顧曉利+陳慕華+姚建峰+徐勇+王飛

[摘 要]化工原理課程強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，不僅對學(xué)生要求較高，而且對教師如何開展有效教學(xué)也提出了很大的挑戰(zhàn)。根據(jù)化工原理課程自身特點(diǎn)和林產(chǎn)化工專業(yè)的教學(xué)需求，對課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等多個方面進(jìn)行改革探索，可有效加強(qiáng)學(xué)生對典型林化過程中單元操作的理解，培養(yǎng)具有工程觀念的專業(yè)人才。

[關(guān)鍵詞]化工原理；林產(chǎn)化工專業(yè)；教學(xué)改革

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）09-0039-03

化工原理屬于偏工程應(yīng)用性的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程涵蓋工業(yè)生產(chǎn)的典型單元操作過程，以“三傳”過程（動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞）貫穿整個課程體系，著重研究典型工業(yè)生產(chǎn)過程中所涉及的基本原理、設(shè)備選型及計算，內(nèi)容覆蓋范圍廣，知識面要求高。[1][2]在林業(yè)院校林產(chǎn)化工專業(yè)的課程體系中，化工原理課程一般開設(shè)在大三學(xué)年，即學(xué)生大一、大二完成自然科學(xué)基礎(chǔ)課之后，大四開始專業(yè)特色課之前，具有承上啟下、從理論到實(shí)踐的過渡作用。[3]

參考國內(nèi)外同行高校對林產(chǎn)化工專業(yè)的方向定位，結(jié)合南京林業(yè)大學(xué)的辦學(xué)特色，本教研室對化工原理課程的教學(xué)改革實(shí)踐進(jìn)行了一些初步的探索和歸納，其落腳點(diǎn)是提高學(xué)生的工程素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的雙創(chuàng)意識、塑造學(xué)生的可適性，進(jìn)而全方位提升學(xué)生的專業(yè)綜合素養(yǎng)。

一、根據(jù)林產(chǎn)化工專業(yè)的特色安排教學(xué)內(nèi)容

林產(chǎn)化工專業(yè)特色是采用化學(xué)與生物化學(xué)的方法，將林業(yè)資源加工轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品，要求學(xué)生系統(tǒng)掌握化學(xué)化工基礎(chǔ)理論知識，以及森林植物資源化學(xué)加工和生物化學(xué)加工的基本原理。針對于此，我們首先完成常規(guī)化工原理的教學(xué)內(nèi)容，系統(tǒng)講授流體流動、流體輸送設(shè)備機(jī)械、沉降與過濾、傳熱學(xué)、蒸發(fā)、蒸餾與吸收、干燥學(xué)等傳統(tǒng)單元操作，在此基礎(chǔ)上增加了新型分離傳質(zhì)技術(shù)，如萃取、結(jié)晶、吸附、膜分離等具有鮮明行業(yè)特色的單元操作過程。例如，針對林產(chǎn)化學(xué)品混合裝置應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，我們在《沉降與過濾》一章中增加了“如何針對林產(chǎn)化學(xué)品產(chǎn)物特性，設(shè)計有效混合攪拌裝置”的提高內(nèi)容。在《傳熱學(xué)》一章中，針對林源天然產(chǎn)物屬熱敏性物料、分離操作溫度不能太高的特點(diǎn)，我們增添了低溫傳熱過程的原理和設(shè)計方法，精簡了熱輻射的教學(xué)內(nèi)容。在《干燥學(xué)》一章中，著重講述了天然產(chǎn)物提純所必備的冷凍干燥技術(shù)，并介紹了近年來開發(fā)的介電干燥新技術(shù)。在《結(jié)晶與萃取》一章中，重點(diǎn)介紹了針對天然產(chǎn)物的低溫結(jié)晶技術(shù)和超臨界CO2萃取技術(shù)。通過有針對性的增減教學(xué)內(nèi)容，使化工原理課程教學(xué)不僅僅滿足于基礎(chǔ)傳遞過程的單元操作理論教學(xué)，而且結(jié)合林產(chǎn)化工行業(yè)特色，緊密聯(lián)系林化行業(yè)實(shí)踐內(nèi)容，使得學(xué)生“出得課堂，入得廠房”“學(xué)有所用，學(xué)有所成”。

習(xí)題練習(xí)是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中有效的輔助教學(xué)手段。通過適量的習(xí)題練習(xí)，讓學(xué)生強(qiáng)化課堂上較為抽象的理論知識點(diǎn)，掌握分析問題和解決問題的能力。[4]遺憾的是，現(xiàn)有國內(nèi)外化工原理教材中，與林產(chǎn)化工相關(guān)的例題和習(xí)題幾乎沒有，主要原因在于傳統(tǒng)化工原理習(xí)題集與林產(chǎn)化工背景相差太大，導(dǎo)致學(xué)生很難深刻理解各單元操作在林產(chǎn)化工中的實(shí)際應(yīng)用。因此，我們借助各種渠道，從圖書館、設(shè)計院、工廠、網(wǎng)絡(luò)平臺等收集林產(chǎn)化學(xué)加工工程相關(guān)的單元操作例題和習(xí)題。例如，從許振良主編的《綠色分離工程》、安鑫南主編的《林產(chǎn)化學(xué)工藝學(xué)》、J.D. Seader主編的《Separation Process Princi？鄄ples》、W.L. McCabe主編的《Unit Operations of Chemical Engineering》等教材中尋找具有林產(chǎn)化工專業(yè)特點(diǎn)的練習(xí)題，從而讓學(xué)生深刻理解單元操作理論以及如何解決林產(chǎn)化工行業(yè)中的基本問題。

在教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生由于對專業(yè)認(rèn)知的局限，造成學(xué)習(xí)主動性不足，幾乎很難保證課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的時間。針對于此，在每次課堂教學(xué)中我們都會抽出5～10分鐘對所學(xué)重要知識點(diǎn)進(jìn)行回顧和總結(jié)，在每章節(jié)的習(xí)題課中也結(jié)合工程實(shí)踐，引入一些學(xué)生可以獨(dú)立解決的工程小問題，采用啟發(fā)式、討論式的教學(xué)方式，不僅讓學(xué)生快速掌握章節(jié)的重要知識點(diǎn)，也樹立起學(xué)生對課程學(xué)習(xí)可解決實(shí)際問題的成就感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

二、教學(xué)過程中改進(jìn)教學(xué)方式方法

（一）重視第一堂課《緒論課》，第一時間吸引學(xué)生眼球

在多年的教學(xué)過程中，不時有學(xué)生提出“林產(chǎn)化工專業(yè)的學(xué)生為什么要學(xué)化工原理？”的疑惑。他們普遍認(rèn)為，作為以最具有發(fā)展?jié)摿Φ木G色生物為研究對象的林產(chǎn)化工專業(yè)的學(xué)生，卻要花費(fèi)一年的時間去學(xué)習(xí)相對成熟且應(yīng)用于化工大生產(chǎn)的化工原理課程，是否值得呢？作為一線教師，如果不能第一時間透徹地給學(xué)生就這個“熱點(diǎn)”問題答疑解惑，勢必會影響學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)動力。因此，化工原理的第一堂課《緒論》尤其關(guān)鍵和重要。[5]一般來說，“緒論課”首先是從化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷程入手，介紹化工原理的誕生和發(fā)展歷史、課程研究內(nèi)容、涉及相關(guān)領(lǐng)域等。其次，針對部分林產(chǎn)化工專業(yè)學(xué)生有畢業(yè)讀研或出國留學(xué)深造想法的特點(diǎn)，我們會介紹國外林產(chǎn)化工領(lǐng)域的知名專家教授。如：美國Uni？鄄versity of Wisconsin-Madison的知名教授Dr. James A. Dumesic課題組、美國University of Massachusetts？鄄Amherst的知名教授Dr. George William Huber課題組、西班牙皇家工程院院士Dr. A.Corma課題組等都是當(dāng)前研究生物基化學(xué)品和生物質(zhì)能源的領(lǐng)頭人。而這些專家學(xué)者的教育背景基本來自化學(xué)工程或相關(guān)專業(yè)，這讓學(xué)生懂得林產(chǎn)化工專業(yè)與化學(xué)工程專業(yè)的淵源相同，因此化工原理既是化工基礎(chǔ)理論課，又是林產(chǎn)化工專業(yè)不可或缺的專業(yè)基礎(chǔ)課。同時，提醒學(xué)生以后讀研或留學(xué)深造如果選擇林產(chǎn)化工、化學(xué)工程、生物工程、環(huán)境工程等專業(yè)就讀，學(xué)好化工原理極具優(yōu)勢。通過以學(xué)生感興趣的“工作、讀研、出國留學(xué)”等為目標(biāo)話題，潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生樹立起“學(xué)好化工原理對于工科學(xué)生來說有百利而無一害”的觀點(diǎn)。endprint

（二）理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力

如何調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性是每個教師必須思考的問題。在化工原理學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生如果發(fā)現(xiàn)可以憑借課堂上抽象枯燥、晦澀難懂的知識點(diǎn)，去解決工程上甚至生活上的實(shí)際問題，必然會有很大的成就感，也就會有更強(qiáng)的學(xué)習(xí)動力。當(dāng)然，教師在教學(xué)過程中，可以有意識地從一些與日常生活實(shí)際緊密聯(lián)系的現(xiàn)象出發(fā)，讓學(xué)生學(xué)會思考如何解釋這些現(xiàn)象，進(jìn)而引出本堂課要重點(diǎn)講授的知識點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和學(xué)習(xí)熱情，促使學(xué)生養(yǎng)成積極思考問題和解決問題的習(xí)慣。[6]例如：在講授《流體流動》章節(jié)時，引入城市下水道給排水工程的設(shè)計原理，提出在雨季時如何有效減小流動阻力，以避免淹水的問題，進(jìn)而引出打造“海綿城市”的概念。在講授《流體輸送設(shè)備機(jī)械》章節(jié)時，引入人體心臟相當(dāng)于血液輸送必備的泵，為全身提供血液循環(huán)，提出強(qiáng)身健體以增強(qiáng)心臟活力，提高心臟“泵”的揚(yáng)程，避免攝入過多高熱量食品，以減小血液流動阻力，預(yù)防腦梗、心梗等疾病，進(jìn)而引出養(yǎng)生對維持人體機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要性。在講授《傳熱學(xué)》章節(jié)時，給學(xué)生提出浴室洗澡時大量蒸汽的提供和運(yùn)輸問題，以及鍋爐房燒蒸汽的能耗問題，思考為避免熱損失，如何對蒸汽管道保溫以及如何提高換熱效果。在講授《蒸發(fā)》和《蒸餾》章節(jié)時，提出如何快捷有效地分離鹽水和酒水的問題，結(jié)合制鹽工業(yè)和釀酒工業(yè)，提出實(shí)際生產(chǎn)時應(yīng)考慮能耗比等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。在講授《干燥學(xué)》章節(jié)時，結(jié)合南方夏天梅雨季時間長、晾曬不易的特點(diǎn)，提出飽和濕空氣無法干燥、不飽和空氣干燥效果有差異的現(xiàn)象，進(jìn)而引出濕空氣的若干理化性質(zhì)，讓學(xué)生動手計算空氣的干燥能力等等。上述的這些問題既活躍了課堂學(xué)習(xí)氛圍，又大大調(diào)動了學(xué)生的求知欲和主動性。此外，課堂上我們引入一些有趣的小現(xiàn)象，通過類比思考，讓學(xué)生快速掌握重要知識點(diǎn)。比如：講授《傳熱學(xué)》中的傳熱阻力和傳質(zhì)學(xué)中的傳質(zhì)阻力時，可以引用城市交通的堵車現(xiàn)象來解釋阻力大小的關(guān)鍵點(diǎn)判斷，以及如何抓住阻力控制點(diǎn)以達(dá)到減小傳熱/傳質(zhì)阻力的目的。講授《傳熱學(xué)》章節(jié)中対數(shù)平均傳熱溫差知識點(diǎn)時，指出班級里女生平均分一般都高于男生平均分的現(xiàn)象是由于女生的整體分值一般都比男生的分值要集中，進(jìn)而揭示逆流傳熱效果優(yōu)于并流傳熱的結(jié)論。上述這些實(shí)例可能不是很恰當(dāng)，卻可以很好地吸引學(xué)生的注意力，進(jìn)而深入了解每個不同單元操作的本質(zhì)，思考單元操作過程中的目的和意義，從而掌握相應(yīng)的知識點(diǎn)。

（三）靈活運(yùn)用多媒體教學(xué)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)科技的發(fā)展延伸，運(yùn)用多媒體輔助教學(xué)已成為當(dāng)今教育的主流，其中的微課和慕課（MOOC）更容易讓學(xué)生直觀接受[7]，這兩者主要是以音頻、視頻為主要載體，包含教學(xué)設(shè)計、課件教案、教學(xué)評價、測試練習(xí)及學(xué)生反饋、教師點(diǎn)評等輔助性教學(xué)資源，可以突破傳統(tǒng)課程時間、空間的限制，依托互聯(lián)網(wǎng)滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)。

在化工原理教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)絕大部分學(xué)生由于很少接觸工程領(lǐng)域，往往對實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中所涉及的容器設(shè)備缺乏概念認(rèn)識，難以理解其工作原理和內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而這些知識點(diǎn)在課堂上很難直觀表達(dá)。[8]針對于此，我們充分利用互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)的信息技術(shù)，錄制了離心泵工作點(diǎn)詳解、精餾課程習(xí)題、傳熱過程知識點(diǎn)講解等微課課程，并著手于林產(chǎn)化工專業(yè)化工原理慕課（MOOC）建設(shè)，教學(xué)效果顯著。例如：在求取離心泵工作點(diǎn)課程中，我們運(yùn)用Flash動畫直觀演示層流、湍流、過渡流的流線形成、離心泵內(nèi)/外部結(jié)構(gòu)以及著名的氣縛與氣蝕現(xiàn)象，通過動畫直觀模擬泵設(shè)備的工作狀態(tài)。學(xué)生可以通過這種直觀的虛擬仿真演示，第一時間掌握課程中的難點(diǎn)與重點(diǎn)，加深對單元操作原理的理解和相關(guān)設(shè)備的感觀認(rèn)識，彌補(bǔ)學(xué)生在工程方面基礎(chǔ)薄弱的缺點(diǎn)。

三、以學(xué)生動手為目的，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

作為化工原理課堂教學(xué)的配套與延伸，化工原理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、積累學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新熱情方面起著至關(guān)重要的作用。[9]根據(jù)林產(chǎn)化工專業(yè)的培養(yǎng)要求，結(jié)合我?；瘜W(xué)工程實(shí)驗(yàn)中心的具體條件，我們在教學(xué)硬件上更新和增加了部分具有林產(chǎn)化工特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，有意識地提高了設(shè)計型、綜合型實(shí)驗(yàn)比例，減少了部分驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。由于現(xiàn)有大學(xué)本科教育中通識教育的過度重視，導(dǎo)致部分偏動手實(shí)驗(yàn)的專業(yè)課程學(xué)時一再被縮減，造成學(xué)生工程方面訓(xùn)練的不足。針對于此，我們在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中除了保留傳統(tǒng)的流動阻力測定、離心泵特性曲線、傳熱、過濾、精餾、吸收和干燥等實(shí)驗(yàn)外，還特意新增了管路拆裝實(shí)驗(yàn)，即讓學(xué)生從最基本的管路組裝開始，鍛煉學(xué)生的工程應(yīng)用能力。此外，作為江蘇省級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，我中心還增添了多功能反應(yīng)精餾、超濾納濾膜分離、塔盤萃取和冷凍結(jié)晶等與林產(chǎn)化工行業(yè)密切關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)裝置。為彌補(bǔ)部分實(shí)驗(yàn)裝置價格昂貴、占地空間大、資源相對匱乏以及某些實(shí)驗(yàn)裝置具有一定危險性的不足，我中心于2015年開始著手虛擬仿真試驗(yàn)中心的建設(shè)，與北京東方仿真等知名軟件公司合作開發(fā)具有林產(chǎn)化工特色的傳熱傳質(zhì)單元操作與典型林化過程的實(shí)訓(xùn)仿真軟件，使學(xué)生切實(shí)感受實(shí)驗(yàn)裝置流程及操作步驟，著重培養(yǎng)學(xué)生的復(fù)雜工藝動手操作能力，加深學(xué)生對工程概念的理解和訓(xùn)練。例如，松香胺產(chǎn)品是林產(chǎn)化工專業(yè)萜類化學(xué)與利用方向的主要產(chǎn)品，是核心專業(yè)課程《林產(chǎn)化學(xué)工藝學(xué)》中的主要內(nèi)容之一，也是學(xué)生畢業(yè)實(shí)習(xí)的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。[10]2016年我們以校外實(shí)習(xí)基地廣西梧州松脂股份有限公司、廣西桂林化工廠等企業(yè)的松香、松節(jié)油生產(chǎn)和松香胺生產(chǎn)為模本，與北京東方仿真合作開發(fā)“歧化松香三維虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)以工藝及設(shè)備仿真數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開發(fā)三維虛擬現(xiàn)實(shí)展示并對外提供通用數(shù)據(jù)庫接口，為學(xué)生開展林產(chǎn)化工綜合自動化實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一個專業(yè)流程的環(huán)境。工藝采用國內(nèi)外主流生產(chǎn)技術(shù)，充分考慮現(xiàn)代專業(yè)企業(yè)的真實(shí)生產(chǎn)過程。整套流程覆蓋典型化工原理單元操作過程，具體包括松脂原料輸送、松脂熔解、熔解脂液的凈制、水蒸汽蒸餾分離松香、松香氨化脫水生成松香腈及松香腈高壓加氫生成松香胺等主要生產(chǎn)工序，所有工序包括過程操作參數(shù)的監(jiān)測與控制（DCS系統(tǒng)），在線仿真培訓(xùn)考核系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用開放的軟件平臺和第一視角的虛擬仿真環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)工廠數(shù)據(jù)的真實(shí)再現(xiàn)，真實(shí)還原實(shí)際工廠一線的現(xiàn)場狀態(tài)。為培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，我們還設(shè)計了部分可拆裝設(shè)備，以便學(xué)生拆裝、認(rèn)識掌握設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合。

可以看出，林產(chǎn)化工學(xué)科特色明顯，對學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)要求較高，對化工原理課程教學(xué)已不僅僅局限于傳統(tǒng)教學(xué)要求，更需要我們積極思考。通過合理安排教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法和手段、更新典型林化過程實(shí)驗(yàn)裝備、引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境等手段，為培養(yǎng)具有前瞻科學(xué)視野和工程實(shí)踐觀念的復(fù)合應(yīng)用型人才打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 陳敏恒，叢德滋，方圖南.化工原理（第二版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2] 夏清，陳常貴.化工原理[M].天津：天津大學(xué)出版社，2005.

[3] 蔣建新，趙永虎，朱莉偉，曹文軍.林業(yè)工程類專業(yè)“化工原理”教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國林業(yè)教育，2008（5）：48-51.

[4] 葉長燊，邱挺，李玲，施小芳，楊臣，林述英.化工原理課程體系中工程素質(zhì)與能力的培養(yǎng)[J].化工高等教育，2016（3）：57-63.

[5] 林艷紅，袁曉玲，張桐江，孟繁雨.《化工原理》緒論課教學(xué)的重要性及授課策略[J].廣州化工，2016（6）：205-206.

[6] 晏麗紅，楊宗政.激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂教學(xué)氣氛——化工原理課堂教學(xué)方法的探索和實(shí)踐[J].化工高等教育，2014（1）：105-108.

[7] 張琪，陳樂，韶暉.微課促進(jìn)高?；ぴ斫虒W(xué)改革的應(yīng)用研究[J].大學(xué)教育，2016（6）：155-156.

[8] 張桂軍，楊志遠(yuǎn)，禹練英. 談《化工原理》學(xué)習(xí)方法——化難為易、化繁為簡[J].廣州化工，2009（6）：226-227.

[9] 呂海霞，楊志杰，張艷輝，尚龍安.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的化工原理實(shí)驗(yàn)教改探索與實(shí)踐[J]. 化工高等教育，2016（1）：26-30.

[10] 安鑫南.林產(chǎn)化學(xué)工藝學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社， 2002.

[責(zé)任編輯：羅 艷]endprint