林业高校林产化工专业开展化工原理教学的一些想法

顾晓利+陈慕华+姚建峰+徐勇+王飞

[摘 要]化工原理课程强调理论与实践紧密结合，不仅对学生要求较高，而且对教师如何开展有效教學也提出了很大的挑战。根据化工原理课程自身特点和林产化工专业的教学需求，对课程的教学内容、教学方式、实验教学等多个方面进行改革探索，可有效加强学生对典型林化过程中单元操作的理解，培养具有工程观念的专业人才。

[关键词]化工原理；林产化工专业；教学改革

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）09-0039-03

化工原理属于偏工程应用性的专业基础课程。该课程涵盖工业生产的典型单元操作过程，以“三传”过程（动量传递、热量传递、质量传递）贯穿整个课程体系，着重研究典型工业生产过程中所涉及的基本原理、设备选型及计算，内容覆盖范围广，知识面要求高。[1][2]在林业院校林产化工专业的课程体系中，化工原理课程一般开设在大三学年，即学生大一、大二完成自然科学基础课之后，大四开始专业特色课之前，具有承上启下、从理论到实践的过渡作用。[3]

参考国内外同行高校对林产化工专业的方向定位，结合南京林业大学的办学特色，本教研室对化工原理课程的教学改革实践进行了一些初步的探索和归纳，其落脚点是提高学生的工程素质、培养学生的双创意识、塑造学生的可适性，进而全方位提升学生的专业综合素养。

一、根据林产化工专业的特色安排教学内容

林产化工专业特色是采用化学与生物化学的方法，将林业资源加工转化为高附加值产品，要求学生系统掌握化学化工基础理论知识，以及森林植物资源化学加工和生物化学加工的基本原理。针对于此，我们首先完成常规化工原理的教学内容，系统讲授流体流动、流体输送设备机械、沉降与过滤、传热学、蒸发、蒸馏与吸收、干燥学等传统单元操作，在此基础上增加了新型分离传质技术，如萃取、结晶、吸附、膜分离等具有鲜明行业特色的单元操作过程。例如，针对林产化学品混合装置应用广泛的特点，我们在《沉降与过滤》一章中增加了“如何针对林产化学品产物特性，设计有效混合搅拌装置”的提高内容。在《传热学》一章中，针对林源天然产物属热敏性物料、分离操作温度不能太高的特点，我们增添了低温传热过程的原理和设计方法，精简了热辐射的教学内容。在《干燥学》一章中，着重讲述了天然产物提纯所必备的冷冻干燥技术，并介绍了近年来开发的介电干燥新技术。在《结晶与萃取》一章中，重点介绍了针对天然产物的低温结晶技术和超临界CO2萃取技术。通过有针对性的增减教学内容，使化工原理课程教学不仅仅满足于基础传递过程的单元操作理论教学，而且结合林产化工行业特色，紧密联系林化行业实践内容，使得学生“出得课堂，入得厂房”“学有所用，学有所成”。

习题练习是学生学习过程中有效的辅助教学手段。通过适量的习题练习，让学生强化课堂上较为抽象的理论知识点，掌握分析问题和解决问题的能力。[4]遗憾的是，现有国内外化工原理教材中，与林产化工相关的例题和习题几乎没有，主要原因在于传统化工原理习题集与林产化工背景相差太大，导致学生很难深刻理解各单元操作在林产化工中的实际应用。因此，我们借助各种渠道，从图书馆、设计院、工厂、网络平台等收集林产化学加工工程相关的单元操作例题和习题。例如，从许振良主编的《绿色分离工程》、安鑫南主编的《林产化学工艺学》、J.D. Seader主编的《Separation Process Princi？鄄ples》、W.L. McCabe主编的《Unit Operations of Chemical Engineering》等教材中寻找具有林产化工专业特点的练习题，从而让学生深刻理解单元操作理论以及如何解决林产化工行业中的基本问题。

在教学过程中，我们发现学生由于对专业认知的局限，造成学习主动性不足，几乎很难保证课前预习、课后复习的时间。针对于此，在每次课堂教学中我们都会抽出5～10分钟对所学重要知识点进行回顾和总结，在每章节的习题课中也结合工程实践，引入一些学生可以独立解决的工程小问题，采用启发式、讨论式的教学方式，不仅让学生快速掌握章节的重要知识点，也树立起学生对课程学习可解决实际问题的成就感，激发学生的学习热情，达到事半功倍的教学效果。

二、教学过程中改进教学方式方法

（一）重视第一堂课《绪论课》，第一时间吸引学生眼球

在多年的教学过程中，不时有学生提出“林产化工专业的学生为什么要学化工原理？”的疑惑。他们普遍认为，作为以最具有发展潜力的绿色生物为研究对象的林产化工专业的学生，却要花费一年的时间去学习相对成熟且应用于化工大生产的化工原理课程，是否值得呢？作为一线教师，如果不能第一时间透彻地给学生就这个“热点”问题答疑解惑，势必会影响学生后续的学习热情和学习动力。因此，化工原理的第一堂课《绪论》尤其关键和重要。[5]一般来说，“绪论课”首先是从化学工业的发展历程入手，介绍化工原理的诞生和发展历史、课程研究内容、涉及相关领域等。其次，针对部分林产化工专业学生有毕业读研或出国留学深造想法的特点，我们会介绍国外林产化工领域的知名专家教授。如：美国Uni？鄄versity of Wisconsin-Madison的知名教授Dr. James A. Dumesic课题组、美国University of Massachusetts？鄄Amherst的知名教授Dr. George William Huber课题组、西班牙皇家工程院院士Dr. A.Corma课题组等都是当前研究生物基化学品和生物质能源的领头人。而这些专家学者的教育背景基本来自化学工程或相关专业，这让学生懂得林产化工专业与化学工程专业的渊源相同，因此化工原理既是化工基础理论课，又是林产化工专业不可或缺的专业基础课。同时，提醒学生以后读研或留学深造如果选择林产化工、化学工程、生物工程、环境工程等专业就读，学好化工原理极具优势。通过以学生感兴趣的“工作、读研、出国留学”等为目标话题，潜移默化地引导学生树立起“学好化工原理对于工科学生来说有百利而无一害”的观点。endprint

（二）理论联系实际，激发学生学习动力

如何调动学生学习积极性是每个教师必须思考的问题。在化工原理学习过程中，学生如果发现可以凭借课堂上抽象枯燥、晦涩难懂的知识点，去解决工程上甚至生活上的实际问题，必然会有很大的成就感，也就会有更强的学习动力。当然，教师在教学过程中，可以有意识地从一些与日常生活实际紧密联系的现象出发，让学生学会思考如何解释这些现象，进而引出本堂课要重点讲授的知识点，激发学生的学习动力和学习热情，促使学生养成积极思考问题和解决问题的习惯。[6]例如：在讲授《流体流动》章节时，引入城市下水道给排水工程的设计原理，提出在雨季时如何有效减小流动阻力，以避免淹水的问题，进而引出打造“海绵城市”的概念。在讲授《流体输送设备机械》章节时，引入人体心脏相当于血液输送必备的泵，为全身提供血液循环，提出强身健体以增强心脏活力，提高心脏“泵”的扬程，避免摄入过多高热量食品，以减小血液流动阻力，预防脑梗、心梗等疾病，进而引出养生对维持人体机能正常运转的重要性。在讲授《传热学》章节时，给学生提出浴室洗澡时大量蒸汽的提供和运输问题，以及锅炉房烧蒸汽的能耗问题，思考为避免热损失，如何对蒸汽管道保温以及如何提高换热效果。在讲授《蒸发》和《蒸馏》章节时，提出如何快捷有效地分离盐水和酒水的问题，结合制盐工业和酿酒工业，提出实际生产时应考虑能耗比等经济性指标。在讲授《干燥学》章节时，结合南方夏天梅雨季时间长、晾晒不易的特点，提出饱和湿空气无法干燥、不饱和空气干燥效果有差异的现象，进而引出湿空气的若干理化性质，让学生动手计算空气的干燥能力等等。上述的这些问题既活跃了课堂学习氛围，又大大调动了学生的求知欲和主动性。此外，课堂上我们引入一些有趣的小现象，通过类比思考，让学生快速掌握重要知识点。比如：讲授《传热学》中的传热阻力和传质学中的传质阻力时，可以引用城市交通的堵车现象来解释阻力大小的关键点判断，以及如何抓住阻力控制点以达到减小传热/传质阻力的目的。讲授《传热学》章节中対数平均传热温差知识点时，指出班级里女生平均分一般都高于男生平均分的现象是由于女生的整体分值一般都比男生的分值要集中，进而揭示逆流传热效果优于并流传热的结论。上述这些实例可能不是很恰当，却可以很好地吸引学生的注意力，进而深入了解每个不同单元操作的本质，思考单元操作过程中的目的和意义，从而掌握相应的知识点。

（三）灵活运用多媒体教学，弥补传统教学的不足

随着计算机网络科技的发展延伸，运用多媒体辅助教学已成为当今教育的主流，其中的微课和慕课（MOOC）更容易让学生直观接受[7]，这两者主要是以音频、视频为主要载体，包含教学设计、课件教案、教学评价、测试练习及学生反馈、教师点评等辅助性教学资源，可以突破传统课程时间、空间的限制，依托互联网满足学生的学习。

在化工原理教学过程中，我们发现绝大部分学生由于很少接触工程领域，往往对实际工业生产中所涉及的容器设备缺乏概念认识，难以理解其工作原理和内部复杂的结构，而这些知识点在课堂上很难直观表达。[8]针对于此，我们充分利用互联网等先进的信息技术，录制了离心泵工作點详解、精馏课程习题、传热过程知识点讲解等微课课程，并着手于林产化工专业化工原理慕课（MOOC）建设，教学效果显著。例如：在求取离心泵工作点课程中，我们运用Flash动画直观演示层流、湍流、过渡流的流线形成、离心泵内/外部结构以及著名的气缚与气蚀现象，通过动画直观模拟泵设备的工作状态。学生可以通过这种直观的虚拟仿真演示，第一时间掌握课程中的难点与重点，加深对单元操作原理的理解和相关设备的感观认识，弥补学生在工程方面基础薄弱的缺点。

三、以学生动手为目的，改进实验教学

作为化工原理课堂教学的配套与延伸，化工原理实验课教学在培养学生的动手能力、积累学生的工程实践经验、激发学生的实践创新热情方面起着至关重要的作用。[9]根据林产化工专业的培养要求，结合我校化学工程实验中心的具体条件，我们在教学硬件上更新和增加了部分具有林产化工特色的实验教学设备，有意识地提高了设计型、综合型实验比例，减少了部分验证型实验。由于现有大学本科教育中通识教育的过度重视，导致部分偏动手实验的专业课程学时一再被缩减，造成学生工程方面训练的不足。针对于此，我们在化工原理实验教学大纲中除了保留传统的流动阻力测定、离心泵特性曲线、传热、过滤、精馏、吸收和干燥等实验外，还特意新增了管路拆装实验，即让学生从最基本的管路组装开始，锻炼学生的工程应用能力。此外，作为江苏省级实验教学示范中心，我中心还增添了多功能反应精馏、超滤纳滤膜分离、塔盘萃取和冷冻结晶等与林产化工行业密切关联的实验装置。为弥补部分实验装置价格昂贵、占地空间大、资源相对匮乏以及某些实验装置具有一定危险性的不足，我中心于2015年开始着手虚拟仿真试验中心的建设，与北京东方仿真等知名软件公司合作开发具有林产化工特色的传热传质单元操作与典型林化过程的实训仿真软件，使学生切实感受实验装置流程及操作步骤，着重培养学生的复杂工艺动手操作能力，加深学生对工程概念的理解和训练。例如，松香胺产品是林产化工专业萜类化学与利用方向的主要产品，是核心专业课程《林产化学工艺学》中的主要内容之一，也是学生毕业实习的重点学习内容之一。[10]2016年我们以校外实习基地广西梧州松脂股份有限公司、广西桂林化工厂等企业的松香、松节油生产和松香胺生产为模本，与北京东方仿真合作开发“歧化松香三维虚拟仿真培训系统”。该系统以工艺及设备仿真数据为基础，开发三维虚拟现实展示并对外提供通用数据库接口，为学生开展林产化工综合自动化实验教学提供一个专业流程的环境。工艺采用国内外主流生产技术，充分考虑现代专业企业的真实生产过程。整套流程覆盖典型化工原理单元操作过程，具体包括松脂原料输送、松脂熔解、熔解脂液的净制、水蒸汽蒸馏分离松香、松香氨化脱水生成松香腈及松香腈高压加氢生成松香胺等主要生产工序，所有工序包括过程操作参数的监测与控制（DCS系统），在线仿真培训考核系统。该系统采用开放的软件平台和第一视角的虚拟仿真环境，可实现工厂数据的真实再现，真实还原实际工厂一线的现场状态。为培养学生的工程实践能力，我们还设计了部分可拆装设备，以便学生拆装、认识掌握设备内部结构，从而达到理论与实践相结合。

可以看出，林产化工学科特色明显，对学生的专业素养要求较高，对化工原理课程教学已不仅仅局限于传统教学要求，更需要我们积极思考。通过合理安排教学内容、改进教学方法和手段、更新典型林化过程实验装备、引入虚拟仿真实验教学环境等手段，为培养具有前瞻科学视野和工程实践观念的复合应用型人才打下坚实的基础。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 陈敏恒，丛德滋，方图南.化工原理（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2] 夏清，陈常贵.化工原理[M].天津：天津大学出版社，2005.

[3] 蒋建新，赵永虎，朱莉伟，曹文军.林业工程类专业“化工原理”教学改革与实践[J].中国林业教育，2008（5）：48-51.

[4] 叶长燊，邱挺，李玲，施小芳，杨臣，林述英.化工原理课程体系中工程素质与能力的培养[J].化工高等教育，2016（3）：57-63.

[5] 林艳红，袁晓玲，张桐江，孟繁雨.《化工原理》绪论课教学的重要性及授课策略[J].广州化工，2016（6）：205-206.

[6] 晏丽红，杨宗政.激发学生学习兴趣，活跃课堂教学气氛——化工原理课堂教学方法的探索和实践[J].化工高等教育，2014（1）：105-108.

[7] 张琪，陈乐，韶晖.微课促进高校化工原理教学改革的应用研究[J].大学教育，2016（6）：155-156.

[8] 张桂军，杨志远，禹练英. 谈《化工原理》学习方法——化难为易、化繁为简[J].广州化工，2009（6）：226-227.

[9] 吕海霞，杨志杰，张艳辉，尚龙安.基于应用型人才培养的化工原理实验教改探索与实践[J]. 化工高等教育，2016（1）：26-30.

[10] 安鑫南.林产化学工艺学[M].北京：中国林业出版社， 2002.

[责任编辑：罗 艳]endprint