大学化学, 2017, 32(7): 48-53 doi: 10.3866/PKU.DXHX201701013

教学研究与改革

生物工程专业化工原理理论教学的改革与探索

张伟, 李芊, 王平, 王勇, 方志刚,

The Reform and Exploration for Theoretical Teaching of Chemical Engineering Principles of Bio-Engineering Specialty

ZHANG Wei, LI Qian, WANG Ping, WANG Yong, FANG Zhi-Gang,

通讯作者: 方志刚, Email:lnfzg@163.com

基金资助: 辽宁科技大学青年教改项目.  QNJJ201504
辽宁科技大学创新创业教育项目.  CXCY201515
辽宁省本科教改项目(“三层、四步”全程立体化创新创业教育培养体系的建构与优化)
辽宁省研究生教育教学改革项目(创新校企协同机制,实现‘政产学研用’一体化研究生联合培养项目)

Fund supported: 辽宁科技大学青年教改项目.  QNJJ201504
辽宁科技大学创新创业教育项目.  CXCY201515
辽宁省本科教改项目(“三层、四步”全程立体化创新创业教育培养体系的建构与优化)
辽宁省研究生教育教学改革项目(创新校企协同机制,实现‘政产学研用’一体化研究生联合培养项目)

摘要

在当前高等学校注重创新创业人才培养的教育改革背景下,从生物工程专业化工原理理论教学如何从教学内容的载体、教学方法、考核方式等方面改革出发,探讨了适合工科院校化工原理教学加强实践和创新能力,培养创新型人才的新途径。

关键词: 化工原理 ; 理论教学 ; 少学时 ; 教学方法改革

Abstract

With the innovation and entrepreneurship education reform in the higher education, the approaches to enhance students' innovation ability and autonomous learning ability in the theoretical teaching of chemical engineering principles of bio-engineering specialty are discussed in this article, including how to change the carrier of teaching contents, improve the teaching methods and carry out the multidimensional assessment.

Keywords: Chemical engineering principles ; Theoretical teaching ; Limited teaching hours ; Teaching reform

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张伟, 李芊, 王平, 王勇, 方志刚. 生物工程专业化工原理理论教学的改革与探索. 大学化学[J], 2017, 32(7): 48-53 doi:10.3866/PKU.DXHX201701013

ZHANG Wei, LI Qian, WANG Ping, WANG Yong, FANG Zhi-Gang. The Reform and Exploration for Theoretical Teaching of Chemical Engineering Principles of Bio-Engineering Specialty. University Chemistry[J], 2017, 32(7): 48-53 doi:10.3866/PKU.DXHX201701013

化工原理是研究各种化工单元操作的基本原理以及典型化工单元设备的一门课程[1],也是工科类学生开始接触企业实践生产环节,理论联系实际的第一门专业基础课。化工原理理论教学不但深入浅出地讲授各种单元操作的过程和设备,同时还介绍化工单元操作涉及的理论知识[2, 3],在提高学生生产实习的收获、锻炼实践能力过程中扮演着重要的角色;同时化工原理理论教学还有助于学生快速掌握化工原理实验的基本知识点,准确操作各种仪表[4, 5]。生物工程专业的学生主要通过学习生物技术及其产业化的科学原理、工艺技术过程和工程设计等基础理论,掌握生物技术与工程领域的生产管理和新技术的研究、新产品开发的基本技能[6]。化工原理也是其必修的一门专业课,但由于该专业培养计划设置重点偏向生物过程的专业课,因此一般国内开设生物工程专业的高校,其化工原理的理论课时均少于化工专业,属于少学时专业课。如何在少学时教学的情况下,深入浅出地介绍化工单元操作,使学生系统掌握本课程的教学内容,并能够在后续的专业学习中熟练应用,这是化工原理理论教师应该思考的一个问题。

本文以在化工原理教学中渗透生物工程专业知识,提高学生参与学习的兴趣作为研究重点,根据少学时专业课授课特点,结合生物工程企业生产实际,从调整专业特色教学载体、教学方法的改进以及考核形式的改革几方面入手,探讨了少学时的生物工程专业化工原理理论教学的改革内容,并介绍改革后取得的良好效果。

1 具有专业特点的教学载体的调整

生物工程专业的化工原理理论教学内容主要包括流体流动及其设备、过滤与沉降、传热、吸收、精馏和干燥六部分内容。传统的教学内容都是以化工厂的单元操作设备为授课载体,分别介绍各章节的内容。生物专业的学生对化工厂的相关知识了解程度有限,因此在教学过程中可将生物工程常采用的生产工艺和操作设备作为理论教学内容的载体。例如:介绍流体流动相关内容时,就以生物发酵设备和输送发酵液的流体泵为对象讲解相关内容;介绍过滤与沉降时,就以如何有效对发酵液中固体组分进行分离为研究内容进行讲解;介绍传热知识时,就以发酵罐的保温和传热为例进行讲解;其他章节同样以生物工程的单元操作和设备为媒介讲解理论知识。不但使理论教学过程紧密联系专业特点,同时在课后训练过程中还增加了要求学生寻找生物工程生产工艺中涉及的与理论教学内容相关工艺和设备的环节。以生物工程专业设备为载体讲授化工原理,教学内容更易接受,教学过程生动、具体,学生学习效果好。

生物工程专业化工原理理论教学载体应具有专业特色,不应一味以化工生产设备为载体进行讲授,传统教学载体不利于非化工专业学生对理论知识的理解和掌握。教学载体的调整,不但将生物工程专业课程中的生物化学、化工原理、生物工程设备等相关课程联成一个教学体系,同时也促进学生在学习一门专业课的同时加深对其他课程的理解和掌握,起到触类旁通的效果。

2 教学方法的改进

教学方法改进前的理论教学过程,主要分为课堂讲解、课后作业、习题分析三个环节。由于受到少学时的限制,还要对单元操作进行介绍,加上学生从单纯理论知识的学习过渡到与生产实践相结合的工科理论学习的不适应,造成了部分学生学习积极性受挫,无法提高教学质量。

为提高教学质量,培养具有创新性的应用型生物工程专业人才,化工原理理论教学的教学方法主要进行以下几方面的改进。

1)预留问题,带着思考来学习。

课堂教学结束前,教师都会将下节课要讲解的内容进行简单介绍,同时会留给学生2-3个与下节课内容相关的思考题,要求学生下节课进行回答。例如:讲解流体阻力的计算前,会提出“水往低处流,这一现象在管路流动时,是否永远适用?”;讲解离心泵的结构和工作原理前,会提出“离心泵的泵壳为什么叫蜗壳,这种结构有什么优点,离心泵操作时有哪些注意事项?”;讲解干燥部分中自由水分与平衡水分内容前,会提出“我们经常说的干燥物料是否真的不含水?如果含有水分,哪些水分可以去除,哪些不可以,为什么?”等问题。总之,要求学生带着问题预习后续的教学内容,这种方式对加深学生对教学内容的印象,提高学习积极性有促进作用。

2)仿真实验进课堂,促进理论知识的理解,奠定实验基础。

化工原理所讲授的单元操作是与企业具体的生产实践相结合的。要使学生充分理解和掌握化工单元操作,脱离实践的课堂教学是无法取得预期效果的。化工原理教学中,除实验外,课堂上讲授仿真实验也是一种很好的促进学生对理论知识理解、强化实践能力的方法。化工原理仿真实验操作简单、界面清晰、内容丰富,如图1所示。在学生真实实验前介绍仿真实验,使学生提前了解实验操作的工艺流程,减少学生误操作对真实实验设备的损坏,同时仿真实验能够对学生的错误操作进行提示与纠正,能激发学生的单元操作学习兴趣。尤其对于课堂讲解化工单元操作,提高整体教学效果作用显著。仿真实验能促进学生对课堂理论知识的理解和掌握,并且可对学生进行实验完成能力提升具有一定的感性认识,奠定基础。同时,由于高等学校扩招,很多高校的实验设备基本处于短缺的状态。以化工原理实验为例,一般一个化工原理实验,一个班级分为2组,每组人数接近20人。一套实验设备20人同时操作,实践能力提升无从谈起。在有限的实验学时和实验设备条件下,学生不可能完成化工原理理论涉及的所有实验。仿真实验不仅能弥补真实实验设备少、分组实验学生实践能力无法得到有效锻炼的不足,也缓解了由于高校扩招对实验条件带来的硬件压力,对培养具有一定创新性的应用型工科专业人才起到了促进作用。

图1

图1   吸收单元操作(氨气-水)仿真实验操作界面


3)案例教学促进理论联系实际。

2015年,国务院下发了《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》。指导思想就是以推进素质教育为主题,以提高人才培养质量为核心,以创新人才培养机制为重点,促进高等教育与经济、社会结合,增强学生的创新精神和创新能力。讲授化工原理的教师,如果将科研实践成果带进课堂,将课堂作为科研前线,并以此激发学生的创新意识和创造力,这种教学方式即是理论联系实际的最佳方式,也对培养具有创新创造能力的大学生具有积极的推动作用。以本人所在教学团队为例,在讲授化工原理时,经常利用企业案例进行教学,如图2图3所示。在讲授吸收操作时,以曾参与过的某企业的环氧乙烷(EO)吸收解析塔为例引入教学过程,带领学生认识整个吸收和解析流程,了解吸收单元操作需要控制的具体实验参数,同时将整个环氧乙烷的生产工艺串联起来,对包括离心泵、换热器、反应器和精馏塔等单元设备进行系统了解。在简单介绍EO吸收工段的工艺流程后,重点讲述该工艺流程的设计思路、主要原理和过程,把理论教学内容和生产实际设备和流程进行对比,让学生认识到,复杂的化工生产过程不过是各种单元操作的有机结合,该课程包含的生产工艺流程单元过程及相关设备的设计计算和操作对其未来步入社会的重要性,促进学生对其产生浓厚的学习兴趣。案例教学方式能将理论知识渗透到生产实践,在当前深化教育改革过程中是一种较好的教学模式。在教学过程中,利用教师曾经参与的一个企业废乙醇水回收系统设计的项目为案例,给学生提出了采用精馏操作回收乙醇的设计题目。学生创新地提出了利用常规精馏得到工业乙醇后,利用吸收或者膜分离及移动床等技术进行分离的方案。将科研问题植入课堂,不但对授课教师的科研工作是一种促进,也激发了学生对化工领域科研工作的兴趣。

图2

图2   某企业环氧乙烷吸收-解析塔设备


图3

图3   某企业环氧乙烷吸收-解析系统工艺流程图


3 考核方式的多元化

为避免学生在化工原理课程学习后应付期末考试突击学习的弊端。同时也为了提高课堂教学质量,培养应用型人才的需求。化工原理课程的考核方式采用了多维考核的金字塔式考核模式(图4)。金字塔式的考核模式中改革主要集中在以下方面。

图4

图4   多维考核金字塔式组成图


1)考核关口前移,促进学生主动思考。

为了促进学生主动学习化工原理知识,提高学习积极性和教学效果。将考核关口前移,就是给每名学生1-2次课堂回答问题的机会,并给予一定的分数奖励,这部分成绩直接计算到期末考试成绩中。例如:平时成绩中增加3-5分的课堂问题成绩,主要考核学生对已讲授知识的理解和掌握程度。这种考核模式大大提高了学生课堂的参与度,学习的主动性和积极性也有较大提升。课堂提问环节的问题应以具体的单元操作特点和一些原理性、实用性的问题为主,避免复杂的计算和讨论题。例如:在讲到流体输送机械部分时,提问的问题可以是“请回答为什么离心泵在开机启动前要灌泵?”“为什么往复泵启动前不需要灌泵,它和离心泵的结构有哪些不同?”等。类似这样的问题不但能将课堂所学知识点串联起来应用,同时也将未来学生工作过程中的问题体现在具体的课堂教学中。考核关口前移,不但是寓教于乐,同时也是考核与实践过程的统一,不失为一次良好的教学改革尝试。

2)期末考试注重能力考核,强化创新意识。

除了在平时课堂教学中增加考核外,期末考试无疑是不可缺少的考查学生系统学习化工原理知识的环节。在期末考试中,试卷内容除了对主要知识点的考查外,还增加了实践能力考核和创新能力考核的题型。例如:实践能力主要考查学生在单元操作学习中涉及的各种化工设备的操作及注意事项,如何解决设备常规问题等;创新能力主要考查学生对化工单元操作问题的解决方法和手段。考查内容主要围绕课程综合能力提升以及一般工程实践问题和科技前沿问题。教师在考评时主要关注学生对综合知识的理解和掌握以及是否提出有价值的建议和操作,这类题目难度控制在中上层次。国家“十三五”规划发布以来,生产企业对各学科专业技术人才的综合能力与整体素质提出了更高的要求,只有适应这种变化,才能培养合格的专业人才。

4 教学改革的收获

在系统推进化工原理教学改革过程中,该专业学生学习化工原理的积极性得到了较大提升,同时学生的综合能力也得到了稳步提高。2013-2016这4年期间,生物专业学生化工原理的课堂成绩和实验成绩均有较大程度提升(表1)。同时,该专业学生参与科研工作的兴趣和科研成果也有了较大提高(表2)。对以上数据分析表明,系统性地改进较少学时专业化工原理的理论教学方式,对促进具有创新性应用型人才的培养具有积极的促进作用。经过多年的探索与实践,教学团队已经形成了一系列可应用于化工原理理论教学的改革方式和改革内容,并积极为培养满足国家和社会所需的工科专业技术人才献计献策。

表1   2013-2016年生物专业化工原理平时成绩对照表*

年度 统计项目
回答问题平均分
(满分3分)
课后作业平均分
(满分12分)
创新设计平均分
(满分5分)
实验成绩平均分
(满分10分)
2013 2.03 10.81 2.78 7.35
2014 2.12 10.83 2.96 7.48
2015 2.34 10.95 3.24 7.89
2016 2.36 10.93 3.23 7.87

  *统计数据来源于辽宁科技大学化学工程学院生物工程专业

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表2   2013-2016年生物专业学生参与科技竞赛和科研项目统计表*

年度 统计项目
科技竞赛参与率/% 科研项目参与率/% 科技竞赛获奖数/个 科研项目获批数/个
2013 17.33 25.62 0 3
2014 20.52 25.62 4 8
2015 25.86 40.36 7 15
2016 30.88 43.18 8 20

  *统计数据来源于辽宁科技大学化学工程学院生物工程专业

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5 体会与思考

当前,我国正在大力推进供给侧结构性改革,其根本就是从提高供给质量出发,满足经济、社会持续健康发展的需要。对高校各学科专业人才来说,只有不断推进素质教育和创新能力培养,才能立足于教育的根本,满足社会和学生的需求。这就要求教育工作者改变传统的教学模式,不断寻求科学合理的教学手段和教学方法,培养学生自主学习兴趣,激发学生创新意识和创造力,为生物工程及化工行业培养兼具实践和创新能力的人才,促进行业的健康发展。

参考文献

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向丹; 高培红; 张雯. 大学化学, 2016, 31 (2), 11.

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金成树; 迟云超; 赵大伟; 朗德龙; 刘海燕. 广东化工, 2011, 38 (3), 185.

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牛国兴; 高翔; 徐华龙. 大学化学, 2012, 27 (4), 27.

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