《分离工程》课程改革与实践——“三阶”教学方式_周浩力.pdf

第 51 卷第 3 期2023 年 2 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.3Mar.2023分离工程 课程改革与实践 “三阶”教学方式周浩力1,崔 群1,吴文雷2(1 南京工业大学化工学院,江苏 南京 210009;2 黄河三角洲京博化工研究院分离技术研究所,山东 滨州 256500)摘 要:针对分离工程课程学习难度大的问题,对 分离工程 课程的教学方法进行了初步改革探讨。提出了“讲”-“串”-“析”-“用”递进式教学过程,并通过知识讲授、案例分析和实践应用等模块,构建三阶教学模式,锻炼学生对知识“学”和“用”的有机结合,培养学生探索知识的意识和能力,让学生对分离工程知识知其然也知其所以然,取得了不错的效果。关键词:分离工程;案例导向;三阶教学模式中图分类号:G642.0 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)03-0237-03 基金项目:2020 年第一批产学合作协同育人项目(No:202002204015)。第一作者:周浩力(1981-),男,教授,从事化工分离工程教学研究。Reform and Practice of Separation Engineering Course Three-stage Teaching ApproachZHOU Hao-li1,CUI Qun1,WU Wen-lei2(1 College of Chemical Engineering,Nanjing Tech University,Jiangsu Nanjing 210009;2 Institute of SeparationResearch,The Yellow River Delta Chambroad Institute Co.,Ltd.,Shandong Binzhou 256500,China)Abstract:A preliminary reform and discussion on the teaching model was made for the course of SeparationEngineering because the course was tough to learn.A progressive teaching process including“lecture”“summary”“analysis”“application”was proposed.Three-stage teaching model was constructed by designing modules such as theteaching of knowledge,case analysis and practical application to train students ability of learning and using knowledge,and to culture students consciousness and ability of exploring knowledge,which let them not only know the knowledge ofseparation engineering,but also know how the knowledge comes,and good results were obtained.Key words:separation engineering;case-oriented teaching model;three-stage teaching approach分离工程课程是高等学校化学工程与工艺及相近化工类专业的一门重要专业课,主要讲授分离方法的分类、基本原理和特征。并以三元及以上近实际分离体系为对象1-2,讲解分离技术选择、计算与设计等内容,从而使学生能更好的了解所学知识在实际体系中的具体应用情况,强调对所学知识灵活运用能力的培养;具有很强的实践性特点3,对培养创新型复合型综合应用人才具有重要作用。但分离工程繁多的理论知识点,以及学生对实际案例情况缺乏了解,导致学生很难将课堂知识与实际应用对接,难以形成清晰的知识框架脉络,学生学习疲于记忆4,为其所累,普遍反映课程难学难懂,失去信心;另一方面“只用脑不用手”的教学模式使得学生难以锻炼理论知识深入运用能力,掌握的技术知识仅限于皮毛,表现在换一个角度问同样的问题,答不出来,进一步使学生产生厌学情绪5。同时分离工程极强的实践性及应用性特点又决定着授课过程中实践性和灵活运用的重要性。而要做到灵活运用的前提是:学生必须对所学知识既要知其然又要知其所以然。如果授课中缺乏与工程实践和运用的紧密结合,犹如纸上谈兵,学生只知其然,而不知其所以然。针对上述问题,为培养学生灵活运用书本知识解决实际问题能力,必须让学生在学习的过程中,除了常规的第一课堂理论学习外,还应强化第二课堂实践学习3,让学生掌握绝知此事要躬行的道理,并通过对某一实际分离体系为典型案例,引导学生如何将工程知识运用到实际分离体系中,获得最终的优化方案。这一过程既可以锻炼学生的问题分析能力,技术原理运用能力,还可以强化设计开发解决方案能力,最终提升灵活运用所学知识解决复杂工程问题的能力。为此,在分离工程课程教学过程中,构建了三阶教学模式,依照学生认知能力的逻辑关系,通过“讲”-“串”-“析”-“用”等过程,依次递进,深入掌握分离知识。1 知识讲授1.1“讲”与“串”的结合这是初阶教学模式,在这一过程中,教师通过第一堂课将整个课程授课内容和学习要点向学生讲解,让学生形成总体印象。并以与学生互动的方式了解学生的需求及学习风格,落实以学生为中心,以成果为导向的教学理念,改变传统的传授式教学方式,而是通过课堂翻转、随堂小测、课堂讨论等多种形238 广 州 化 工2023 年 2 月式将知识点种子播散在学生的脑海中,让学生逐渐成长。教师在此过程中通过多问为什么并及时给出答案来给予学生多方面引导和协助,从而让学生对知识完成自我认知,加深学习效果,达成预期效果。同时,在知识点播散的过程中,由于分离工程知识点繁多,每章节侧重点也不尽相同,因此教师讲解完各章节内容后,还需进一步总结,将各章节内容有机的“串”连起来,为学生提供清晰的知识脉络,形成“讲”与“串”的有机结合,例如讲完平衡分离过程,开始讲授速率分离过程内容时,首先对平衡分离过程的特点、注意点以及分离极限等内容“串”起来进行总结,提醒学生在速率分离过程的学习过程中,注意相对应的理论知识点,例如膜分离依据的原理是什么?跟平衡分离过程的区别在哪里?为什么渗透汽化膜分离过程可以不受汽液平衡的限制等内容,从而使学生了解学习的重点,进一步帮助学生自身学习,从而强化学习效果。1.2 问题融入知识点学生在学习分离工程的过程中,还应注重知识的融会贯通,才能更好的实现知识的灵活运用。因此教师在教学过程中,针对分离技术的特点,尽量避免直接讲解枯燥的技术特点,而是通过问题设置的方式,将知识点融入问题中,强化学生知识的理解。例如学习精馏技术后提问:普通精馏、共沸精馏、萃取精馏哪种精馏技术处理效率最高?要回答这一问题,就需要知道三种精馏技术的特点,从而也可检验学生知识融会贯通的能力。再例如学完不同膜分离技术后提问:为什么纳滤膜饮水机比反渗透膜饮水机更健康?这一问题的回答也是需要学生了解纳滤膜技术和反渗透膜技术特点后,才能得到正确的回答。因此问题融入知识点,一方面可以强化学生思考能力,另一方面也避免了枯燥的技术特点讲解,通过与大家日常生活相关的例子为问题,生动的引出技术特点,提升学生对知识的理解能力,从而为中阶教学提供基础。2 案例分析这是中阶教学模式。这一阶段要充分锻炼学生分离工程知识的综合运用能力。在教学中通过布置大作业的方式来实现。例如以生物乙醇发酵制备无水乙醇为例,这一案例可以覆盖机械分离过程和传质分离过程中的速率分离过程和平衡分离过程,从而达到锻炼学生知识综合运用能力的目的。并且不同种技术间可以相互选择,例如以菌体发酵液分离为例,离心沉淀(机械分离过程)、超滤膜过滤(速率分离过程)、板框过滤(速率分离过程)等,都可以实现菌体与发酵液的分离,学生可以自由选择,给出分析报告,然后进行课堂讨论;再比如乙醇水共沸体系的分离,精馏例如减压精馏、加压精馏、共沸精馏、萃取精馏和渗透汽化等技术都可以打破共沸点,但原理不同,学生在采用不同技术完成大作业过程中,必然也会对各种技术进行分析对比,掌握其知识点,才能在课堂讨论中回答自如。以此来锻炼学生知识灵活运用能力、问题分析能力、技术原理运用能力和设计开发能力4。同时,案例分析过程中,学生如果对知识掌握不全面,很难做好大作业,最易产生厌学情绪,教师应聚焦学生的综合表现,秉承所有学生都是未知知识探索者的理念,采取多鼓励、表扬和赞美的形式,增加师生沟通,如将优秀学生作业进行课堂优秀案例讲解,增加学生学习自信心,使学生在激励中更好的学习6;并适当指出还有那些地方可以改进,从而创造各种机会,激发学生健康的竞争意识,以进一步提升学生综合素质,强化学生自主学习动力,达成学习效果,提升教学质量。另外,对于质量较差的作业,课堂上进行匿名讲解,指出尽管较差但是也有很多值得表扬的地方,以此来提升学生的学习自信心。同时通过拓展态度决定一定的道理,加入思政内容,以晋代左思和北宋方仲永为例,说明“业精于勤荒于嬉,行成于思毁于随”的道理,教导这部分学生要认真完成作业。同时引导其可以向老师和同学积极寻找帮助完成大作业,而不是主动放弃,以达到知识掌握和能力培养的目的。3 实践探索3.1 实验教学这是第三阶教学模式,这一阶段是培养学生手脑并用的关键阶段,锻炼学生绝知此事要躬行的最佳阶段。“教”的目的是为了“不教”,通过实践乙醇水分离过程中膜分离操作,过滤操作,精馏操作及吸附操作的运用,可以实现检验学生知识掌握程度,例如在渗透汽化膜分离专业实验教学过程中,通过调控温度、真空度的影响,获得操作参数数据,并在实验报告中分析原因,从而锻炼学生理论知识的灵活应用和分析能力,强化学生对渗透汽化膜分离知识的认识。3.2 桌面工厂教学桌面型智能工厂是缩小版的化工装置,可以通过搭建灵活的工艺单元,实时产生动态工艺数据变化,从而模拟工艺装置运行情况,形成直观认识,弥补高等教育理论脱离实际的教学短板7。以精馏操作为例,精馏操作是目前化工行业使用最为广泛的分离技术8。尽管化工原理实验中,进行了验证性精馏操作实验,但是对于实际体系或是条件变化的影响,学生还一知半解。并且影响精馏操作的因素很多,各因素之间相互交织,一个因素的变化会影响其他因素的变化,使得精馏操作变得复杂,学生学习难度大。通过桌面工厂的模拟教学,让学生自行模拟操作精馏过程,安排学生改变回流比、测线采出率等精馏参数,让学生直观的了解精馏的变化,对精馏过程形成感性认识;并在此过程中,老师以提问的方式让学生回想课堂知识,最后老师讲解内在原因,从而可以更加深入的让学生掌握精馏操作相应知识,实现从理性认识到感性认识的升华。另外,桌面工厂可以设计简单模式,困难模式等不同的教学等级,形成从简单到复杂,由浅入深的逻辑递进式教学过程,使学生从“脑”、“眼”和“手”等三方面强化对所学知识的吸收,实现从理性认识到感性认识的升华,掌握分离过程相应知识。3.3 实习实践教学实习实践可进一步加深学生对分离工程知识的理解,提升学生综合素质能力9,是检验分离工程知识掌握程度最好的现场教学过程,因为分离工程在化工行业占据举足轻重的作用2。例如在山东京博公司实习期间,工程师以环戊烷和二甲基丁烷的萃取精馏分离工艺为例讲解工艺流程,让学生进一步熟悉实际工业化过程中,如何采用萃取精馏实现物性相似体系的分离,最终获得 98%以上的环戊烷;同时,通过与工程师询问及讨论,工艺流程图 PID 和 PFD 的绘制,以及实习心得体会的撰写,强化学生对分离工程知识实际应用的认识,把理论联系实际真正落到实处。因此通过理论教学、演示教学、实践教学和参观教学等不同的教学形式,形成课上课下学习相互补充,进一步强化对理论知识的复习,加深印象,为培养创新型复合性综合应用人才提供知识储备。(下转第 265 页)第 51 卷第 3 期刘宏臣,等:碳中和背景下绿色化学课程教学初探265 3 结 语绿色化学的根本目的是从源头节约资源和消除污染,从而解决我国传统的资源浪费、环境污染等问题。在绿色课程教学中,通过采用主动讲授或让学生查阅绿色化学新技术、新方法等有助于学生了解当前绿色化学发展趋势,加深了学生对绿色化学的认识,使学生能够更好的为我国绿色低碳发展作贡献。参考文献1 贡长生,张龙.绿色化学M.武汉:华中科技大学出版社,2008.2Blanchard L A,Hancu D,Beckman E J,et al.Green processing usingionic liquids and CO2J.Nature,1999,399:28.3 Bates E D,Mayton R D,Ntai I,et al.CO2capture by a task-specificionic liquidJ.Journal of the American Chemical Society,2002,124(6):926-927.4 Zhang Y,ZhangS,LuX,etal.DualAmino-FunctionalisedPhosphonium Ionic Liquids for CO2Capture J.Chemistry-AEuropean Journal,2009,15(12):3003-3011.5 Rosli A,Ahmad A L,Lim J K,et al.Advances in Liquid Absorbents forCO2Capture:A Review J.Journal of Physical Science,2017,28(Suppl.1):121-144.6 Aleixo M,Prigent M,Gibert A,et al.Physical and chemical properties ofDMXTMsolventsJ.Energy Procedia,2011,4:148-155.7 Raynal L,Alix P,Bouillon P-A,et al.The DMXTMprocess:an originalsolution for lowering the cost of post-combustion carbon captureJ.Energy Procedia,2011,4(1):779-786.8 Wang J,Li G,Li Z,et al.A highly selective and stable ZnO-ZrO2solidsolution catalyst for CO2hydrogenation to methanol J.Scienceadvances,2017,3(10):e1701290.9 Hu J,Yu L,Deng J,et al.Sulfur vacancy-rich MoS2as a catalyst for thehydrogenation of CO2to methanolJ.Nature Catalysis,2021,4(3):242-250.10 Zhong J,Yang X,Wu Z,et al.State of the art and perspectives inheterogeneous catalysis of CO2hydrogenation to methanolJ.ChemicalSociety Reviews,2020,49(5):1385-1413.11 Li L,Ozden A,Guo S,et al.Stable,active CO2reduction to formate viaredox-modulated stabilization of active sitesJ.Nature communications,2021,12(1):1-9.12 Ma W,Xie S,Zhang X G,et al.Promoting electrocatalytic CO2reductionto formate via sulfur-boosting water activation on indium surfacesJ.Nature communications,2019,10(1):1-10.13 Gao P,Li S,Bu X,et 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是化学工程与工艺专业一门实用性非常强的课程。传统的灌输式教学只能起到初级的教学目的,学生很难完全掌握相应知识。同时其实用性强的特点,也要求教学过程中,需要强化动手实践性,将知识与实践融会贯通,即课堂-案例知识学习与运用,实践-案例奥秘探索与分析,从而培养出具备探索未知知识能力的学生,而不是仅能寻找答案的学生,初步使学生形成具备复杂工程问题解决能力。通过案例分析与实践操作架起学科知识与案例应用间的桥梁;通过三阶教学模式的实践,形成案例强化知识获取,实践出真知的教学模式,促进理论与实践教学的有效互融,强化学生对分离工程知识的认识,使学生能较好的掌握分离工程知识要点,取得了不错的教学效果。参考文献1 谢军,熊碧权.提升化工分离工程课程教学质量的探讨J.广东化工,2020,47(14):187-188.2 刘家祺.分离过程M.北京:化学工业出版社,2002.3 代立波,冯韧,史荣会.“互联网+”背景下化工分离工程在线教学模式探讨与研究J.山东化工,2020,49(13):163-165.4 马占华,杜跃展,李军,等.新工科背景下高等分离工程教学改革与实践J.大学化学,2020,35(10):134-140.5 姚媛媛,李成帅,陈艳红.浅谈如何提高分离工程课程的教学质量J.山东化工,2019,48(8):217-218.6 单春莉.师生间沟通的法宝 赏识和赞美J.吉林省教育学院学报(中旬),2015,31(5):44-45.7 项朝阳,段丹萍,贺昉,等.沉浸理论在桌面式虚拟工厂设计中的应用研究J.中国职业技术教育,2016(14):92-96.8 李蓓.Aspen Plus 在精馏操作分析中的应用J.科技创新与应用,2013(26):32.9 吕华,刘玉民,席国喜.化工分离工程教学改革与探讨J.广州化工,2010,38(3):200-202.