热容cp以及单位质量流体的浮升力UgΔt,以函数的形式表示为T=f(u、l、_、d、λ、cp、Ug(t)。 这 8个物理量涉及到 4个基本因次,即长度、质量、时间和温度。按c定理,此现象可用 8-4=4个独立的量纲为一的量(特征数)之间的关系式,使得实验研究可从原来考察 8个参数之间的关系减少为 4个无因次数群之间的关系,大大减少了计算的工作量,让学生切身体会到该法的方便性与实用性。

方法论和工程意识引入到化工原理课程教学中,能让学生转变理科思维中的精确观点,掌握工程上近似处理的思想和方法,从而使学生牢固树立起

对于化工原理课程,由于它在课程体系中的特殊地位,在教学和考核方式中更需要体现“授之以鱼莫如授之以渔”。化工原理课程的习题讨论课和考核,不仅在于讲授化工工程知识与计算方法,更要注重研究工程问题时的工程观点、工程方法,突出工程理论,所以习题讨论课教学过程中要精心组织,以提高学生分析问题、解决问题的能力。课堂习题课是以Problem-Based Learning(PBL)的教学模式进行,即首先提出问题,目的不是给学生提供参考答案,而是启发学生思考,引导学生运用已学过的知识,让学生自由发挥,不予以思路上的限制。这样的讨论课,能够让学生学会主动思考问题和发现问题,以及正确合理地应用所学知识解决问题。如“精馏”一章中有三种重要的关系和两个重要参数,即气液平衡关系、物料衡算和热量衡算,回流比和进料热状况参数。如何将这些知识点综合起来,并应用于设计型问题的计算和操作性问题的定性分析中,这些既是教学的难点,也是习题课的重点。在这个过程中,要求教师精心设计所讨论的题目,题目应该涉及一系列相关的基础知识及其在工程实际中的应用。在选题过程中,尽量本着由浅入深、因材施教的原则,将学生易出错的题目、综合性问题、操作型计算作为重点讲解内容。

面对“卓越工程师教育培养计划”,笔者对化工原理课程考试进行了创新性探索,包括考试内容、考试方式、成绩评定方面。整个探索过程以树立科学全面地评价学生综合素质为目标,知识与能力并重,引导学生勤于思考,敢于创新,乐于实践。考试内容上,侧重考查学生利用基本理论进行工艺过程设计和设备设计的计算。试卷中综合思考题、应用题、分析题所占比例达到50%以上。试题多为灵活性大、知识面宽、综合运用知识能力强的题目。题目设置尽量与实际工程建设有关,如从代表低位槽的水库向高位槽的水塔供水,水流在管路中的流动情况;离心泵的工作原理、特点;混凝土在管内流动的特点;换热器在化工生产中的应用要注意管壁热阻和污垢热阻以及如何根据实际情况设计计算总传热系数等。这样的考试内容与实际工程建设密切相关,对培养学生的工程思维,提高综合运用知识的能力十分有利。为使考试更公平、公正,并且体现“卓越工程师教育培养计划”的精神,将考试分成基础知识部分和综合能力部分。两部分所采用的考核方法也不同。根据教学内容,将基础知识按知识点进行归纳总结,每学完一个知识点,随堂测试一次,测验内容为学生要重点掌握的基础知识,如将流体流动和离心泵的知识点放在一起测试。综合能力采取笔试,期末集中进行。命题结合实际,试题灵活性大,有利于考查学生运用理论依据分析实际问题的能力。在考试成绩的评定上,加强对学生平时学习的考核,学生总成绩由平时成绩和期末成绩构成,按照一定比例加权,使最终课程成绩能真实反映学生的综合素质。

[1]龚克.关于“卓越工程师”培养的思考与探索 [J].中国大学教学,2010(8):6-7

[2]黄婕,齐鸣斋,刘田.强化工程观点培育卓越能力 [J].化工高等教育,2012(2):1-4

[3]王晓婷.关于提高《化工原理》教学质量的研究 [J].高等教育在线,2011(4):145-147

G642

A

1673-2006(2013)10-0086-04

10.3969/j.issn.1673-2006.2013.10.026

2013-08-30

淮南师范学院教学研究一般项目“化工原理课程体系改革与试卷库建设”(2012bssjk06)。

曾秀琳(1972-),女 ,安徽六安人,博士 ,副教授,主要研究方向:材料设计与模拟计算。

(责任编辑:刘小阳)