基于知识集成再利用的化工综合实验教学研究与探索

＊李春香 杨春晖

（哈尔滨工业大学化工与化学学院 黑龙江 150001）

化工专业是高等工科教育中一个实践性很强的专业。专业实验教学不仅能够加强学生对相关专业课程的认识，对课程教学有很好的辅助性，也能提高学生在化工领域的实践和创新能力，对行业内的产业和技术有形象化的认识，有利于学生毕业后的择业和参加工作及继续深造后技术工作的开展。教育部在2009年拟通过“卓越工程师教育培养计划”，从而提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力，特别是对知识的集成再利用能力，创建具有中国特色的工程教育模式。

1.化工综合实验在化工实验教学体系中的地位及作用

“化学工程与工艺专业综合实验”简称为“化工综合实验”，是立足于《化工原理》而发展起来的一门实践课程。化工综合实验集成了仪器化学、分析化学、物理化学、机械制图等多学科知识，服务于学生化工实习，在锻炼学生专业操作能力的同时提高知识集成的运用能力。因此化工综合实验从实验内容和实验方法的设计上，一般至少由两个二级学科组成，将学科交叉和知识集成体现在实验内容中。鉴于化工综合实验的知识集成特点，它是一门适宜针对大三、大四学生开设的综合性实验课程。通过化工综合实验的实践训练，让学生综合运用2-3个不同学科知识点，解决一个小而典型的化工问题，从而培养学生的知识集成能力以及集成知识再利用能力，为将来解决实际化工问题奠定基础。

2.化工综合实验的实验教学中存在的问题

(1)我校化工综合实验教学现状

只有通过工程教学实践，才能培养工程应用型人才。而工程应用，必然是知识的集成再利用过程，因此国家、各高校在实践教学硬件特别是综合实践教学硬件上的投入逐年增加。但由于课程体系设置的学时受限等原因，实验教学很多仍停留在重演示、多验证、少设计性、缺乏创新性的阶段。经过前几年的本科教学评估活动，实践教学存在的问题有所改善。特别是近年来的专业认证，对实践环节的要求越来越高，其评估指标中规定了各类院校达标所要求的生均仪器设备最低占有量，以及各类设计性、创新性、综合性实验必须占总实验项目的最低比例数。

我校化学工程与技术学科为全国评估前八名的一级学科，同时我校学生毕业后多是入职企业，因此在课程安排和设计中更多地培养学生的实际动手能力也是化工综合实验内容设置的重要依据。依据我校本科专业课程设置特点并结合化工专业特点，化工综合实验从基础数据采集分析、化工流体、反应化学工程等方面开设了基础理论“测试误差与数据处理（4学时）”，以及多功能精馏、化工流体过程综合、洞道干燥实验装置、化工传热综合、固定床催化制备等十五个实验单元，共计72学时（表1）。

表1 化工综合实验项目内容及学时安排

化工综合实验中涉及的实验操作装置与化工企业同步，以面板数显操作为主，有利于学生熟悉化工企业实际操作方法。同时装置还可拆解进行微型化工单元操作，以便加深单一知识点的理解认识。以CO2吸附与解析实验为例，该实验为6学时实验内容，实验理论涉及物理吸收、化学吸收等基础化学理论知识，也包含气-液平衡关系、流体力学、传质、塔料填充、物料平衡等多学科专业化工理论知识。通过了解实验装置即可了解企业填料塔的基本构造、塔柱生产运行过程等；通过学生实践操作即可实现填料塔的操控并获得不同CO2吸收率和解析率的产品；通过气相色谱等仪器的检测操作实现产品制备到产品定性的检测与理论计算。由于实验的知识集成以产品的具体形式体现，学生对产品的高度关注也同化为实验过程的高度认真和细致；各实验组产品的差别顺势激发学生提问、分析、思考和判断等一系列综合过程，将一般课堂上的被动学习转变为主动学习，大大提高了实验教学效果和学习效果。在目前已开设的十四个化工综合实验中，这种既制备又表征的综合实验有六个，占开设实验的43%，这主要是依据我校工科教育特点，在实验课程中注入科研探索性质，目的在于通过实验课程的学习，了解并熟悉一些基本的科学研究方法，进而激发学生对科学研究的兴趣，为学生本科教育结束后的继续再教育或产品研发奠定基础。专职指导教师一次指导2～3名学生，较高的设备占有率给学生实验提供了更多的动手操作机会，多专业综合也对实验教师提出了更高的要求。

化工综合实验不仅面向化工学院所有学生，也对我校其他院系如材料学院、英才学院学生开放，实现了实验对象的开放，将化工综合实验的受益对象扩大至全校范围。在具体的实验教学中，不同学院学生组合成实验小组通过4-8学时的协作实验，不仅促进了学生之间的沟通交流，使得各院之间的学院文化交互影响，学生之间相互取长补短，也能充分发挥化学工程与技术一级学科的优势，扩大在外院学生中的影响力。

(2)我校化工综合实验考核现状

通常，我校对学生实验课的成绩考核由实验前预习（10分）、实验中操作（30分）、实验报告（10分）、笔试成绩（50分）四个部分构成。由于化工综合实验是一门综合了多个学科的综合性实验，是区别于其他专业指导实验课的独立的实验课，因此目前我校化工综合实验也采取了不同于其他实验课的考核方法。学生实验成绩的评定，不仅包括实验过程中操作情况、预习报告和实验报告的完成情况、对教师提问的回答情况，也包括对设备拆解、组装的能力、处理突然情况的应变能力。如四位一体多功能精馏实验，学生在实验教学中的第一步是辨识仪器设备，针对具体的实物装置绘制平面装置图，学生不仅需运用“机械制图”的理论知识进行实践，也会加深对四位一体多功能精馏实验装置运行过程的理解。在实验过程中，学生自主调控塔釜加热电压从而控制塔顶温度，微调第三至第十块塔板温度，充分发挥学生的主动性。在学生自主控制实验过程中，虽然不可避免的会出现操作“误差”，但通过对这些由自身操作引起的非正常状况的修正，不但能加深学生对实验内容、课程理论知识的理解，也可以强化学生在化工操作中的安全意识。在化工传热综合实验装置实验中，授课教师通过“如何区分强化管和普通管”等问题的开放性提问，能激发学生的创新意识。目前，我校化工综合实验这种特殊的考核方法收到很好的教学效果，但对指导教师的责任心和专业理论知识及综合能力要求较高，这也对实验教师的专业素养提供了发展方向。

(3)对我校化工综合实验的建议

我校化工综合实验开始于2011年，实验内容以及实验设备的确定主要是取决于我校化工专业特色以及化工企业的综合需求，与化工企业类似的微型反应设备、新的实验内容，这些不仅对学生而且对实验指导教师都有一定的难度，如何提高实验教学效果、充分利用现有仪器设备是我校化工综合实验急需解决的问题。对此，我们对化工综合实验有如下几点建议：

①提高检测设备台套数，扩大检测过程课时占有量

我校化工综合实验的实验教学是2～3名同学组成一个实验小组，配备一台实验设备和一名指导教师（图1），实验学时数多数为4～6学时，但在目前已开设的六个既制备又表征的综合实验中，学生的制备操作过程占整个实验课时的95%以上，一台检测设备供2～3名学生同时检测，课时有限使得学生仅能匆忙进行实验结果检测，未能充分认识检测设备，大大降低了实验教学中学生的知识（信息）获有量。

图1 《化工综合实验》课程配套部分仪器

②充分开放实验设备，提高设备利用率

目前我校化工综合实验仅实现了实验对象的开放，还未实现实验时间、实验设备的全面开放。开放实验时间，在实验时间上老师和学生双向选择，不但能避免实验时间与其他课程冲突，也能规避集中时间段进行72学时综合实验给实验教师和学生带来的压力。由于化工综合实验均采用微型化的化工企业实际生产装置，拆解开可以进行单一知识单一的单元实验操作，组装起来可以进行多单元或综合实验操作，因此不仅可用于基础实验教学，也可用于综合实验教学和相关科研的中试测试。

③实验教学遵照但不拘泥实验讲义，提高实验创新性

实验讲义是化工综合实验顺利进行的前提和基础。在实验教学过程中，以实验讲义中的设计内容和操作步骤为基础，加以创新和改良，会进一步提升化工综合实验对课堂教学的服务作用，也能增加学生的实验热情。

④完善实验考评机制，提高考评公平性

与我校其他实验课的考评方式不同，化工综合实验的考评尚未设置笔试考试项目，实验课成绩来源于十五个独立实验的总和平均成绩。而在实验前、实验中、实验后这三部分考评中，十四位实验教师的评价标准会略有不同，且实验教师的主观性较强。在现有的三大块考评中，增设实验指导教师对其他实验的相互考评，同时在化工综合实验中增加笔试考评部分，不仅能增加学生对实验课的重视程度，也能提高成绩的公平性。

⑤借助虚仿实验，提高自动化控制类实验效率

随着高等教育改革的不断深化与学生培养方案学时的不断压缩，实验教学环节的课时减少与学生工程实践能力培养需求逐步提高之间的矛盾日趋明显。而虚拟仿真实验是教育部倡导的以课堂教学主阵地，以破解高校实验实训教学老大难问题而开辟出的“智能+教育”新途径。化工综合实验项目虽然不属于实践课中的“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”范畴，但部分实验项目的操作主要通过控制面板进行，已不属于传统意义上的化学实验范围。因此，将传热综合实验等更侧重原理的实验项目，开发为虚拟仿真实验教学内容（图2），不仅可以完成传统实验教学的要求，更能提高学生实践效率，也是高校实验教学改革的大方向。

图2 传热综合实验虚拟仿真操作界面

⑥冷态仿真与热态实验室操作相结合，助力师生共同成长

借助现有的虚拟仿真实验教学资源，建成冷态仿真与热态实验室操作相结合的实验教学体系，通过冷态仿真，实现教学内容对化工、材料、能源等多学科专业涵盖，满足学生的学科交叉需求。同时培养学生对于产品设计和产品制造的系统观、全局观，全面提高工程实践能力。同时，在冷态仿真过程中，可以充分实施“互动式”预习、虚拟实训、“翻转课堂”、多维评价相结合的教学方法，进行多维教学探索与实践，帮助教师成长。

3.结语

实验教学是高等教育特别是工科高等教育实现人才培养、提高学生实践能力的一个重要环节。综合型实验课程的设置是对实验教学体系进行的尝试性改革。哈尔滨工业大学化工综合实验课，充分发挥了我校化学工程与技术一级重点学科的优势，以及学院的师资和科研优势。通过化工综合实验课程，实现校级资源共享。通过化工综合实验，可为学生后续学习、工作打下良好的基础。同时，我校化工综合实验也存在许多不足之处值得我们去探索和改进。但总的来看，相信随着实验教学在工科高等教育中越来越受到重视，我校的化工综合实验课也会成为教师及学生的重点研究、探索内容，成为化工教育中学生不可或缺的一门实验课。