在“化工原理”理论和实验教学中培养工程实践能力

曾嵘，张钊钦，任玉，王凯，党雪平，贺彩艳，汪婷婷

（湖北大学化学化工学院，湖北武汉430062）

“化工原理”是一门由自然科学向工程科学过渡的课程，它以流体流动与输送、传热、蒸馏、吸收和干燥等化工单元操作为主要内容，以“三传”（即质量、动量和能量传递）过程及其研究方法为主线，综合运用数学、物理和化学等多个学科的基础知识来解决实际问题，实现工业化生产。它既是化工类学生求学过程中必经的关卡，又是联系理论和实际、思维和能力、基础和专业的关键纽带。

“化工原理”的课程教学不仅要向学生传授前人总结的相关基础理论和实验经验，还要训练学生分析和解决化工实际问题的思维方式、方法技能，使其具备相应的工程实践能力。工程实践能力是对化工类及其相关工程专业人才的高层次能力要求，主要表现为缺一不可的两方面：扎实牢固的学科理论知识；与实际工业生产紧密结合的工程意识和创新思维。

当前，国内高校普遍意识到需要加强对工科学生工程实践能力的培养，这是培养现代工程师的首要条件。但是，长久以来，我国在人才培养上以传授知识的应试教育为主，并在不同程度上形成了重理论、轻实践的教学模式，因而培养出来的学生大多存在着工程实践能力低下，社会适应性差，无创新思维等严重问题。就国内目前的教育现状而言，高校想要培养具有工程实践能力的化工专业人才，就必须改变以往将“工程实践边缘化”的“化工原理”课程教学模式，让理论知识教育与实践能力培养的地位合理化，并将二者有机结合，相辅相成，这样才能让学生在当前的课程教育改革中受益，使之能适应工程领域国际化的发展趋势。

1“化工原理”课程教学中存在的问题

为提升我校“化工原理”课程的教学效果，进一步提高化工专业学生的工程实践能力，笔者面向我院近三百名学生做了关于“化工原理”课程教学的问卷调查。通过对问卷进行回收、分析和总结之后，查找出在该课程教学过程中存在的各种问题。

1.1 理论教学中存在的问题

有学生反映“化工原理”理论教学的速度偏快，课堂时常处于一种“教师满堂灌，而学生打乱仗”的状态。由于“化工原理”理论教学中涉及的知识点繁多，加上课程学时的限制，教师通常为了加快教学进度，课堂上知识的传授都比较仓促，而师生间的互动又非常有限，因而导致学生难以跟上老师的教学节奏。

理论教学是培养学生工程实践能力不可或缺的前提，也是实验教学的铺垫，但这并不意味着理论教学就要面面俱到地对学生进行传授和讲解，将所有的知识都去逐一地传授是不切实际的，而且对后续的实验教学和学生工程实践能力的培养也是不利的。

1.2 实验教学中存在的问题

“化工原理”实验教学中存在的问题：①部分实验仪器设备较陈旧；②部分同学不适应个别教师的教学方式；③实验环境拥挤、嘈杂；④师生交流的机会偏少；⑤学生对实验仪器设备的工作原理不了解；⑥实验教学的学时和实验次数偏少；⑦实验内容几乎都是验证性实验，没有开设探索性和综合性的实验。

由于我院工科的师资较为短缺，一位老师往往要同时负责两个实验项目的教学，有时候难免会顾此失彼；再加上一些学生对实验课不重视，又想蒙混过关，他们在处理数据时经常照抄照搬他人的实验结果。上述这些问题的存在使得学生在实验教学中的动手能力普遍不强，又缺少独立探索和钻研的精神，因而其工程实践能力很难得到锻炼和提高。

1.3 影响教学效果的其他因素

理论课内容多而学时不足，实验课次数少且安排密集，使得老师们在教学过程中不得不加快进度，这对学生专业知识的掌握和工程实践能力的培养都是不利的。而现有的实验教学环境过于拥挤、嘈杂，部分教学仪器陈旧、短缺，这些也都不利于教学效果的提升。

2 培养工程实践能力的方法及措施

2.1 从强化师资力量、改进教学模式和增加教学用具等方面改进理论教学

高等院校在引进年轻教师组成实力雄厚的师资队伍之后，就可以去探索研究适合本校教学现状的教学模式、途径方法，改进教材教案，设置更为科学的课程安排等。强化师资力量不能只引进“新鲜血液”，教龄资深的老教师也要树立与时俱进的教学思想和教育理念，学习掌握新的教学方法和技巧，并将自己的经验和心得灵活应用到实践教学中去。

为了培养学生的工程实践能力，使其具有扎实的理论基础，在“化工原理”理论教学中必须改变以往单一的灌输式教学模式，使其向着多样化、时代化的方向发展。传统的理论教学模式有启发式、问答式、小组协作式和师生互动式等。其中，问答式教学不但能加强师生的互动，教师还能了解学生对知识点的掌握情况；协作式教学则给学生更多的主动权，让其去探索、协作，教师加以辅助，从而加深学生对知识点的认知程度。教师还可以将上述几种教学模式结合起来，使学生成为教学环节中的主体，充分调动他们的学习积极性。例如：在讲授流体力学的内容时，教师通过播放现实生活中不同水流情况的视频，让学生观察流体流动的现象，并和他们一起探讨其中涉及的力学问题；讲到非均相物系的分离时，先让学生讨论从生活或其他课程中接触到的相关实例，接着教师再由常见的“油水分离”或“泥水分离”的例子来介绍非均相物系的定义，引入如何实现非均相物系的分离。

俗话说“兴趣是最好的老师”，要想方设法增加知识传授过程的趣味性，只有采用学生感兴趣的教学模式，才能使他们由“被动学习”转变为“主动学习”。多数教师在上理论课时通常只用多媒体系统播放相关的课件和视频，而将多媒体与教学应用软件相结合的教学模式则更能吸引学生的注意力，激发他们学习的热情。例如：在讲授离心泵的相关内容时，可以先用软件绘制它的三维仿真图，如图1 所示；再利用多媒体技术图文声像并茂的特点，以动画的形式生动逼真地展现离心泵的内部构造及其运行时的工作状态，使学生能够全方位、多角度地观察、学习，使之对知识点的接纳程度提升到一个新的层次。再者，教师也可利用实物模型供学生观摩学习。图2 是单级离心泵的透明仿真模型，在介绍其工作原理是“利用离心运动将机械能转化为流体动能来输送流体”时，教师可以增加一些相关的动画模拟离心泵各部件工作时的状态，让学生更深刻地理解其工作原理以及产生“气缚”和“气蚀”的原因。

图1 离心泵的三维仿真图

图2 离心泵的透明仿真模型

2.2 从强化师资力量、加强教学监督、丰富教学手段和完善考核制度等方面改进实验教学

笔者认为，学校可以引进具有多年工程实践经验，适合指导学生进行实验操作的工程技术人员来“兼职”“化工原理”课程的实验教学。除了“引进来”之外，教师也是需要“走出去”的，让教师有机会到相关的化工企业去访问学习，以增加他们的实践经验。对于实验教学来说，除了要强化师资力量以外，还应从教案编写、教学模式的改革及理论知识的传授等多方面进行跟进。强化后的师资力量可以更新教案，编写具有鲜明特色的实验教材；扩充实验教学内容，制定用于培养学生工程实践能力的教案；和学生多渠道沟通和交流，以获取更多教学上的反馈；借鉴当前流行的教学技术和模式，完善后用于改进原有的学科教学方式。

在强化师资力量的同时，我们还要提升对授课教师和学生的要求，不仅仅只局限于对实验内容的整合和教学模式的改进，还要从多方面、多角度地加强教学监督：要加强对课堂状况的巡查频率和力度，严肃批评并教导上课期间玩手机、睡觉或闲谈的学生以及对教学不上心、对学生不负责的教师；同时随机抽查学生进行询问，了解教师的教学情况以及班级的学习风气。这样才能形成师生之间相互监督、相互管理的教学氛围。

首先，笔者认为实验前教师应对学生预习的成效进行严格审核，通过预习可以让学生熟悉和掌握实验中所涉及的化工原理理论知识及相应的实验操作技能，为实验的顺利进行打下良好的基础。其次，在实验过程中，老师可以布置一些课后习题让学生思考，锻炼他们分析问题和解决问题的能力。例如：在离心泵的实验中，教师可先不强调“灌泵”的重要性，等学生发现离心泵不能正常运转之后，通过启发式教学来询问学生“是否排除管路堵塞”“阀门的开合是否合理”以及“气缚和气蚀现象各自产生的原因”，最后让学生自己找到解决问题的方法——“灌泵”。这不但有助于学生在实验中养成认真观察的习惯，还能训练他们灵活运用所学的理论知识来分析和解决问题。另外，实验结束后，教师不能只看学生的数据处理结果是否在合理的范围内，还要检查实验的原始数据，检验其计算过程是否正确，杜绝实验报告抄袭现象的发生。

在实验教学中，可将多媒体技术和多功能软件相结合，通过模拟实验设备内部的工作状态来帮助学生加深对设备的了解和认识。在离心泵性能测定实验中，流体的输送过程可分为三个阶段：流体进入泵壳，穿过叶轮叶片；流体穿过叶轮进入扩压器，此时流体的速度和压力不断增大；在扩压器的出口，流体流速又减慢。教师在讲述该实验时可运用COMSOL 公司开发的COMSOL Multiphysics 软件中的化学工程模块（Chemical Engineering Module）对离心泵的运行情况进行建模和分析。图3 是由COMSOL Multiphysics 建模得到的离心泵中的流体流速和压力分布图。学生通过观察图3 中离心泵内部不同区域的颜色及其在左右纵轴上对应的数值可知：从泵入口通向泵壳的径向，流体的压力在不断上升，而速度的大小却出现反复变化。

图3 离心泵中的流体流速和压力分布图

除了上述软件可用于制备课件以外，新型的教学系统也可以有选择地运用到教学上。多媒体计算机辅助教学（Multimedia Computer Aided Instruction，MCAI）系统制作的“化工原理”课件可以通过动画、录像等方式直观地给学生展示化工设备的构造、工作状态甚至运行中的故障等，它还可以模拟并展示在不同情况下的工程问题，这对培养学生的工程实践能力有着强大的助推作用。智能教学系统（Intelligent Tutoring System, ITS）也可用于化工原理实验教学中，它借助人工智能技术，在没有人类教师指导的情况下，帮助学习者获取本学科相关的知识和技能。虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术的应用也是科技发展带来的新型教学手段之一。VR技术从第一视角使人极具代入感地观察实验教学中所讲授的各种操作过程，在这一点上与化工企业的实际生产过程相近，因而能让学生更好地集中注意力，全身心地投入学习。这种技术还可以与多媒体动画模拟软件互为补充，因为它们各有优缺点，而且都有很好的实验教学效果。

社会的发展要求学生对所学的化工原理知识不能只会简单地运用，而是要能够做到融会贯通、综合运用。换言之，对学生的要求不能只局限于掌握理论计算公式如何应用，而是应该使其具备探讨工程问题的思维方法以及解决实际问题的能力。因此，实验教学考核的重点应是除了理论知识之外，对学生的实验操作能力、实验数据处理能力和实验应用能力的综合考核。图4是我校“化工原理”课程考核成绩的组成图。要实现考核制度的科学化，不能只看考试成绩，应该综合平时考勤、课后作业完成情况、学习态度（是否存在迟到、旷课、作业抄袭、考试作弊、实验操作敷衍等不良行为）等多个方面来考核学生。学校必须从严格考核制度入手，提倡学生自主学习，特别要注重培养他们学习的素养和能力。

图4 “化工原理”课程考核成绩的组成图

另一方面，对于理论教学的考试而言，要将试题从偏基础、较简单提升到较复杂、综合性强的考试题目。实验教学的考试也不能只考实验理论知识和基本操作过程，而是要提供不同的具有综合性质的选题让学生自己去实验室动手操作完成，把实验考试由简单的“书写”改为更高要求的“操作”。教师根据操作考试时学生的表现来给予评分。若实际情况或教学条件不能满足操作考试，也可采取“口试”的方式，学生口头讲解自己设计的综合性实验，涉及到的实验原理、实验设备以及大致的操作流程。

3 结束语

近年来，针对我校“化工原理”课程教学上存在的问题，在借鉴国内外一流大学的教学经验和成果的基础上，我们从理论教学和实验教学两方面入手，对“化工原理”课程教学改革进行了深入的探讨和实践，提出了强化师资力量，改进教学模式，增加教学用具和丰富教学手段等多项切实可行的改革措施。为顺应时代的进步和社会的发展，需要任课教师充分利用高科技手段及时更新教学内容，加强理论联系实际的同时，还要不断创新教育理念、改革教学模式和完善考核制度，才能培养出基本功扎实、实践能力强的高素质化工人才。