化工原理教学中学生工程能力的教学

2022-09-21 16:46:48 来源:写作指导

[摘要]化工原理系列课程是化工类专业的重要基础课程,课程能培养学生的工程实践能力、创新思维能力,为适应新经济形势下对工程技术专业人才的需求,从理论教学、实验训练、大作业和课程设计三个方面做了探讨,阐述了化工原理理论教学与实践训练过程对培养学生工程能力的作用和一些教学方法,目标在于培养工程能力强的工程技术人才。

[关键词]化工原理;实践能力;工程能力;教学改革;工程教育专业认证

工程教育认证已经逐渐成为国际上保障工程教育质量的一种手段。我国工程教育专业占高等教育专业设置的1/3,工程教育为我国高等教育重要组成部分,在国家工业化的进程中发挥了重要的作用。目前我国越来越多的高等学校的约上千个专业如高分子材料、机械制造及自动化、化学工程与工艺、制药、环境、应用化学和食品工程等通过了工程教育认证。当前我国正处经济发展方式快速转变、很多行业与产业面临转型升级,向清洁、低碳、集约与可持续方向发展,迫切要求高等工程教育为新科技、新产业、新经济提供服务支撑,对工程技术人才提出了新的要求。教育部明确要求提高高等教育质量,重视学生实践能力、创新能力的培养,进行教学改革,建立有利于培养学生创新能力、实践能力的教学体系。高等教育的任务之一是培养拔尖创新人才,化工原理为化工、高分子、食品、生工、化工机械等专业的专业基础课程,涉及的内容包含流体输送、加热、冷却、蒸馏、吸收、萃取、干燥等一系列的操作单元基本原理和设备,这些单元操作和设备广泛应用在化工、冶金、能源、食品、轻工、核能和环境等领域,因此化工原理课程内容具有复杂性、多样性、工程性,能培养学生的工程实践能力和一定的创新能力,尤其是解决复杂工程问题的能力。目前我国高校对工科学生工程实践能力的培养日益重视,但是我国长期以应试教育为主,教学上重理论、轻实践,学生大多工程实践能力低下,创新能力不足。培养具有工程创新能力与实践能力的化工专业人才,就必须重视化工原理系列课程的工程教育,让理论知识教育与实践能力培养紧密结合,这样才能培养能适应工程领域国际化的发展趋势出工程技术人才。我校2017年化学工程与工艺专业通过了国家工程专业认证,这几年环境工程、过程装备与控制、高分子材料专业也陆续通过了工程认证,应用化学、食品工程等多个专业也正申请与开展专业认证工作,因此开展化工原理课程教学改革,提高课程教学质量,增强学生的工程创新与应用能力,是我校适应新经济发展形势专业工程技术人才培养的必由之路。

1树立工程观,学习过程注重学生参与

由于化工原理涉及的理论和设备广泛用在工业各个行业,因此每个单元过程课程开始之初通过各种影像、图片、学校内实物装置了解单元操作过程和设备的应用情况,让学生在未开始理论知识学习就对将要学习单元操作有初步印象,如通过乙醇和水精馏装置了解流体输送管道、流体输送设备、板式塔等设备,通过CO2吸收装置了解气体吸收填料塔,通过传热综合装置了解列管式换热器、通过观看水泵的结构的影像资料了解离心泵的结构、工作原理、基本操作。为激发学生学习的兴趣,理论教学手段向着多样化、时代化的方向发展。采用以问题为导向的教学模式,教学形式上采用启发式、讨论式、案例式、互动式,并充分运用精品课程线上课程资源、雨课堂,让学生可从多渠道获取课程信息。由生活现象引入化工原理理论知识,再联系到工业生产应用,由浅入深,利于学生理解与掌握基本要点,例如从自然界水自发由高处往低处流,引入生活中高楼用水是如何实现的,再联系到工业上油品的输送,让学生了解流体输送的基本原理、主要影响因数和相关设备。将问题贯穿教学内容中,引导学生主动思考、自主解决问题将“单边”教学转变为“双边”教学,注重学生的主体地位,培养学生的参与意识和学习兴趣。如流体在流动过程中质点流动类型可分为层流和湍流,向学生提出问题流体质点两种运动方式在单元操作过程中会造成什么样的影响。在讲授流体换热器、气体吸收塔、液液萃取塔时,详细介绍流体层流和湍流运动实现传热、传质的基本原理,同时要求学生通过查找资料了解换热器、吸收塔、萃取塔是如何实现流体层流、湍流的,并比较两种流体流通类型传热和传质的效果和对相关设备不同的要求,这样将流体流动的基本规律与不同化工操作过程有机结合起来,将这个问题贯穿于化工原理各个章节,能让学生从化工原理复杂多样的化工操作中找到内在联系与共性。为提高课堂学习效果,将课堂授课时间分为复习、讲授新课、示例案例、互动四大模块,使学生能实现知识点的过渡、理论联系与生产生活实践的过渡,各模块的时间分配见图1。复习模块既可由老师讲解也可由学生讲解;讲授新课则老师通过板书推导、PPT课件实现;互动模块主要通过提问解答引导学生掌握的课程难点。课堂互动以回答问题能动性和准确性进行评价,为了及时掌握学生的学习效果,书本作业与大作业以学生自主讲解典型习题为主,教师只作点评。以流体输送单元的教学为例,受教学课时限制,教师重点介绍完离心泵的工作原理、特性、操作要点后,将班级同学分成几个小组,分别了解关于往复泵、齿轮泵、旋涡泵、通风机等流体输送设备的工作原理、结构与特性参数、计算应用等相关资料并在课堂上向教师和其他同学讲解,同时并解答教师和其他同学的提问,学生在学和教的过程中参与度提高了,学生学习化工原理理论知识的兴趣和求知欲望明显增强。同时改革化工原理课程考核方式,化工原理课程考核从以期末考试成绩+平时作业成绩考核方式变成期末考试+课堂提问+单元测验+大作业多元化考核方式,这样在课程学习过程多角度评价学生的学习效果,提高了学生的学习兴趣、学习动力、训练分析与解决问题的能力。总的说来,就是既要注重基础性内容教学又要注重调动学生的主动性,让学生在教和学的过程中树立初步的工程观念。

2通过实验强化工程知识

实验教学能培养学生独立思考、动手操作以及运用基本理论的能力,是强化学生工程知识重要的教学环节。化工原理课程的主要单元操作对应的实验多以验证性实验为主。这对学生领会课堂内容、消化课堂讲授的理论知识起到了较好的辅助作用。我校的化工原理实验中心有60多套单元操作装置,开设有流体流动阻力实验、能量转换实验、离心泵综合实验、干燥速率曲线测定、传热综合实验、恒压过滤、乙醇-水精馏塔、萃取实验、洞道干燥实验、CO2吸收实验等基本实验,教学的目的主要是对典型单元操作过程的机理和规律加深理解,同时熟悉这些典型操作单元的关键设备、基本操作,掌握数据处理、仪器的使用等基本方法。在立足基本单元操作实验的基础上,还增设连续精馏回流比设计研究型实验、乙醇-水系统精馏塔板效率测定研究型实验、列管式换热器强化传热实验等综合实验内容,综合性实验的目的是提高学生实验设计、提出工程问题、解决工程问题的能力。针对学生大学生创业项目、部分教师教科研项目开设化工原理创新实验如减压间歇蒸馏、液液固萃取实验、液固物系超重力综合实验等创新实验,化工原理实验中心还配有气相色谱仪,学生可亲自动手操作,学习色谱工作仪操作和处理数据和结果分析的方法。在实验过程中,学生还学习了自动化仪表控制技术、某些先进设备的操作要领,增强了学生学习的兴趣,拓宽学生的知识面,训练学生运用理论知识解决实际工程问题的能力,以及科研创新能力,将来能更好地胜任工作,从而保证了人才培养质量。工程教育注重以学生为本,强调动学习的自主性与参与意识。为达到实验教学的教学目标,提高学生学习的主动性和创造性,化工原理实验要求时做到预习和现场操作相结合。预习时要求学生掌握实验目的、实验基本原理、实验设备、实验装置的工艺流程图、实验操作步骤、实验需要记录的数据、实验工艺的参数、实验安全事项等。实验室通过预约提前对学生开放,让学生现场熟悉实验设备、仪表、工艺流程、安全操作注意事项,为实验教学开展做好准备工作。进行正式实验操作之前教师检查学生预习报告,并提出实验当天的问题,引起学生在实验过程中注意与思考。比如:(1)离心泵怎样启动?怎样灌泵?(2)孔板流量计校正实验中,孔流系数和雷诺系数的关系曲线与书本上不一样,可能地原因是什么?(3)过滤实验结束关闭真空泵后打开真空阀的原因?集液瓶滤液浑浊的原因?(4)精馏实验回流比的大小对塔顶产品浓度有何影响?原料的变化浓度对精馏塔顶、塔底产品浓度有何影响?(5)填料塔KYa和填料的流体力学特性有什么工程意义?(6)萃取实验重相出口倒∪形管的高度是如何确定等。在实验中学生通过观察、操作、讨论、思考、分析解决问题,增强了化工原理理论知识的理解、并运用这些知识解决单元操作的实问题,锻炼学生的分析工程问题、解决工程问题的能力。实验报告采取小论文格式,提倡学生运用EXCEL、ORIGIN等软件,训练学生归纳总结、科学思维及运用现代计算机技术的能力。指导学生积极参加校内外化工原理实验大赛,通过竞赛促进化工原理系列课程教与学,通过竞赛的训练,明显提升了学生化工原理知识运用的能力、心理抗压能力和创新意识,我校化工专业的学生连续三年参加中南地区化工原理实验大赛均取得了不错的名次,2021年还获得的一等奖,参加竞赛的多位同学大多被国营化工企业录取,显示出了较高的综合专业素质。

3通过综合性大作业、课程设计培养发现工程问题、解决工程问题的能力

一个完整的化工生产过程往往包含许多单元操作过程,每个单元操作既独立又相互有机联系,为培养学生解决实际问题的能力,在每个单元完成后布置综合性大作业,例如在结束了流体流动和输送设备章节后布置了原油从罐区输送到蒸馏塔输送任务设计,设计给出了基础数据,并要求按又管道伴热和没有管道伴热两种情况进行设计,并比较两种方案的经济成本;结束蒸馏章节后布置了苯-甲苯精馏塔工艺计算的综合联系,给出生产任务、生产温度、压力等条件,要求学生确定回流比、计算塔理论板数等,并画出装置工艺流程图。大作业由于有一定的难度,有些资料数据需要学生自己查找,工作量较大,一般大作业由学生自行组团对完成,完成后在课堂上整个团队向全班同学和教师汇报。因此综合大作业提高了学生解决实际问题的能力,又让学生加强了团队合作精神。化工原理课程设计是化工原理课程系列课程中的重要环节,它是综合应用本课程和有关先修课程所学知识,针对某一单元操作过程,在规定的时间内完成指定的设计任务。通过课程设计,要求学生了解工程设计的基本内容,掌握化工设计的基本步骤和方法,培养学生分析和解决基本工程实际问题的能力,同时培养学生树立正确的设计思想,培养求实、认真、高度负责、勇于创新的工作作风。通过化工原理课程设计训练和培养学生查阅资料、搜集数据的能力;训练和培养学生综合考虑专业技术、经济投资、劳动条件和环境保护的相互关系设计理念与设计能力;训练和培养学生工程计算与应用计算软件的能力;训练和培养学生用清晰简洁的文字、图表表现自己设计结果的能力。为了保证课程设计的教学质量,要求化工原理课程设计开始前,要求教师制定课程设计授课计划、学生的课程设计任务书,内容包括设计内容、设计条件、基本要求、时间进度安排、指导教师、课程设计成绩评定标准、设计说明书提交规范及时间要求等,鼓励学生在课程设计中使用Excel、AutoCAD等软件,教学上采用线上线下混合,线下教师主要讲授课程设计的难点,线上主要是答疑解惑,鼓励学生大胆发表自己的观点,鼓励学生创造性思考。

4结语

从如何培养优秀的工程技术人才角度出发,对化工原理系列课程教学如何培养学生工程能力,从理论教学、实验训练、大作业和课程设计三个方面做了探讨,以理论教学为基础,实践训练为载体,才能培养学生综合运用理论知识解决工程问题的能力,为后续课程如化工设计、毕业设计等打下基础,为培养优秀的工程技术人才打下坚基础。

参考文献

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[5]李向东,胡女丹.基于综合能力培养的化工原理课程教学改革[J].高等教育,2019(14):182-183.

作者:李燕 李翔 单位:广东石油化工学院化工学院