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基于探究式实验教学法《化工原理实验》课程的建设与实践

2019-07-15 14:59 点击:
化工原理实验是化工类及其相近专业的一门重要的专业必修实验课,也是化工原理理论课教学的重要实践环节,属于工程实验范畴,具有鲜明的工程特点。课程设置主要包括流体流动性能、泵性能、换热、精馏、吸收、萃取、干燥等。教学目标是帮助学生加深巩固化工单位操作的基本原理,熟悉掌握相关设备的原理、特性和使用方法,训练培养学生实践技能、观察分析、处理问题和创新意识等各方面能力。在教学环节上实行实验单独设课,实验室全天开放。在教学方法上将探究式实验贯穿课程始终,以问题为导向,激发学生的学习兴趣,促进学习方式的转变,在课程实践中重点培养学生的实践能力和创新精神。
1 理论基础和实践要求
20世纪60年代,美国著名教育家施瓦布首先提出探究性实验教学理论,他指出要在教育教学活动中不断引入和讲解现代科学的最新成果,将探究意识贯穿学习全过程,激发学习者能够自主学习掌握学科知识。正如建构主义学习理论中所认为的,在学习中,教师不仅是知识的灌输者,也是学生的引导者。探究式实验教学法要求教师在化工原理实验教学中:①要注重学生的兴趣培养,通过问题导入、情境创设、团队合作等方法激发学生对化工原理知识点的学习兴趣;②要注重实验教学知识的讲解建构,结合工程实际和应用前沿,从搭建探究问题与实验目的入手,在教师的指导下,学生通过对实验相关知识点的探究,促进掌握相关知识技能和科学认知;③要引导学生根据实验结果,收集归纳信息,产生形象思维,注重分析问题产生的原因,提出提高实验效果的最佳实验方案。在整个过程中,教师要注意引导,把握动向,纠正操作,适当点拨,让学生通过主动的探究和动手实验提升化工实践操作的能力。
2 在化工原理实验课程建设中的实践
2.1强化工程观念,培养理论联系实际的能力
化工原理实验的理论讲解环节,要结合实际问题和应用前沿,强化工程观念,强调从工程的角度看问题,不仅要讲授相关原理和如何正确选择和设计单元操作设备,还要演示正确操作和调控单元设备的手段及方法。在讲解过程中,要以“动量传递、质量传递、热量传递”基本理论为基础,以学生学情(如化工、食品、生物、化学等不同专业)、行业应用、实际问题等为经线,以物料输送、传热、干燥、吸收、精馏等单元操作为纬线等进行教学设计。如精馏实验中在分析最优回流比时,要从设计优化与操作优化两个方面进行工程应用分析,引导学生分析回流比对设备费、操作费及总费用的影响,找到将总费用降至最低的、最少的回流比实验方案,然后根据物系等具体情况确定适宜的回流比,这一处理问题的观点即为工程观念。
2.2强化科技引领,培养创新创业创造的能力
随着现代化工新技术、新设备、新材料的不断涌现,只有不断补充和更新部分教学内容,反映学科的前沿,扩大课堂的信息量,才能培养出高素质的化工人才。要在教学中,及时向学生介绍有关单元操作研究的最新成果及动态。如面向学生开设超临界液体萃取实验,以超临界CO2为萃取剂,引导学生根据目标萃取物,有针对性地分析并选择操作参数,通过对比实验,激发学生发现问题解决问题的能力。进而,可让学生以兴趣小组为单元,自主选择目标萃取物,通过设计性实验,提升学生的创新能力。
2.3强调基础技能,培养工程操作的能力
在教学中,常常发现学生对基本概念和基本理论理解不透彻,不能与实践相结合。对此,采用“循环式”教学过程来加深基本概念、基本理论和基本操作的学习和掌握,强化理论与工程实际的联系。
首先可从生活或生产实际问题出发引出概念或理论,然后介绍它的内涵,同时拓展它的外延,以加深、强化学生对基本概念或理论的理解。这样的处理使教学内容层次分明、条理清晰、多而不杂、深而不难,即便概念和公式繁多也易于掌握。在流化床干燥实验中,从硅胶颗粒的干燥技术方案的对比分析引入,强化学生对流化床干燥的认识,以及加深学生对气体管路实验知识点的掌握。在学生进行验证操作实验后,指导学生对实验结果进行计算处理,分析提高干燥实验热效率的主要方法和技术。
3 在化工原理实验课程教学过程设计
在教学设计中,最重要的内容是教学流程和策略的设计,也就是在具体的课堂教学活动中,为达到教学目标而制定的教学流程和实施方法。化工原理实验的主要任务是使学生加深理解和巩固强化化工原理课程中的理论知识,培养学生解决工程问题的能力,并掌握化工实验操作技能。基于探究式实验教学理念,在实验过程中紧密围绕“引导—实践—认知—归纳—迁移”等五步进行,总结归纳为对应的“五步”探究式实验教学过程示意图(见图1)。

图1 化工原理实验“五步”探究式实验教学过程
3.1引导学生,以问题为导向探究实验方法与原理
在化工原理实验的讲解环节中,运用启发式的教学方法,创设问题情境,从工程实际问题和应用前沿出发提出概念或理论,启发学生多想,多思考;然后介绍它的内涵,以加深、强化学生对基本概念或理论的理解。教师也可借助开放性实验提出某些学生感兴趣的问题,让学生在查阅相关文献的基础上,对问题进行分析、讨论,并提出各自的解决方案,对于提高学生独立思考问题的能力及创新思维能力方面具有很重要的作用。如化工原理传热、吸收等实验都涉及过程的速率,而过程的速率都等于过程的推动力除以过程的阻力,强化过程即提高过程推动力及降低过程阻力,应用此规律,我们在相关实验中首先介绍考虑问题的出发点,然后结合工程实际介绍有哪些有效措施,在实验操作中应用了何种技术手段。引导学生大胆地联想、归类、把握基本规律,并对此进行讨论。当然也要注意每一过程的特殊性。
3.2实践操作,以实验过程为载体提升学生的工程实践能力
在实验操作环节,教师要预先对实验过程进行演示,尤其要注重关键问题的演示说明。演示后,要与学生讨论实验操作方法,并指导学生进行实验。如在气-汽对流传热实验过程中,教师要首先对实验操作过程进行演示,并着重提醒学生注重气体管路实验的操作特点,让学生通过实验,观察实验现象,分析现象的实质,并让他们联想周围生活应用到此原理的实际现象,这时学生非常活跃,给学生主动学习的空间,让学生感受到自己也能分析问题和解决问题,使学生在课堂上处于兴奋状态,充分调动学生的学习积极性和学习热情,同时启迪了学生的创新意识。
3.3认知分析,以结果讨论为抓手提升学生分析能力
学生根据实验过程记录,对实验现象进行整理和分析,然后通过总结分析获得结论。这一过程由教师引导学生,培养学生逻辑推理的思维方法。如在超临界CO2萃取大豆油实验中,以出油率、油品质量指标(折射率、过氧化值、酸价等)为指标,并对学生进行分组实验,引导学生对多组实验结果的影响因素进行对比分析,从而更加直观地获得超临界萃取工艺的最佳操作参数。
3.4归纳提升,以强化理论为目标提升学生的工程知识技能
通过化工原理实验可以了解实际生产中的工艺流程,更好地巩固所学的理论知识,提高实际动手能力和操作能力,是化工原理理论教学的验证和升华,这就需要指导学生对实验结果进行归纳提升。在实验教学中,如精馏实验,它涉及传质、传动、传热、仪表、自动化控制、汽液平衡等知识,是综合性的实验,能够锻炼学生综合各方面知识的能力。如在精馏实验中,针对同一台精馏塔设备,如果仅测定一个板效率则为一个验证型实验,为了实验强化理论、归纳提升的教学目标,通过对学生进行分组,给定分离任务与要求,然后由学生自己设计调整实验参数,得出不同结果后,再针对这些结果进行分析讨论。由于每组学生的精馏实验的目标参数存在差异性,这就需要学生自主进行归纳提升,同时同一台设备因为实验设计思路的不同也可以发挥其最大的作用。
3.5运用迁移,以综合应用为重点,强化学生的发散思维能力
教师要帮助学生对实验过程和结果进行必要的解释和分析,使学生的理解在原有理论基础上,得到进一步拓展。通过探究式实验教学,不仅巩固了学生现有的化工原理知识,同时,培养了他们的创造性思维能力,进一步提高了他们学习化工原理的兴趣。
在化工原理实验的教学中,要引导学生发现不同实验间的联系与应用,如气-汽对流传热实验、流化床干燥实验、超临界萃取实验均存在气体管路设计,液-液萃取塔实验、超临界萃取实验均为两相萃取实验等,可以指导学生对比分析不同实验间的操作过程、实验原理以及应用领域等之间的差异与联系,立足于学生能力与素质的培养,激发学生的综合应用能力和创新能力。
通过对《化工原理实验》课程的探究式实验教学法的应用实践,加强学生的工程设计能力,激发学生的学习兴趣,注重学生综合能力的训练与提高,学生在学习中的“主体”地位得到了明显的重视,教师的主导作用也在慢慢的倾向于去更多的引导学生。通过引导学生规范操作、认真观察、总结归纳、思考迁移等过程,使学生主动的去构建化工原理课程的知识体系,达到了教与学的融合。在这个过程中,教师是课堂的“参与者”,学生才是学习的“主导者”,这也是探究式实验教学法的精髓所在。