“化工原理——膜分离”教学改革初探

高波 刘嘉栋 韩芸 张海涵

[关键词]化工原理;膜分离;教学改革;全过程演示实验

化工原理课程属化学工程技术科学学科，是理论性和实践性都很强的学科，是环境工程专业必修的一门重要的专业基础课程。课程的主要任务是通过本课程的学习使学生获得常见化工单元操作过程及设备使用所需的基本知识、基本理论和基本的计算能力以及基本工艺设计计算能力，培养学生运用本学科基础理论分析和解决环境工程中有关问题的能力。该课程一般开设于大三上学期，在学生学习高等数学、物理及化学等基础课之后，起着承前启后的作用，是从基础课向专业课过渡的衔接课程，为本专业的主要专业课《大气污染控制工程》《水污染控制工程》等课程的学习和从事废气、废水的治理与开展科研工作奠定专业基础。很多高等学校环境工程专业都开设这门课程，但不同学校不同的教学条件、背景以及优势促使各学校进行教学改革，开展特色化教学。目前本校化工原理课程教学手段仍然是“板书+课件+平面动画+课程设计”的传统模式，而修读本科生则存在基础知识储备不足的现实问题。在环境保护技术日新月异的今天，在工程教育改革和新工科建设的大环境下，过于传统的教学手段已经稍显力不从心，因此亟需进一步丰富教学手段，以全面深入展示相关知识点，促进学生知识的掌握程度，并结合教师自身的科学研究开展特色化教学，提升学生的学习兴趣。

一、直面课程问题

环境污染问题的复杂性、持续性以及广泛性等特点，迫使环境工程专业技术人才具备解决复杂环境问题的能力，从而对环境工程专业任课教师提出了更高的要求。教师不仅要按照课程教学大纲的要求保质保量地完成课堂教学任务，还要在不增加课时量的情况下给学生介绍一些和课程相关的科研进展，以开阔学生的眼界，增强学生的学习兴趣。而在修读化工原理前，学生已基本完成工科基礎课程的学习，同时已经具备各类基础实验操作技能。此时，学生初步储备了相关数学、工程、实际操作知识，有条件对该门课程进行系统深人的学习。

化工原理包含流体力学、传质过程、传热过程、塔设备、固体干燥以及膜分离技术等内容，涉及基本理论知识、工程设计、选型及操作计算。作者作为讲授该门课程的一线教师，在授课过程中明显体会到该门课程理论计算有深度、设计计算有难度、操作计算较灵活，尤其是环境工程专业的本科生在修读该门课程之前对相关设备实物接触较少，没有机会去直观了解设备的内部结构及操作过程，从而影响后续的设计、操作、选型、参数选取和计算。而现有的结合平面动画的课件教学已经无法满足现代化教学的要求，不利于学生掌握相关知识，而本科生实验室亦无法满足针对所有知识点开展课程实验。因此，该门课程存在学习难度大、设备展示不直观、实验操作课时不足、教学手段相对滞后的问题。

二、寻求解决方案

作为任课教师，有责任基于自身科研及教学经验，对课程内容进行丰富，以促进学生对该门课程内容的充分掌握，从而为后续专业课程的学习打下坚实的基础。全过程演示实验与课堂教学的结合则是一种即简便又新颖的教学手段，该教学方法主要是利用教师科研实验设备和实验室，拍摄未开设课程实验的教学内容的全过程演示实验视频，全方位展示该实验的操作过程，即无需增加实际操作课程实验课时，亦具有成本低、内容灵活、短小直观、易于理解的特点。

因此，作者根据自身长期积累的科研经验，选取化工原理课程中的膜分离章节为切入点，尝试开展基于全过程演示实验与课堂教学结合的课堂教学改革探索。膜分离属环境工程领域，是水处理领域的重要操作单元和研究对象，也是目前工程实施中的优先选择。因此，环境工程本科生无论将来选择就业或继续深造，几乎均需要面对该技术。膜分离过程主要涉及膜材料和操作条件计算，而操作条件计算理论性较强，传统课堂教学结合公式推导可以基本满足授课要求，而膜材料则涉及无机膜、有机膜，而有机膜的应用尤其广泛。但是，目前本科课程所选教材，包括水污染控制工程课程，均未涉及有机膜材料的制备过程，而该过程是膜材料研究和选型的重要内容和依据。因此，作者选择有机膜材料的制备作为着力点，尝试完成聚偏氟乙烯（PVDF）平板微滤膜的制备全过程演示实验视频。

视频拍摄根据如图1所示步骤进行，由有经验的研究生进行操作演示。制备方法参考硕士论文，包括：（1）铸膜液配制。根据所需微滤膜膜孔要求，将一定量的致孔剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶于一定体积的有机溶剂N，N-二甲基乙酰胺（DMAC）中，待PVP完全溶解，再缓慢加入一定量PVDF。在此步骤中需要注意PVP、DMAC、PVDF的配比，膜孔大小及成膜性能与此配比息息相关。致孔剂PVP含量越高，膜表面孔径越大，但当PVP添加量大到一定程度，膜孔不再变大，PVP投加量过高可能导致溶解不完全，从而使得铸膜液配制失败，因此PVP取值需根据膜孔尺寸控制在合适范围内;溶剂DMAC的量越大，铸膜液粘度越小，在一定程度上有利于铸膜液的配制，但是DMAC比例过高将导致成膜厚度减少、强度降低、铸膜液大量渗入无纺布基底背面，从而影响膜材料的性能及寿命，其比例过低则导致PVP和PVDF溶解困难、铸膜液粘度过高，使得成膜材料致密且难以顺利刮膜;PVDF是膜材料的最终存在形式，其由流体状态通过相转化过程脱去DMAC和PVP，最终形成多孔固体薄膜，其在铸膜液中的比例对成膜性能影响显著，比例过低将导致铸膜液过稀，无法获得所需性能的产品，占比过高则导致PVDF粉末难以溶解且铸膜液粘度过大，可能产生致密膜结构从而影响水通量，且不利于刮膜过程的顺利实施。（2）铸膜液搅拌。在室温（25℃）条件下，持续磁力搅拌铸膜液，直到所有PVDF溶解，一般需要24h。此过程需确定所有PVDF完全溶解，否则会造成后续刮膜出现大的破损，从而导致制膜失败。（3）铸膜液脱泡。搅拌均匀的铸膜液在室温条件下静置一定时间脱除气泡，一般需要12h。此过程需注意脱泡完全，否则会在刮膜过程中出现气泡孔。（4）铸膜液刮膜。根据所需膜的厚度选取相应厚度的刮膜刀，在光滑干燥的玻璃板上刮膜，注意刮膜刀需匀速移动，这样才能有效保证制备膜的均匀性;注意铸膜液的用量，在均匀制备的同时节省铸膜液;另外，务必保持玻璃板表面干燥，否则铸膜液在刮膜过程中就可能发生相转化。（5）相转化。将玻璃板连同刮好的膜一起放入装有一定体积水的容器中进行相转化。此过程是将膜中溶剂DMAC及PVP溶出，从而形成固体PVDF薄膜并在膜中留下一定大小的膜孔，膜孔的大小与DMAC溶出速率相关，也就是相转化速率。相转化速率决定了膜的微结构形态，相转化速率越快，膜孔一般为指状孔结构，相转化速率越慢，膜孔一般为海绵状孔结构。其中，铸膜液的粘度对相转化速率影响较大，粘度越大，便越难以分相，从而使得相转化速率变慢，最终膜内部孔隙逐渐从指状孔变成海绵状孔。另外，相转化温度也会影响最终的膜孔形态，温度越高，DMAC扩散越快，相转化速率越快，形成指状孔的几率越大。

视频素材拍摄完成后交由专业人员进行剪辑，配合专业的解说词，制作完整的视频材料。制作完成后由作者和教研室相关同事共同进行审核，并提出修改意见。最后根据修改意见进行视频补充拍摄、解说词完善和重新剪辑，最终形成正式的基于全过程演示实验与课堂教学结合的教学素材，并在该部分教学过程中进行展示。展示过程中，教师就学生不能理解或掌握的内容进行补充讲述，同时适当介绍相关步骤，为学生拓宽专业视野、提升专业兴趣。

三、效果初步显现

在膜分离章节授课过程中，通过播放教学视频结合教师补充讲解后，本科生首次接触了有机微滤膜的制备全过程，同时了解了制备过程中的注意事项以及相关参数对最终产品性能的影响机制。课后采用在线文档调查问卷的方式收集了修读学生对本次教学改革活动的反馈意见，最终收到有效反馈意见63份。本次调查问卷设置4个问题：（1）本科阶段是否曾接触过类似的演示实验？（2）该演示实验是否提升了你对该门课程的学习兴趣？（3）推广该种教学模式是否将提升你对本专业的学习兴趣？（4）提前接触此类科研内容是否将提升你继续深造的意愿？反馈意见表明，目前通过实施基于全过程演示实验与课堂教学结合的教学改革收到的效果主要集中在两个方面（图2）：学生专业兴趣提升;学生深造意愿增强。具体讨论如下：

（1）学生专业兴趣提升：作者所在学校给学生提供一次转专业的机会，而环境工程专业的部分学生有转专业的意愿，主要原因在于此时学生尚未接触专業课程，对本专业的认识不够充分深入。其次，相关学生对本专业的前景把握不足。也有部分学生直接表示相关课程难度较大，不易掌握，从而对本专业缺乏足够的学习信心，尤其对于类似于化工原理这种计算复杂且涉及知识点众多的课程，部分学生明显缺乏学习动力，造成课程考试平均成绩差异较大。图2的反馈结果表明，只有38%的学生在此前接触过类似的演示实验，说明本科生的学习过程中仍较为缺乏接触多样化教学手段的机会。在化工原理授课过程中，通过该教学视频的演示和讲解后，多数学生表现出了明显的兴趣，提问及咨询的积极性明显高于以往，大部分学生均表示专业基础课程并不像课本展示的那样枯燥，这也从100%的学生均表示该演示实验提升了其对该门课程的学习兴趣可以证明。课堂现场询问表明绝大部分学生均建议此类基于全过程演示实验与课堂教学结合的教学改革应该覆盖全课程，甚至进一步扩展延伸。调查表明，97%的学生表示推广该种教学模式将提升其对本专业的学习兴趣，而本科阶段的教学内容可以更为人性化和直观化，对此基于全过程演示实验与课堂教学结合的教学改革无疑意义重大。

（2）学生深造意愿增强：作者所在学校环境工程专业本科生考研率一直保持在较高水平，但是仍存在部分学生在就业与深造的选择之间摇摆不定。作者作为本科生班主任亦经常接到学生的此类咨询，但是在学生不充分理解深造内容的情况下，咨询效果常常不够理想。在上述有机膜材料制备全过程演示视频播放后，本科生对研究生阶段的科研工作有了一个初步的认识，多数学生表示实验过程非常有趣，而此前他们除了本科课程实验则从未接触过科研实验过程。

基于全过程演示实验与课堂教学结合的教学视频播放后，本科生有了一次从课堂直接走进科研实验室的机会。多数学生则明确表示此类机会多多益善，而之前部分思想摇摆的学生则做出了继续深造的决定。实际调查结果表明，83%的学生表示提前接触此类科研内容将提升其继续深造的意愿。可见，结合科研的教学改革无疑会对学生产生深远的影响。

同时，部分学生也提出了具体的意见和建议，如“如果能定期或者在不同阶段安排这样的实验就更好了，毕竟面对面更能加深印象”“希望有机会让我们近距离观察甚至操作一下”“最好能先介绍此类材料的应用前景和具体应用背景”等。这些具体意见表明，学生本身求知欲和探索欲较强，十分期待增加接触此类教学改革的机会，也明白需要基础知识储备才可以更为深入地了解相关内容。因此，作为授课教师，持续推进此类教学改革势在必行，后续改革过程中亦需紧密联系学生，从学生实际需求出发的改革才是最好的改革。

四、展望

作者在一线教学过程中，通过观察学生在学习过程中的状态，初步掌握了学生对课堂教学的期望，通过基于全过程演示实验与课堂教学结合的教学改革的初步探索，明显体会到学生的求知欲与现有教学手段之间的差距。虽然作为专业基础课程，化工原理的学习要求是牢牢掌握相关基础知识和计算过程，但是在涉及众多设备和操作单元时，一种更为直观的教学方式明显更有利于学生对相关知识的理解和掌握。在缺乏实物接触和实际操作的情况下，全过程演示实验与课堂教学的结合就充分体现出其价值。但是，由于化工原理课程所涉及的单元操作众多，作者作为环境工程专业教师，对于化工类设备亦缺乏深入的研究，后续在全面推行基于全过程演示实验与课堂教学结合的教学改革的过程中，完全有必要联合化工类专业教师和相关企业工程师，共同进行相关视频、模型的拍摄制作和相关设备的设计、操作、选型以及参数选择等。

教学相长是一个长期的过程，教师有整个职业生涯来提升其授课水平，而每一届学生则只有一学期或一年的时间来修读该门课程，教师迅速提升对该门课程的授课水平则是对学生负责的直接体现。“工欲善其事，必先利其器”，教学手段的扩展提升是授课水平提高的重要体现。因此，对于化工原理这门课程而言，教师对基础知识了熟于胸是前提，基于全过程演示实验与课堂教学结合的教学改革则为教学质量的提升提供了一个易于实现的途径。通过教学改革初试，学生期望类似改革可以覆盖整个课程甚至进一步拓展延伸至其他课程，因为此类改革明显有利于学生对相关知识点的直观了解，有助于学生对理论知识的深入理解和掌握。