新工科理念下化工原理实验教学改革初探

朱丹琛 陈彰旭 郑炳云 刘秀秀

(1. 莆田学院 环境与生物工程学院，福建 莆田 351100；2. 福建省新型污染物生态毒理效应与控制重点实验室，福建 莆田 351100)

近年来，为推动高等学校工程教育发展，适应新一轮的科技革命和产业变革，国家教育部及众多教育工作者积极推进“新工科”建设。“新工科”理念明确工程教育的重要地位，致力于培养专业基本功扎实、实践能力强，同时具备整合能力、有全球视野、能适应快速变化和解决矛盾问题能力的工程技术人才[1]。“新工科”以新经济、新产业为背景，既包含信息化、智能化的新兴工科专业的建设，也包括传统工科专业的改革创新[2]。

《化工原理实验》课程是高校化工类专业一门必修的专业基础课程，是将化工原理的理论知识应用于化工单元操作的重要实践环节。传统的实验课程中，学生机械化地进行实验，无法满足新工科对高校人才的培养要求，因此应主动改革该实验课程的教学。本文总结了近年来我校化工原理实验课程的改革思路，包括如何提升课程在人才培养体系中的作用，如何调动学生实验积极性，如何践行OBE理念并激励学生“在做中学，在学中做”，如何进一步深化所学知识并培养工程安全意识，如何提高学生的工程实践水平。这些举措促进学生通过实验课程加深理论知识，锻炼实践能力，提高解决问题的能力。

1 实验教学内容

1.1 提高设计环节的比例

化工原理实验以实际生产中的单元过程设立化工单元操作，在实践过程中验证化工原理理论，从而学习工程试验的原理和测试手段，初步建立学生的工程概念、培养学生的创新思维和能力[3]。化工原理实验项目主要有综合和验证两个类型，验证实验通过学生动手对仪器的操作，掌握典型的化工单元操作实验，通过数据处理和实验报告达到对化工单元过程的理解和掌握，巩固和深化所学的理论知识。综合型实验不仅要求学生掌握各单元实验的操作，还要求根据所学的理论知识，选取参数、控制比例，并确定实验方案，进而分析判断所测数据的准确性或计算效益，达到综合训练的目的。

为响应新工科对人才的要求，提高学生参与实验的积极性，可以增加综合型实验，也可以在一些验证实验适当地加入设计性环节，提升该课程在人才培养体系中的作用。在综合实验和一些设计性的环节中，引导学生根据所学的知识选取参数、控制比例，确定实验方案，并运用理论来分析设计的理由和可能的结果。如：化工流体过程综合实验通过问题：要测得完整的离心泵特性曲线，测试点应如何分布比较合理？哪些测试点比较关键？引导学生合理设计数据测试点，得出离心泵效率最高点附近取密集的测试点的结论。

1.2 知识交叉融合

新工科人才培养目标是适应并满足未来新兴产业和新经济需要，培养具有更强实践能力、创新能力、国际竞争力的高素质、复合型人才。化工相关行业的人才需求与此高度契合，因此对化工专业学生的培养不仅需要学生有扎实的化工专业基础知识，还要求学生具备相关课程知识、交叉融合学习和应用的能力。化工原理实验装置中的各类仪表和自动控制等装置涉及到工程仪表及自动化、计算机技术、机械构造等技术领域；实验数据的处理涉及到《实验设计与数据处理》、《化学化工常用软件及应用》等课程。传统的实验教学仅仅要求学生利用这些仪表获取工程过程中的基本测量数据、验证基本理论，缺乏对其他领域和其他课程的知识融合。改革后的课程中教师应对这些知识进行综合应用，有效训练学生对各课程知识的融合和拓展。比如每台化工原理实验设备上都有仪表，教师示范仪表读取、调节和设置方法时，引导学生回顾《化工仪表及自动化》课程中仪器仪表的相关知识，如测量元件的控制规律、流量计的类型等内容。

2 实验教学方法

化工原理实验设备、实验流程，以及数据处理方法与以往的基础实验相比，复杂程度明显上升。这就需要教师灵活的采用示范式、互动式、探究式、案例式和基于问题学习(PBL)等多元化教学方法，结合现代教育技术和手段，让学生“在做中学，在学中做”，将工程概念的培养渗透到课前预习、教学过程和实验报告环节中。

2.1 课前预习

化工原理实验课是在化工原理的理论课程之后开展，上课之前，老师应该有针对性的要求学生复习相关的理论知识。

针对学生课前预习率低、预习报告潦草应付、依靠老师实验前的讲解来把握实验等问题，可以通过网络教学平台的资源，达到有效预习的目的。实验课之前，要求学生观看超星泛雅、MOOC上的教师操作仪器的视频，学生可以提前熟悉仪器和操作手法，此外，还可以通过虚拟仿真实验解决因实验设备套数不足而导致学生动手机会少的情况。每位学生都可以虚拟操作实验，熟悉各个化工单元操作流程和注意事项。这样在实验课中，学生就能得心应手的进行实验。此外，超星平台上还建立“资料”、“作业”“讨论”等互动栏目，可进行线上线下教学互动。如“讨论”栏目中设置精馏实验的问题：如何防止溶液暴沸？暴沸的原因是什么？取样分析应注意什么？进料、塔顶、塔底的折光率大小顺序如何？何时可以取样分析？学生课前进行讨论学习，提高预习的质量。

2.2 教学过程

传统的实验教学流程中学生过于依赖老师和教材，不利于工程概念的培养。在新工科背景下，对学生的创新能力、发现和分析解决问题的能力尤其看重，教师可以通过以团队为基础的学习(TBL)、基于问题的学习(PBL)的方法，践行OBE理念，提高学生学习和思考的积极性。

教师通过问题切入实验，考察学生预习情况和对实验的把握程度。不急着纠正学生的错误，而是引导学生带着这些问题去探索实验，小组内讨论分析，发现自己的错误。除预留的预习问题，还可设置一些关于设备结构和流程的问题，如：填料吸收实验中填料塔中水和空气或氨气的流向？吸收塔塔底为什么必须有液封装置，液封装置是如何设计的？恒压过滤实验中板、框、洗涤板有什么区别？过滤和洗涤时，液体流向？此外，实验流程及注意事项也可适当的转化为问题，贯穿整个教学过程。如：传热开关先开后关，离心泵开启前，为什么检查所有阀门关闭？其他类型的泵应该怎么操作？实验过程若有设备损坏或故障，由教师指导学生小组讨论找出损坏或故障和原因。这样的实验过程以问题为导向，由学生主导，通过团队合作进行实验操作和讨论解决各种问题，能有效提高学生实验的参与度和分析解决问题的能力。

2.3 实验报告

此课程前，学生尚未接触过工程类实验，对实验的印象还停留在基础实验上，面对复杂的装置和大量的实验数据，无法从整体上把握数据；对实验中数据的波动还停留在设备老化层面上，很难进行深入的分析。针对前者，要求每组至少一位同学携带电脑到实验室，在实验操作结束后，将数据输入电脑，并进行简单处理。学生运用Excel或Origin软件处理数据和作图，处理数据中碰到的难题能及时请教师协助解决，这样学生的数据处理水平得到切实的提高。针对后者，教师应当充当引导的角色，引导学生比较实验中不同参数对过程的影响、新旧设备实验数据和结果的不同等等，使学生能够体会工程与科学的区别与联系，加强教学效果，也有利于学生理解工程概念[4]。最后，小组内讨论数据的合理性，教师评价学生对实验结果分析的把握程度，进而引导学生完成一份完整的工程性报告。

3 成绩评定标准

实验课程成绩是教师对学生学习态度和效果的综合评价。通常实验课程由预习报告(平时成绩)、实验报告和考核三项评分组成，按比例综合后得到最终成绩。但由于预习报告几乎雷同，同组同学的实验报告相似，导致成绩无法真实客观的体现学生综合情况，学生也因此缺乏积极性。

为了改善这点，教师可适当提高实验过程和实验效果在成绩中的比例。平时成绩按分项考核记分，综合评定学生各个实验环节的成绩，通过学生预习和实验过程中预留问题的回答情况、实验操作掌握程度、处理问题的能力等方面进行评分，突出实验过程的表现成绩，让学生重视实验过程的操作技能和处理问题的能力。对预习报告不完整者在平时成绩中适当扣分。实验报告中要求学生选一组数据进行示例计算，所选数据组内不得重复。结果分析部分自我组织语言，不得抄袭，抄袭不得分。这样将考查贯穿整个教学过程的综合考评，既可以调动学生实验的积极主动性，又可根据学生的学习效果进行针对性的改进，完善教学过程，提高实验教学质量。

4 技能竞赛

为了推动高校化工类专业“新工科”建设，加强大学生综合素质与能力培养，自2017年起，教育部高等学校化工类专业教学指导委员会协同中国化工教育协会举办了全国大学生化工实验大赛。大赛考察大学生的化工基本理论知识及工程实践能力，还考察其团队协作能力、应变能力和安全责任意识。与化工原理实验教学相比，大赛的赛题难度与广度都高出很多，要求学生能够灵活应用化工基本理论知识，并且具有广阔的化工知识面。我校鼓励学生参加竞赛，教师在赛前对选拔出来参加竞赛的学生进行针对辅导，通过化工实验大赛，学生的理论和实践能力都有很大的提高。

5 安全意识

近年来，高校安全事故频发，这其中有管制不够严格的因素，也有学生们欠缺相关知识、自我保护能力差的原因。提高学生的安全意识和自我保护能力，迫在眉睫。化工原理的实验设备不同于以往基础实验的小型仪器，设备的流程与实际生产接轨，设备的规模通常接近实际工程的中试规模，体积较大，且实验中经常会涉及电、水、蒸汽等。这给实验增加了很多的危险性。教师在实验教学中不但要教学生如何正确使用实验设备，还要要求学生在每个实验进行前，评估设备是否完好、化工实验中涉及的电、水、热的安全性和安全防护措施情况，并分析可能发生的突发情况，如何做好自我保护措施、掌握撤离路线。通过这样的评估和分析，提高学生在今后的就业中的安全意识和自我保护能力。

当然，灌输安全意识并不是让学生害怕而不敢操作，而是让学生学会评估安全性能，实施自我防护，将危险控制在可控范围内，如传热实验，布置学生查阅人体皮肤烫伤的资料，了解热源的温度和作用的时间这两个烫伤的因素，学生学会评估传热实验以及今后接触到热源时是否应带手套；精馏实验的原料均为可燃物，布置学生查阅乙醇和正丙醇的闪点和爆炸极限，让学生认同严禁明火的重要性，再通过问题“若不慎引燃，少量和大量时应如何处理？”训练学生处理突发情况的思维。

6 结语

化工原理实验是化工类学生首次接触到的工程类实验，对培养学生的工程意识和创新能力至关重要，能有效提高学生的工程操作能力和综合应用技能。基于新工科理念的契机，完善化工原理实验的教学内容、教学方法和考核方法，提高学生的安全意识，有利于提高教学质量，为培养具有综合工程技术能力的新工科专业人才奠定良好的基础。