化工原理及相关课程教学方法改革探索
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作者:张海洋 郭瑞丽 王荣杰 李翠华
摘要：化工原理及相关课程是化学工程与工艺专业最重要最核心的专业基础课，其教学方法是否得当直接关系到教学效果的好坏。文章对化工原理、化工原理实验、工程制图和化工原理课程设计课程的教学方法与改革进行了思考和探索，包括具体的实施过程、组织方式等，并以举例的方式进行了深入分析，可实现理论课、实践课和课程设计的较好融合。对化工原理及相关课程的教学创新、教法改革具有一定的指导意义。
关键词：教学方法;改革探索;实施过程
中图分类号：G642.0 文献标志码：B 文章编号：1674-9324（2020）15-0184-03
一、引言
化工原理课程是化学工程与工艺、应用化学、材料科学与工程、环境工程、制药工程及其他化学加工过程类各专业的一门重要的技术基础课，其以单元操作的基本原理、过程参数变量、设计型计算、操作型计算、典型设备的结构原理、操作性能和选型为基础，研究物料发生物理或者化学变化的过程，旨在解决工业生产过程中的问题[1]。通过学习这门课程可以逐步引导学生由原来的纯理论学习转到实践性、工程化学习，是一门理论与实践密切联系的课程。
化工原理实验是以化工原理为基础的一门工程实验课程，本实验课程主要讲述化工原理中所涉及的主要单元操作，以巩固和加深对化工原理课程中基理论知识的理解，从实验中可以了解典型化工设备的原理和操作，掌握化工中用数学模型法和因次论指导下的实验研究方法及数据处理，掌握化工数据的基本测试技术。并能运用所学的理论知识去解决实验中遇到的各种实际问题。
工程制图是一门研究阅读和绘制工程图样和图解空间几何问题的技术基础课，既有系统的理论，又有较强的实践性。其主要内容包括画法几何、制图基础、机械图样三大部分。其中，画法几何主要研究正投影法原理以及图示空间形体和图解空间几何问题的理论和方法，是阅读和绘制工程图样的理论基础，也是培养学生空间想象能力和空间解决问题能力的主要思想方法。制图基础部分训练学生用仪器、徒手以及计算机绘图的操作技能，培养阅读和绘制投影图的基本能力，是本课程重点。通过该课程的学习，使同学们能够通过口头、书面、图表、工程图纸等方式进行有效沟通和交流;具有使用化学化工专业工具软件或自编程序对复杂工程问题进行预测与模拟的能力，并能正确分析与使用模拟预测结果;掌握复杂工程中涉及的基本工程原理和专业知识，了解其在解决复杂工程问题中的作用与应用方法。
化工原理课程设计是化工原理课程教学的一个重要环节，是学生综合应用本门课程及先修课程所学知识完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计（主要是换热器和精馏塔的设计）使学生掌握化工设计的基本程序和方法，在查阅技术资料、选用公式、数据、用简洁文字和图表表达设计结果以及制图能力等方面，得到一次基本训练。帮助学生树立正确的设计思想和工程观点。
目前，该类课程的教学组织方式仍主要为化工原理课程理论先行，然后进行化工原理实验、工程制图和化工原理课程设计课程的讲授，且几门课程之间仍处于独立和割裂的关系。石河子大学是国家世界一流学科建设高校，且化学工程与技术学科为国家一流学科，化学工程与工艺为国际教育工程认证通过专业，在此大背景下，我们应尝试改变传统的化工原理类课程的教学方式，将案例导向式教学法与启发式教学法相结合，应用于本类课程的教学，实现一体化教学的效果。以下将对这种创新型的教学方法作以初步探讨。
二、案例导向式教学法和启发式教学法
“案例导向式教学”是一种通过模拟或者重现现实生活中的一些场景，让学生把自己纳入案例场景，以主人翁的身份通过主动学习知识并应用相关知识进行讨论计算或者研讨来解决案例问题的一种教学方法[2]。教学中既可以通过分析、比较，研究各种各样的成功的和失败的经验，从中抽象出某些一般性的結论或认知，也可以让学生通过自己的思考或者老师的讲解来拓宽自己的视野，从而丰富自己的知识。化工原理类课程所牵涉的行业本身存在大量的工程案例，教师所从事的科研课题，也会向课程提供一部分案例，使化工原理类课程的案例导向式教学成为可能[3]。
在案例导向式研究型教学的过程中，案例的选取和导入十分重要。一个能激发学生学习兴趣的案例将会给整个课程教学一个良好的开端。案例可以是教师本身所进行的研究课题的扩展，也可来自其他参考书或者各类媒体相关报道[1]。但是案例的选择须符合以下两个原则：
（一）案例必须具有真实性和相关性，不脱离生活实际
在化工原理类课程的教学中，只有用真实可信的案例，才能让学生真正体会到知识的应用性，并且只有与生活密切相关的案例，更能激发学生的求知欲，为整个过程的学习奠定良好的基础[4]。
（二）案例还必须具有系统性和全面性
在案例选取时还要考虑到化工原理类课程所涉及的所有单元操作以及管阀件和设备的连接流程和布置，选择的案例应系统地涵盖这些内容，这样才能使学生学习到全部的相关知识，并为今后走上工作岗位解决实际工程问题提前进行了一次完整的演练。
启发式教学，就是根据教学目的、内容、学生的知识水平和知识规律，运用各种教学手段，采用启发诱导办法传授知识、培养能力，使学生积极主动地学习，以促进身心发展。这里要着重说明，启发式教学不仅是教学方法，更是一种教学思想，是教学原则和教学观。“学生为主体，教师为主导”，这就是现代教学的指导思想[5]。如何体现“学生为主体，教师为主导”，关键是学生能否有学习积极性，而学习积极性在很大程度上和教师的主导作用有直接关系，因此在全课教学中进行启发式教学，提高学生学习积极性，从而全方位地提高学生的能力。启发式教学，对于教师的要求就是引导转化，把知识转化为学生的具体知识，再进一步把学生的具体知识转化为能力。教师的主导作用就表现在这两个转化上（已知知识→学生具体知识→能力），这里引导是转化的关键。 三、化工原理类课程讲授的具体实施过程
化工原理类课程之间的关系及计划实施过程如图1所示。
该类课程的具体实施可由化工原理课程设计课程贯穿始终，首先进行案例的导入，选择并提出综合性的工程任务，并根据任务要求结合所学的其他相关知识和常识启发学生拆分任务，具体的可拆分为：单元操作（流体输送、搅拌、过滤、传热、蒸发、吸收、精馏、萃取和干燥等）、工艺设备（设备的基本原理、类型、构造及应用场合等）和管阀件及流程安排等。
单元操作的讲解实质上也就是化工原理课程的主要内容，随着任务的进行和问题的出现，我们可以对所涉及的单元操作采用问题启发式的方法进行基本原理、模型假设建立、参数引出、物料衡算、操作型计算和设计型计算等的讲解，利用其对解决方法的追求，逐步吸引着学生们的注意力，从而达到解决问题与传授知识的结合。
在每一个单元操作讲解的过程中，牵涉到所对应的设备部分，我们可以将课堂安排在化工原理实验室中，以实物装置作为讲解对象，讲解设备的原理、类型、构造及应用场合等，同时，将化工原理实验内容融合进来;这样，既可以让学生们直观地观察设备的构造，理解设备的工作原理，加深了知识储存的有效性和时限性，避免了教室课堂对该部分授课时采用图片的形式使学生们先抽象理解的过程;又可以启发学生们对工程任务中所需要的设备进行选型，还同步完成了化工原理实验课程的教学内容。
设备确定之后，我们需要启发学生根据任务要求、规模大小、物料衡算结果，设计型计算和操作型计算等结果确定管阀件以及设备的类型和尺寸、连接和安装条件等，比如，示意的流体流速、管道的尺寸，阀门的类型、泵的安装高度、换热器的参数（构型、流体流动方向、管程壳程数目、列管数目等）、精馏塔的参数（精馏段与提馏段的直径、气相和液相摩尔流量、塔板数目、塔盘构型、溢流堰高度、降液管长度、安定区、孔的密度、液泛限制等），筛选确定这些部件之后，将课堂设置到微机室，结合理论的讲解进行图形的绘制，完成工程制图课程的教学任务。
上述一切就绪之后，进行工艺参数和设备参数的梳理和校核，并对不合适的地方进行调整，再次进行梳理和校核，直到没有问题出现为止，按照要求制作目录、规范整理材料等，形成最终的工程工艺包，完成化工原理课程设计课程任务和整个化工原理类课程的教学任务。
四、结语
综上所述，案例导向式教学法和启发式教学法的结合可改变传统的化工原理类课程的教学组织方式，避免了几门课程之间独立和割裂的关系;以一条主线将多方面知识穿插起来，始终吸引着学生们的注意力，让学生们通过直观地观察和思考获取知识，并加深了知识储存的有效性和时限性，避免了傳统课堂使同学们抽象理解知识的现象，可达到解决问题与传授知识的完美结合，为同学们今后走上工作岗位解决实际工程问题提前进行了一次完整的演练，更具实效性。但同时该教学方法和课程组织方式的实施也对教师和学校提出了更高的要求，授课教师需要具有较好的协商配合能力，根据任务需要不断调整内容顺序和课堂角色，同时，还要具有较广的知识面和一定的知识深度;学校和学院的相关部门人员则需要提前了解该类课程的组织方式，做好系统的排课和课堂设置的安排，并根据一线教学人员的需要配合完成教学改革。
参考文献：
[1]叶宏.化工原理课程的案例导向式研究型教学法初探[J].科协论坛：下半月，2010，（09）.
[2]贾绍义，k夏清，吴松海，姜峰.工程案例教学法在化工原理课程教学中的应用[J].化工高等教育，2013，27（03）：78-81，96.
[3]张海洋，李雪琴，贾鑫，郭瑞丽.基于化工原理课程案例库建设的初步探索[J].教育教学论坛，2016，（46）：123-124.
[4]张海洋，李雪琴，郭瑞丽，贾鑫.翻转课堂教学模式在化工原理教学中的应用[J].化工高等教育，2017，（03）：82-84.
[5]https：//baike.baidu.com/item/启发式教学法/4875326[EB/OL].
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