提高化工工艺学课程教学质量的方法

赵苏亚，梁鹏举，陈亚辉，吕喜风

（1.新疆兵团南疆化工资源利用工程实验室，新疆阿拉尔 843300；2.塔里木大学化学化工学院，新疆阿拉尔 843300）

化工工艺课程具有内容丰富、多学科相互交叉、实践性和理论性强等特点，对一个化工工艺的设计和分析，在考虑环保、安全、经济的情况下结合热力学和动力学两方面的影响因素来完成[1]。化工工艺学课程主要是在化工设备、化工原理、分离工程等课程方面的延伸，从而形成的一门学科，化工工艺学课程主要的内容关系到分离与反应过程的设备与方法选择等，这门学科是将实践与理论进行了有机融合，可以为学生毕业之后从事科研与化工相关的工作奠定基础[2-3]。但在实际的教与学的过程中对于化工专业学生来说，由于物理和工程力学基础普遍相对薄弱，学习难度大，因而教学效果不够理想且容易与实际脱离。此外，化工工艺学介绍了几个比较典型的工艺过程，而这些工艺过程的分析其实遵循着同样的原理，如操作参数的选择，都是结合动力学和热力学两方面的影响进行取舍[4-5]。而在讲授型课堂中，老师通常会对每一个工艺都进行一遍同样的分析，容易使课堂变得重复无聊，学生的学习兴趣会极大降低。为了提高学生的学习兴趣，就需要对现有的教学方法进行改进提升，现有的教学手段大多是基于课堂的讲授式教学，对于激发学生的学习兴趣方面还有不足之处。同时，化工工艺与我们的日常生活息息相关，化工工艺品在日常生活也总随处可见，所以在教学过程中要紧密与生活相结合，这样就有助于学生的理解和掌握。本文基于这门课程的教学特点，就提升化工工艺课程的教学质量提出一些意见和建议。

1 项目式教学方式

讲授型课堂中，老师通常会对每一个工艺都进行一遍同样的分析，容易使课堂变得重复无聊，学生的学习兴趣会极大降低，无法开发学生的创新和主动学习的能力。为了打破传统教学模式的局限性，采用项目式教学的方式，如以主要生产的产品，学生主动思考生产工艺过程中的生产原理、生产过程、动力学、热力学取舍、方法、设备选择等，使学生更主动地学习。以第三章氮加氢制合成氨教学为例，设计如图1所示。

针对原料合成氨这一工艺，为了制定科学的流程，教师应该提出下述几个问题：首先是目标产物需要经过何种反应才能生产？反应的具体原理是什么？反映了动力与热力学哪些方面的特征？采用其他原料怎么样、如何选择适宜的反应条件、催化剂？这种反应需要何种类型的反应器？在进行反应之后形成的新物质与氢气通过什么方式来循环回收、分离以及其存在什么理化性质？结合一系列的性质，应该需要通过何种回收、分离方案？需要在何种环境中进行？进一步总结课程的教学思路，详见图1。结合该教学思路，在老师的引导下，以学生生产符合要求的产物为基本目的，考虑该目标的实现适合哪种反应，然后全面地分析经济指标与环境因素，进一步明确单元操作，从而形成工艺流程[6]。并且，该教学思路的适用范围较广，能够使学生掌握全局，使学生主动学习。

2 科研教学相融合的教学手段

化工工艺学是一门实践性较强的学科，对于化工各专业学生，老师可以将自己的科研项目融入课程，做好教学和科研之间的相互融合，可以有效促进学生对课堂理论知识的快速消化，同时也能扩展学生的知识层面，这样也可以激发学生对有机化学的学习兴趣。

例如讲到无机化工反应单元时，会讲到焙烧与煅烧，焙烧和煅烧是两种常用的化工单元工艺，除在无机盐工业中处理矿石或产品加工以外，在制备生物质吸附材料时也经常用到。目前利用农业废弃物制备碳基活性炭吸附有害物质是一种“以废治废”的有效手段，但在制备的过程中吸附性能、得率等受到焙烧温度、时间等因素的影响，研究其制备过程中的最佳制备条件，对制备高吸附性能的生物质基碳材料具有一定意义。通过这个讲述可以使学生了解到前沿的研究，激发学生的科研探索精神。以下是指导学生通过查阅相关文献制备的生物质碳基吸附材料时，温度对吸附性能、得率、粒径等性质的影响结果。

在不同温度下，枣木炭和棉秆炭的得率，挥发分、固定碳、灰分测试结果如表1所示。由于棉秆、枣木中不同组成成分的含量不同，得率也不同。随着温度的升高，两种炭的得率均不断下降，在700℃时棉秆炭的得率下降为30.15%，枣木炭下降为25.7%。可见在低温下生物质中半纤维素和纤维素开始大量分解，生物炭质量下降，产率变化较大，木质素主要在高温阶段分解；随着热解温度的升高，原材料热解趋于完全，所以产率变化逐渐稳定，变化较平缓[7]。当温度较低时（400℃），挥发分尚未完全析出，温度升高（600℃），纤维素和木质素不断裂解，挥发分开始大量析出，残留在生物炭内的挥发分减少，导致挥发分在此温度下急速下降。700℃时挥发分含量变化缓慢，说明挥发分几乎全部析出。可见，较高的温度能够促使气体与炭的二次反应，且使得挥发物逸出，而不是裂解为炭。因此，枣木炭和棉秆炭的得率随温度的升高而降低，而固定碳和灰分相对增加，导致炭中挥发分有所下降。

表1 两种生物质炭的工业分析结果 %

不同的热解温度对枣木炭和棉秆炭的亚甲基蓝和碘吸附值差异明显。如表2可知，随着温度升高，枣木炭和棉秆炭的亚甲基蓝值均呈先增大后减小趋势；枣木炭的碘值持续增大，棉秆炭的碘先迅速增加后降低。实验结果表明，在700℃时制备的枣木炭的亚甲基蓝值和碘值都达到了最大值，分别是79.5 mg/g、447.71 mg/g，分别约为400℃时所制备炭材料的2.2倍和1.2倍；而棉秆炭的亚甲基蓝值也在700℃达到最大值258 mg/g，是400℃时的10.75倍，而碘值在温度为600℃时达到最大值，为1 377.57 mg/g，是400℃时的2.6倍。碘值和亚甲基蓝值的增加表明，随着温度的升高，炭的微孔、中孔数量有明显变化。温度由400℃升高至600℃，棉秆炭的亚甲基蓝值急速增加，温度增加至700℃时，亚甲基蓝值增加速度缓慢，而碘值则有所下降。这表明随着温度的增加，棉秆炭的微孔数量也有所增加，中孔数量有些许下降。高温条件下木质素分解产生的气相产物逸出，导致了生物质内部更深层次的变化。另外，随着温度升高，生物质芳香性增强，结构更为致密，并产生大量的微小孔径[8]。

表2 两种生物质炭的碘/亚甲基蓝吸附值结果

学生表示，通过实践训练，将理论知识与实际很好地结合了起来，帮助他们树立了严谨的科研态度，还拓宽了他们的知识层面，并且在实验过程中的不断找出、总结失败的原因，磨炼了他们不怕失败，遇事不退缩的精神品质，增强了他们科研信心，激发了学生对科学知识的探索。同时在一定程度上激励了学生对课堂理论知识的学习兴趣，激发了学生对这门课程的喜爱。这也充分体现了“科教相融、教研相长、注重实际发展”的人才培养体制，很好地提高了教学质量，实现了“寓教于研，不流于形式”。

3 丰富多样的教学方法

对于大部分同学来说一堂课程的知识点是可以及时掌握理解的，但也有少部分同学由于之前的基础课程知识掌握不牢靠等问题，对于本课堂知识点的掌握不是很透彻。同时也有些学生相对比较内向，课堂上遇到了问题不敢举手，课下不敢询问，这样长此以往，这些学生就会对这门课程失去兴趣。受到疫情影响，部分学生无法返校上课，各高校纷纷将雨课堂、慕课、智慧树、学习通，以及钉钉、腾讯会议等网络平台引入教学。课前：通过网络平台不布置课前预习、资料分享等，让学生提前了解预习本节课的知识点；课中：老师也可以通过语音、弹幕等功能及时关注并解答线上学生的疑惑，增加师生互动，活跃课堂学习氛围，增加学生的学习热情；课后：内容会自动保留在平台，方便学生回看温习，还可在平台上发布作业，学生完成后交到平台，方便老师统计成绩及了解学生对知识点的掌握情况。

4 引入思政元素，加强人文教育

人文素养是一个民族、一个国家的可贵品质，为了提高学生的人文和政治素养，从而提高化工工艺学这门课程的教学质量，可以在化工工艺学的教学过程中有机地融合化工工艺的发展历史，可以给学生讲身边用到的化工产品的生产工艺发展过程，学习科学家们在实践中奋斗不屈的精神，让学生接受人文精神的熏陶，以史明志，以史明理，以史为鉴，培养全面发展的高素质人才。

如第一章绪论的教学中，着重论述了疫情防控有关的案例，比如在疫情暴发初期，口罩的需求量暴增，而熔喷布作为其主要的原材料，需求也迅速增长，当时口罩十分缺乏。而熔喷布最核心的材料就是聚丙烯，该材料属于石化工业下游产品，所以说只有化学工业发展到一定程度，才能为国民提供口罩，以更好地开展防疫工作。根据这一案例，可以引发学生思考，通过学习化工在某些方面可以为国家作贡献，有利于提高学生的社会责任意识与职业认同感。在第二章中能源里可以放能源的纪录片，引发学生对现在能源现状的思考，以及在制备化工产品时如何选择才能为祖国节能减排，为我国早日达到“双碳”计划作出贡献，激发学生创新思维的同时增强环保意识。在第三章烃类热裂解的教学中，引导学生了解现阶段使用的各种催化剂，如何做到绿色催化剂。

所以通过每一章节与思政课程进行融合，让学生积极主动思考未来化工的发展方向，激发学生学习内在动力，思考自己是否符合当代大学生思想政治要求，让学生的思想认识得到进一步升华，从而促成从“要我学”到“我要学”的学习动机转变，使思政教育和提高课程教学质量相互促进、相得益彰。

5 优化课程考核方式

对于化工工艺学这门课程的考核方式基本上是平时成绩加期末成绩，但是主要以期末成绩为主，一般期末成绩占总评成绩的70%，这样虽然在一定程度上反映了学生对课本知识的掌握程度，但是却忽视了学生平时学习的状况。另外，化工工艺学课程的实践性较强，需要学生将理论和实际应用联系起来，应当更加注重平时学生对知识点的理解和应用程度的掌握。随着“互联网+”的发展，各种先进的技术相继涌现，教师可以根据实时环境，通过学习平台中的信息，导出学生在班课中签到、课前预习、课后复习、参与活动等相关的数据，明确其权重，然后进行加权计算，作为考核学生的平时成绩依据，建议在考核部分占比30%；由于化工工艺学每单元涉及的单元工艺都有较大差异，知识点复杂繁琐，建议设置单元测试，成绩在考核部分占比30%，那么期末考核占比40%，其中在期末考试中增加以完成某一产品工艺流程为目标的综合性试题，用于考查学生解决开放性问题的能力，同时反馈问题导向教学理念在实际应用中的问题，以便及时调整教学方法。这不仅可以实现对学生长时间的考核、监督，也可提高学生对这门课程的专注度和参与程度。

6 结束语

在化工工艺学教学过程中，为提高教学质量就必须不断创新化工工艺学的教学方法和手段。根据学生的特点灵活改变教学方法和模式，将教师科研融入教学，做到科研反哺教学，同时，在授课过程中要坚持以人为本的教学理念，重视学生对理论知识的学习、应用创新能力和人文素养的培养，从而提高化工工艺学的课程教学质量。