以培养创新人才为目标的化工原理课程教学改革*

李 燕，李 翔

(广东石油化工学院化工学院，广东 茂名 525000)

在中国目前的创新浪潮中创新人才是关键,高等教育承担着培养创新人才的重任。相较于传统教育，创新教育强调学生创新能力的培养、学生的主动性、主体作用和开拓创新能力，是当前国际形势和社会经济发展的对人才知识与能力结构的新要求，是高等教育教学改革的趋势。化工原理是化工类专业的专业基础课程，主要研究化工单元操作中的动量传递、热量传递和质量传递的原理、单元操作设备的设计和选型[1]，课程具有很强的工程实践性[2]，主要培养学生的工程意识、工程计算能力、解决实际工程问题的能力、动手能力、团队合作能力等[3]。新形势下化学工业面临转型,朝着集约、清洁、低碳、安全[4]和可持续的方向发展,迫切需要大批高素质的应用型、创新能力能力强的化工人才[5-6]。

1 化工原理教学中存在的问题

长期以来,化工原理的教学强调原理讲解和模型推导，教学内容仅限于书本知识，和生产实践紧密联系度不高，学生学习提不起兴趣；授课内容大多以单元操作为主线，着重介绍各个单元操作的基本原理、过程及设备计算，常常忽略其内在联系，内容多且杂，学生常感学习难度大难掌握规律。化工原理的教学方式也主要是老师讲、学生听，课堂上学生的积极性没有得到激发，只是机械地去记忆知识点，不能上灵活地解决实际的工程问题，扼杀了其创造性。其次教师布置的课后作业形式单一、答案固定,导致部分学生抄袭作业应付了事,分析问题的能力、计算设计能力和灵活应用知识解决问题的能力没有得到提升。第三课程考核方式主要是期末考试，成绩所占比大，学生只需期末突击复习也能可过关，这样的授课与考核方式不利于学生对化工原理课程知识的逻辑性、系统性和整体性的把握，不利于知识的工程运用和设计能力的提升。针对目前化工原理课程所存在的问题,结合当前社会对化工类人才的要求,以培养学生的创新能力，提高学生的综合素质为目标,我们对教学内容、教学方式、考核方式方面进行教学改革。

2 化工原理课程教学改革

2.1 教学内容改革

以问题为导向设计教学内容，设计原则为以教学大纲为核心，综合教学目标和学生能力，按照由易到难，循序渐进的步骤进行，同时涵盖化工原理各章节单元操作的基本概念和主要知识点，并结合专业特点选择学生感兴趣的实际问题。例如自动喷泉是许多城市的一个美化环境的亮点，其主要原理是利用动量传递中的机械能守恒定律，以自动喷泉高度设计为问题通过分析喷口流速、压力差等应用伯努利方程设计喷泉的喷射高度，能让学生加深对流体流动过程中连续性方程和伯努利方程的理解。在流体输送设备单元中用生活中如何实现长距离输送水的问题，向学生讲解离心泵的主要用途、基本结构、性能参数、操作要点等，用离心泵将江水送至敞口高位槽的案例，根据已知基础数据，给出几种管路输送设计方案，并比较几种方案的经济成本；通过自来水如何净化的问题引入非均相物系分离单元，讲授重力沉降和过滤的基本原理、数学模型、基本公式和相关设备重力沉降室、沉淀池、炼油装置中的油水分离器等；通过炼油过程中催化裂化工艺中的催化剂回收引入旋风分离器，介绍旋风分离器的主要类型、工作原理、操作要点、基本计算公式等。提出为什么夏天人们穿薄衣服、冬天穿厚衣服等问题引出传热的基本原理与计算，利用柴油与原油换热案例介绍间壁式换热的换热模型、影响因素、计算公式、列管式换热器类型；利用苯-甲苯精馏塔工艺，讲授板式塔的工作原理、板式塔的塔板类型、回流比确定与影响、理论板数计算、塔高的计算等；二氧化碳作为一种温室气体其排放是影响全球气候的焦点，我国目前努力实现在 2030 年前碳达峰与2060 年碳中和的目标。通过结合我校化工原理实验中心低浓度二氧化碳吸附装置，讲解气体吸收中的相关基本原理、分子扩散中的菲克定律、涡流扩散、亨利定律、双膜理论、吸收速率进行计算、吸收速率的影响因素、填料吸收塔的物料衡算与操作线方程、吸收剂用量、填料层高度的计算等。通过用水萃取煤油中的苯甲酸的工艺，讲授液液萃取操作的基本流程、应用原则、相平衡、萃取的影响因素、物料衡算与杠杆规则、萃取的计算、液液萃取的相关设备等；讲授干燥操作单元时,从生活现象“为什么不同面料的衣服晾晒在同一阳光下有的衣料干得快，有的衣料干得慢”、奶粉干燥工艺等介绍利用空气作为干燥介质干燥物料的基本原理、空气性质对干燥过程的影响、干燥速率、干燥时间的计算等。通过这些由浅入深，由生活问题到工业问题的一系列关联问题，使学生清楚，要解决这些问题不能仅仅从教材上找答案，必须查阅相关资料，将所学知识拓展、延伸，进而培养其独立思考，分析问题和解决问题的能力。在讲授时充分利用多种教学资源并用的优势，用动画、影像、实物教学和演示实验等讲解离心泵、换热器、精馏塔、吸收塔、干燥器等设备,从最初简单的筛板塔到现代具有较高分离效果填料板式复合塔板与喷射塔板,从套管式换热器到浮头换热器与板式换热器,利用多媒体课件生动、形象的演示,将枯燥、抽象的内容形象化,使学生更易理解教授的内容，也提高了学生学习兴趣。同时以团队合作学习方式设计教学内容，主要为各章节单元操作难点、涉及多章节知识的综合习题、企业生产案例，这些内容难度大，方案多种，花费时间长，学生以团队形式可以发挥团队的才智优势，综合运用理论知识、计算机知识和其他基础知识解决这些问题，以此激发学生的创新意识和创造力，对于培养具有创新创造能力具有很好的推动作用。

2.2 建立探究型教学模式

以问题为中心的教学，教学活动自始至终围绕着问题的探究和解决展开。将学习置于问题中有利于激发学生学习的欲望，学习的主动性，学生在解决问题的同时中完成对知识的掌握。例如自然界河水为什么能自发的从高处流往低处？电风扇为什么尺寸越大转速越快风量越大？为什么雨后的空气清新？保温杯为什么能保暖或保冷？大风的天气为什么衣服容易干？从这些生活中常见的现象引出问题，使学生对化工原理理论产生兴趣，掌握机械能转换的基本规则、离心设备工作原理，了解气固分离的方法和原理，了解热传导的基本原理，干燥的影响因素等。课堂教学采用讨论式与互动，有利于培养学生独立思考能力和运动知识的能力。化工原理课程中有很多知识点和难点，而解决某一工程问题常需要运用多个知识点、多种基本技能，团队合作的学习可以让学生之间互相帮助，充分利用团队的才智优势，完成工程设计或工程问题。在团队合作的学习中，把班级分成若干学习小组，小组长负责组织、协调团队成员的学习活动，任务完成后，团队成员在课堂上PPT展示讲解团队完成思路、解决方案、完成步骤、结果，同时对教师和其他团队的疑问进行解答。教师根据团队展示的过程与最终成果对团队成员的学习效果进行成绩评定，这个成绩作为平时成绩的一部份，并算入期末总分中。例如学习完蒸馏一章布置了丙烯丙烷精馏塔综合练习大作业,给出物料浓度、分离要求、操作压力等条件，要求学生查找物系平衡数据、参照工厂实际操作参数选择回流比、塔顶气相冷凝方式、塔进料加热方式、计算塔理论板数等,并画出装置工艺流程图,内容包括塔、冷凝器、再沸器、原料罐、顶产品罐、底产品罐、泵、主要管线、标出进料温度、塔顶温度、塔底温度等主要控制参数，通过综合作业学生可较为详细了解典型精馏过程的工艺设计初步步骤、工艺流程和典型设备、仪表控制等方面知识，也为化工原理精馏塔课程设计打下一定基础。气体吸收章节布置了填料吸收塔由于吸收率提高而进行改造的综合习题，要求采用几种不同的方案进行计算，并对不同的方案进行比较。学生汇报方案的同时，教师对不同的方案根据工程实际进行分析，对比不同方案的优缺点和实现的可行性，让学生了解解决工程实际问题多样性、复杂性，工艺方案要兼顾专业理论知识、投资费用、实际用地面积等综合因素。学生通过团队合作学习有机会相互探讨，利用集体的智慧解决较为复杂的工程问题，提高的学生的学习效率，同时也培养了学生的团结精神和协作能力。团队合作教学模式如图1所示。

图1 团队合作的研究型教学模式结构图Fig.1 Structure diagram of research-based teaching mode of team cooperation

2.3 课程考核考试方式改革

考试不仅具有测评教师教学水平和学生学习效果的功能,也是引导学生积极学习的无形指挥棒。化工原理课程总评成绩原来由平时成绩+期末考试成绩共同评定，平时成绩占30%，主要由课堂出勤和作业来评定，作业一般为书本后的练习题，网上一般都有答案，因此平时成绩激励不了学生，为考察学生平时学习对课程知识的掌握程度，增加课程学习过程对学生的量化考核。学生成绩考核采取考勤(10%)、课后作业(10%)、课堂小测验(15%)、课外大作业(10%)与期末闭卷考试(55%)相结合综合考核方式，更加关注知识获取以及能力培养过程中的监督管理。其中, 课外大作业是给学生一个与该课程及工程相关的课题,让学生自己通过调研及资料学习,培养独立思考和灵活运用知识的能力,写出一篇有一定分量的论文报告,提高其综合运用能力。将化工原理课程分为流体流动及输送机械、非均相物系分离、传热、蒸馏、吸收、萃取、干燥7个性单元，每2个单元结束后进行小测验，测验成绩按一定比例计入平时成绩。将平时学习量化考核，督促学生在平时学习中不断进行总结、复习，加深了理解，促使学生及时了解在学习过程中对存在的问题，以便及时做出改进。

3 结 语

化工原理是化学工程技术学科的基础，化工原理课程的创新教育对培养化工类创新人才具有重要的意义。要开展化工原理课程的创新教育，关键是正确实施化工原理研究型教学，即在注重教学内容的基础上，以考核评价改革为辅助手段，从以问题为中心的教学模式和团队合作的教学模式入手，有效管理学生课程学习的全过程，才能全面培养学生的逻辑思维能力、团队协调能力、沟通能力和创新能力，为行业培养出符合社会形势发展的人才。