探究导向的化工原理实验教学设计与实践

王 娟， 钟 秦， 蔡文彬， 刘 飞

（1.南京理工大学化学与化工学院，南京 210094；2.南京大学出版社，南京 210093）

0 引 言

化工原理是化工类专业一门重要的专业基础课程，担负着由“理”及“工”的桥梁作用。化工原理实验是培养学生工程能力的重要实践环节，是加深理论知识、认识工程问题、培养工程素养的关键环节，具有工程启蒙意义。传统的化工原理实验主要为操作性或验证性实验，实验组织流程包括学生结合教材预习、指导老师现场提问与讲解、学生操作记录数据、撰写实验报告等环节。学生参与实验的兴趣不高，部分学生怀着“完成任务、拿学分”的心理，教学效果不够理想，主要体现在对工程问题认识不清晰、印象不深刻，甚至知其然不知所以然，与“金课”的标准还有一定的差距［1-2］。

全国各高校结合学情特点从不同角度开展了化工原理实验教学改革［3-13］。例如，徐威等［3］开展的原理驱动启发式教学，有助于学生更好地理解实验流程；武莉娅等［3］通过融入信息技术强化实验教学过程考核；秦晓丽等［12］将科研工作融入化工原理实验教学，提高了课程的“两性一度”。

另外，按工程教育专业认证要求，研究能力是化工原理实验课程支撑的主要毕业要求之一［14-15］。而化工原理实验学时少、学生工程知识积累不足，如何培养学生的工程创新能力是化工原理实验教学的难点。

为此，笔者深入开展了研究导向［16-18］的实验教学改革与实践，引导学生在实验准备、操作与撰写报告总结过程中学会发现工程问题、学习研究问题的方法，有效提高了学生分析和解决实际问题的能力。

1 教学改革思路与创新设计

本文以南京理工大学“填料塔流体力学性能与氧解吸传质系数测定”实验（本文简称为吸收实验）为例，阐述研究导向教学模式的设计思路和实施方法。

吸收实验教学内容包括填料塔流体力学性能和氧解吸传质系数的测定两个部分，选用的吸收剂为自来水，实验装置委托北京化工大学设计加工，实验流程如图1 所示［19］。

图1 吸收实验流程［19］

实验采用吸收塔和解吸塔双塔联合操作，在吸收塔内氧气和水并流接触形成“富氧水”，在解吸塔内富氧水解吸并释放出O2转变为“贫氧水”。具体教学改革措施如下。

1.1 实验教材的修订

实验采用校内自编教材，包括实验目的、原理、流程、步骤、数据记录表格和思考题等内容。其中，数据记录表格的设计是实验的难点之一。多数学生对教材上的数据记录表格仅是照搬使用，对表格的合理性和全面性缺乏深入的思考。为了提高学生的实验研究设计能力，明晰实验数据采集思路，教材重编时不再列出数据记录表格，要求学生在预习环节完成数据表格的设计，并在现场教学中结合实验装置以小组讨论的方式进行比较完善，最后对学生设计的数据表格进行现场点评，提高了课程的挑战度。

1.2 设备的优化设计

为了便于学生认识和理解不同填料对氧解吸传质过程的影响，实验室同时设计安装了4 套装填不同材质和形状填料的相同规格的氧解吸塔，并引导学生以小组合作的方式开展填料对氧解吸传质系数影响的研究。如图2 所示，包括瓷质拉西环、金属θ 环、塑料星形的散装填料和不锈钢的波纹网状规整填料。

图2 不同材质填料的选择（1∶1）

另外，在进行氧解吸实验操作时，由于学生对实验流程认识的不足，经常发生水倒灌入氧气转子流量计和氧气缓冲罐的“事故”。为此，杨祖荣等［19］在吸收塔前设计添加了一个防水倒灌装置，有效延缓了水倒灌进入氧气转子流量计的时间。然而，由于水无色透明，仍有很多学生在操作时由于未注意到防倒灌装置的液位上升而误操作。为此，将实验中这个“小问题”列为本科生科研训练“百千万”计划项目，并指导学生进行了深入研究，如图3 所示。

图3 实验设计问题研究立项

1.3 教学资源的丰富

针对学生在预习阶段对实验流程和涉及的安全等问题认识的不足，录制了实验现场指导视频，并在中国大学MOOC平台上线。

为方便学生查阅实验涉及的相关学科知识，基于南京大学出版社智学平台（http：/ /njupco. study100.net），以知识图谱的方式构建了包含化工原理实验在内的化学工程与工艺专业课程群。通过知识图谱学生可以方便地查找定位和实验相关的知识点视频。如图4 所示为吸收实验与化工原理理论课程关联的知识图谱，点击“吸收实验”，还可以呈现实验相关的重点或难点，进一步点击学习，如图5 所示。

图4 吸收实验与化工原理关联知识图谱

图5 吸收实验重点和难点分布的知识图谱

1.4 参数检测与控制仪表的设计

为了让学生了解现代化工生产过程参数自动检测与控制情况，本实验设计安排了两套流量和压力测量仪表，包括就地显示仪表和远传仪表，清晰呈现出“现场”和“控制室”的概念。例如，水流量既可以从图1中的水转子流量计（就地显示仪表FG302）读出，还可以通过涡轮流量计（远传仪表FI302）的自动检测在控制柜读出；空气流量既可以用空气转子流量计FG301检测，还可以通过采集孔板流量计FI301 的压降进行计算。

为方便学生学习，本文补充了吸收实验与化工仪表和过程控制课程的关联知识图谱，如图6 所示。点击“检测元件与变送器”模块，还可继续学习温度、压力、流量、液位等参数的检测与变送相关知识。

图6 吸收实验与化工仪表和过程控制课程关联的知识图谱

1.5 实验故障的沟通与处理

长期实验教学中发现，学生在操作中遇到问题时不善于主动分析与思考，遇到问题习惯直接找老师求助，例如，“老师，我们那套设备坏了，氧气压力很高了，吸收塔内都没有气泡”“老师，我们那组流量计坏了，全开了都没有水”等等。为此，要求学生在讲清楚故障后，分析可能的原因和初步的处置办法，例如，“我认为可能是水循环罐液位太低，导致水泵发生气缚，加水后仍不能送液，可能是泵内有气体积存，我想用扳手打开泵盖板处螺母排气检查下。”等等。

如果能够对设备故障有一定的判断和思考，并能在与老师的交流中获得指导从而解决问题，即使“误操作”或“误判断”也不会被扣分，还有可能加分。通过这样的方式有效促进了学生的主动研究与思考，一方面提升了实验课程的高阶性与挑战度，同时，学生的实验专注度和小组讨论热情明显提高，甚至其他小组遇到了问题，也会跃跃欲试。

1.6 实验报告的撰写

除了常规实验报告内容的撰写要求，我们还十分重视指导学生注意有效数字、图表规范、数据处理和实验心得体会等部分的表达，还希望学生对实验流程设计、实验装置安排和实验教学组织提出改进建议，鼓励学生的批判性思维。例如，有学生在“心得体会”除了表达“通过实验对相关理论理解更加深入”等，还提出：“填料由于长期使用，有的表层部分氧化变色或结垢，建议定期清洗或更换填料”“实验过程气泵一直工作，空气温度升高较多，影响实验结果，建议采用控温措施”等建议。反馈出该生在实验过程的细心观察和思考。

2 研究导向教学的实施

基于上述研究导向的教学创新设计，通过对实际工程问题的提问、追问和讨论，引导学生对实验进行深入的理解和思考，并对1 或2 个具体问题进行深入的研究，初步学习开展研究性学习的方法，教学效果明显提升。

2.1 课前“导学案”的设计

“导学案”主要由和实验相关的一系列思考题组成，思考题的设置主要希望学生通过查阅资料熟悉实验相关的工程背景，复习理论课程的相关知识，如填料层高度的计算方法、总体积传质系数的定义、“气膜控制”和“液膜控制”的特点等［20］，为实验方案的设计提供依据。

例如，课前要求学生思考，若需强化O2解吸传质过程，可采取什么措施？这是一个相对开放的问题，在实验现场笔者对学生提出的措施进行了深入的讨论。

大多数学生提出了“增加气体和液体的流量”的强化措施，因此追问：“增加哪种流体的流量更有效？”引导学生从O2难溶于水的物性分析，认识到传质过程为“液膜控制”过程，传质阻力主要集中在液膜内，增加液体的流量更有效。

另外，从吸收的操作条件角度考虑，学生很容易提出升温、减压有利于O2解吸的措施，这里重点引领学生从工程角度分析升温和减压的工程可行性，例如，升温或减压由于耗能而带来的操作费用提高，减压由于需要设备的密封及材料的耐压而导致的设备成本的增加和相应的安全问题等。

通过讨论，学生对强化传质的实验方案设计就了然于胸了。

2.2 课中在现场对工程问题的研讨

课中的提问与研讨主要围绕现场实验流程和实验方案展开。

例如，让学生根据现场实验装置判断O2解吸操作是加压、减压还是常压条件？

因为理论上减压有利于解吸，不少同学想当然地认为解吸一定是在减压条件下进行，却没有注意到现场水循环罐和解吸塔顶气体排出口都是与大气相通的。

有学生会问：“为什么解吸不在负压下操作，这样O2解吸效果不是更好吗？”

我们从实际工程应用的角度引导学生理解这个问题。虽然解吸塔负压操作O2更容易释放，同时对设备的密封、材料耐压等要求会导致设备成本明显增加，因次，工程上一般吸收操作采用加压，解吸操作则为常压，相对于吸收，解吸过程的压力还是下降了。

再如，解吸塔底贫氧水的排出管为什么设置成U型？多数学生都能回答出是发挥液封的作用。进一步追问理论课流体静力学方程应用章节讲过的液封原理与作用，不少学生想当然地认为是防止空气或水倒灌。那么我们就引领学生分析：“如果确实发生了流体的倒灌，其推动力是什么？”答曰：压强差。而外界压强是大气压，若产生压强差，塔内应是负压，这显然和实际情况不符，通过这样的逆向分析，培养学生的工程思维，提高学生分析和解决实际问题的能力。这个例子也反馈出学生对理论的理解与实际应用的差距，加强实验、设计等实践环节的教学指导十分重要。

2.3 创新意识的启迪与培养

我校来自安全工程和应用化学专业的3 名二年级本科生依托科研训练计划项目对本文1.2 所述的防倒灌装置进行了研究，先后提出了增加无水硫酸铜内涂层、内置防水贴和增加液位报警器等6 种改造方案，并对其可行性进行了比较研究，撰写了研究报告，在结题答辩中获得了评委老师的好评。如图7 所示为他们设计的部分研究方案示意图。如图8 所示为采纳学生研究方案加工的防倒灌装置实物。

图7 防水倒灌报警装置部分改造方案

图8 改造后的防水倒灌装置实物（1∶1）

通过上述研究项目的开展，学生查阅文献、动手能力、创新意识和报告撰写等综合能力有了明显的提升，改造过程中充分研讨了装置使用寿命、对实验系统的影响和相应的经济成本。尤其是将他们的设计加工成实物并用于实验装置时，他们感到获得了极大的鼓励，明显增加了专业自信。

2.4 职业工程素养的培育

研究导向教学重视学生职业工程素养的培育，例如，为了避免实验中大量用水的浪费和直接自来水供水可能存在的水压不稳定、相邻装置用水量不同而互相影响等问题，增设了水循环罐。再如，在氧解吸实验采样后，经常发生同组学生全部集中在O2分析仪处，实验设备无人监控，水泵、气泵均在工作，O2也一直在释放中，表现出小组同学没有合理的分工，同时缺乏节能的意识。

另外，学生在调节氧气缓冲罐压力时要么十分认真，脸部几乎凑近压力表；要么只顾低头调节氧气缓冲罐进口阀门，眼睛不观察压力表等现象，这都不符合安全操作规范，需要在课堂上示范和纠正，潜移默化培养了学生的工程素养。

3 结 语

针对化工原理实验教学对学生的研究能力培养的不足，按工程教育认证要求和一流课程标准开展了研究导向的教学改革与实践。对实验方案设计和操作过程隐含的实际工程问题进行了凝练和梳理，从实验讲义修订、实验设备优化、教学资源丰富、实验故障处理、和实验报告撰写等视角进行了实验教学创新设计。研究导向的化工原理实验教学模式的开展，激发了学生积极参与研究性学习与讨论的热情，提高了学生自主设计实验方案、撰写规范实验报告和实验动手能力等综合实践能力，培养了学生的创新思维和工程伦理素养，提高了课程的高阶性、创新性和挑战度，有效支撑了毕业要求的达成。