化工原理课程启发与研讨式教学方法研究

李兴洵

[中国石油大学（北京）化学工程与环境学院，北京 102249]

化工原理课程是化学工程与技术学科及相关专业的重要专业工程核心基础课程，在化工领域中本科生课程所体现出的必要性及重要地位是不言而喻的。因此，如何合理并高效地提高化工原理课程的教学质量及课堂授课效率，成为此课程在教学方法层面需要重点突破的方向。化工原理课程的核心内容以动量传递、热量传递与质量传递的传递过程理论为主线，详细讲解了化工相关生产当中的典型单元操作过程及设备。通过这门课程的教学与学习，学生应充分理解传递过程理论并掌握化工生产过程中具有共性的重要核心单元操作的基础概念、基本原理和相关理论，以及各单元操作中所对应典型化工设备的设计与构造，最终使学生获得并具备能够利用这些原理解决化工生产中工程实际问题的能力。然而，在近年来教学中发现，多数学生在学习化工原理这门专业类基础课程之前，主要学习的是通识基础类课程，其理论性较强并与专业核心基础课程内容及学习方法有一定区别，学习此课程可能会遇到阻力、主动学习积极性不高等问题。同时，化工原理课程具有内容多、知识量大、难度高、难理解、理论性与工程性均较强等特点。这致使学生对这门课的学习效率偏低、学习热情也不高。因此，如果依旧应用以传统形式的教学方法为主的教学模式，很难激发学生对这门课程的学习兴趣与热情，教学效果和教学质量均有待提高。为了突出和实现“教学以学生为中心”的重要教学理念，在线下课堂授课过程中，灵活合理地采用启发式、研讨式和情景式教学方法是十分必要的。这类教学新方法和理念会显著提高课堂内的师生互动性和学生参与度，进而提高总体课堂教学质量。启发式教学可激发学生的学习兴趣和学习积极性，培养学生自主学习能力。研讨式教学可以采用模拟实践场景、演讲、辩论等形式更好地使学生投入化工原理的学习中，最终达到被动学习转变为主动学习的目的。

1 启发式教学在化工原理中的应用

1.1 启发式教学模式在课堂教学中的重要性

为了突出和实现“教学以学生为中心”的重要教学理念，在线下课堂授课过程中，灵活合理地采用启发式教学方法是十分必要的。启发式教学是指在教学过程中教师根据课程知识点、教学目标和授课任务，从学生所具备的知识水平和能力基础等客观实际情况出发，采用多种方式、方法及手段，以启发学生主动学习思维为核心和目的，进而有效地调动学生学习积极性与创造性，并提高主动思考获取知识的能力，完全发挥学生在学习中主体作用的教学主体思想和理念。教学过程中启发式教学方法与手段是多样的，如提问启发式、追问启发式、对比启发式及联系图启发式[1]。在课堂教学中能够有效引导学生对化工原理课程中的经典问题及核心案例进行主动独立思考与自由探究是启发式教学的核心理念和内容[2]。启发式教学方法有助于引导学生学习到化工原理课程中工程问题的本质，可更高效地对核心知识点进行延伸讲解，结合课前预习、课堂讨论与思维导图等，提升课堂教学质量[3]。以启发式教学方法为主导的教学模式必须将课程内容中的理论与实际相结合，以提问和设问的形式展开并推进知识点的讲授，同时与学生一同对问题进行分析与讨论，将解决问题思路与方法融入工程实践事例中，教师应能做到通过巧妙设问、创造启发性问题环境、引导学生独立思考并启发学生创新性思维，因此教师在启发式课堂教学的主导作用尤为突出[4]。启发式教学的内涵主要表现在教师应利用自己的逻辑思维能力启发学生，并促使学生产生学习思维共鸣。这类教学新方法和理念会显著提高课堂内的师生互动性和学生参与度，进而提高总体课堂教学质量。启发式教学可激发学生的学习兴趣和学习积极性，培养学生自主学习能力。

1.2 思考性问题在启发式教学中的应用

启发式教学中首要的环节是根据后续讲解的重要知识点，对应地在课前设置启发性和探索性并具有吸引力的思考性问题，促使学生主动思考问题并带着疑问去学习，从而高效地理解问题背后的理论，并最终获得解决问题的方法，极大提高和强化了学习效率。例如，气体吸收章节中一个完整的气体吸收工业流程包括吸收和解吸两个单元，在这两个单元中间设置了两个换热设备（加热器和冷却器）。这两个换热设备是根据温度对气体在液体中溶解度的影响机制而设置的，但学生在这一学习环节的时间节点并不了解温度对溶解度的影响规律。因此，为了让学生更好地学习后续吸收的相平衡关系和气体溶解度的影响因素等重要知识点，可以在此处设定启发式的问题。这样不仅可以促使学生主动思考，带着问题去学习，还能通过这类衔接章节的设问将章节自然而紧凑地贯穿起来，形成知识体系和脉络，并保证了知识点和内容间的连贯性。

1.3 日常生活实例在启发式教学中的应用

将日常生活案例与化工原理课程特点相结合开展启发式课堂教学，可高效地提升课堂教学的授课质量和效率[5]。经过课堂教学实践，发现通过加大生活常识实例的引入比例，可以更好地将启发引导式教学嵌入化工原理课堂授课当中，进而在授课过程中将理论知识与实践实例相结合。例如，在气体吸收章节讲解平衡分压和温度与溶解度关系时，可引入生活实例小课堂的提问-思考-回答环节。通过平时饮用的碳酸饮料所涉及的日常现象，让学生更容易理解温度对气体在液相中溶解度的影响规律。打开碳酸饮料，发生气体喷出现象的原因是压力的突然降低导致气体在水溶液中的溶解度下降；饮用碳酸饮料后常常会打嗝的原因是温度升高导致气体溶解度降低所致。引入鱼池中的日常现象和操作来讲解气体溶解度的知识点。气温高时，鱼喜欢游向水面的原因为温度升高导致水中氧气溶解度过小，池塘中含氧量较低。然后，继续提出延伸性启发思考问题：如何增大鱼池中的含氧量？在鱼池水面设计喷淋装置，将池水喷射至空气中，进而增大气水接触面积，增大氧气在水中含氧量。这也是在化工工业填料塔设备中设计液体分布装置和液体再分布器的主要原因。这一系列启发性设问合理地将理论知识点、日常现象和工业实际问题紧密地结合起来。通过引入这些生活中小常识及日常现象对学生进行启发式引导，会有效引起学生的共鸣，提升学习兴趣，同时也解决了学生在日常生活中的一些科学疑问。

另外，启发式教学方法及手段还可以展现在其他方面。例如，比喻法启发式教学可以开发学生的联想能力；矛盾法启发式教学可以培养学生发现及总结矛盾规律性，并解决实际问题的能力[6]。在化工原理的创新教学理念方面，应以启发性的、以问题为导向的探究式教学模式为主导，激发学生带着问题去学习新知识的热情，从而做到层层深入逐步讲解化工原理课程中所涉及的理论、公式、流程及设备。教学应以学生为中心，尝试抓住学生的兴趣点，将此与课堂内容相结合，提高课堂教学效率。

2 研讨式教学在化工原理中的应用

2.1 研讨式教学的基本模式

研讨式教学是将研究、讨论型的教学手段与课内、课外和学生自学与教师讲授相结合的一种多元化的创新教学模式，此类教学方法充分体现了学生在教学中主体作用。研讨型教学模式是以课程所涉及的研讨型课题为切入点，可以培养学生发现、分析与解决问题的综合能力[7]。在化工原理课程的研讨式教学中，以探究型问题为导向，围绕动量传递、热量传递与质量传递的问题设计与构建尤为重要[8]。在化工原理课程授课中，可应用“课前预习+课堂研讨互动”的研讨式教学方法，在课堂中加入小型“研讨会”教学环节。在课前或课外，通过设计工程实践案例和实际工况，由浅入深地布置具有研究性和思考性的研讨式的设计型和操作线的问题。应用情景式教学方法，激发学生主动学习的意识，课堂中适当设立仿真模拟、学生演讲、汇报与讨论等环节，能更好地使学生投入化工原理的学习中，使学生被动学习转变为主动学习。

2.2 研讨式问题在化工原理精馏内容中的应用

为激发学生主动学习积极性，研讨式教学鼓励学生以研讨小组的形式对化工原理中所涉及的工艺计算进行讨论与分析，并对工艺流程和设备设计及选型进行计算和研讨。例如，学生对于蒸馏章节中精馏原理及气液传质设备章节中塔设备的理解往往不够深入和全面。因此，针对这些内容，课前可布置精馏原理的思考研讨题、精馏流程工艺优化和塔设备结构设计等研讨性课题。基于提出问题—讨论问题—讲述问题—解决问题的思路，学生可在研讨中学习精馏原理核心理论和相关塔设备的设计理念和步骤。尤其是在精馏塔设备设计等的相关内容当中，此类研讨式问题的设置尤为重要。例如，在精馏塔工艺设计中，塔顶及塔釜压力和温度如何确定；适宜操作回流比的确定方法是什么；回流比的内涵和重要意义是如何理解的；回流比的大小和调整对精馏塔的设计和产品质量的影响有哪些；在塔板设计中，如何确定板上溢流形式及溢流装置类型及尺寸；塔板的鼓泡区如何设计；塔板如何布置最合理；在塔板初步设计后，如水力学校核结果不佳，将如何调整；通过绘制塔板负荷性能图，分析塔板结构参数与塔板负荷性能图的关联性，分别从结构参数和操作条件两个方面提出改进和优化方案；如计算出的操作弹性不佳，将如何调整等。学生通过分析、研讨和解决这些问题，会自主地投入学习相关课程内容当中，然后将研讨的结论以演讲的形式进行讲述，再结合汇报成果进一步进行研讨，彻底解决所遇到的疑惑。这类形式的主动学习模式会提高学生自主学习能力，促使学生更深入地融入学习知识过程中，也同时强化了教学效果。让学生去主动探讨、互相提问沟通，能够提高学生综合解决问题能力并培养团队协作精神。同时，可以将工程实例内容及仿真软件引入化工原理课堂，学生以工程实践小组的形式模拟工程情景进行研讨，最终达到培养解决工程实际问题能力的目的。

3 结束语

化工原理课程具有内容多、知识量多、难度高、难理解、理论性与工程性均较强等特点。这致使学生对这门课的学习效率偏低、学习热情与积极性也相对不高。因此，启发与研讨式教学作为有效的教学新模式应该合理地引入到化工原理的课堂授课当中。启发式教学通过设计启发式问题，以激发学生主动思考为核心目标，可很好地调动学生自主学习积极性，并培养学生独立思考与分析问题的能力。研讨式教学将研究与讨论的教学手段相结合，展现了学生在教学过程中的主体作用，提升了学生在学习过程中的探索精神和解决问题能力，从而使得学生的综合能力及素质得以提高。