基于实例引导创新的《化工原理》教学改革与实践

＊葛雪惠 尤新强 李玲 叶长燊 杨臣

（福州大学化工学院 福建 350116）

《化工原理》是化学工程与工艺、制药工程、过程装备与控制工程专业、生物工程、食品科学与工程专业、环境工程专业的一门主干课，它以化工生产中的物理加工过程为背景，研究和探讨化工生产中大规模改变物质物理性质的基本规律，应用这些规律解决化工生产中的实际问题，并将这些规律按其操作原理的共性归纳成若干单元操作[1-2]。

课程需要达到的目标是通过课程教学，掌握本课程的主要研究方法及主要单元操作的基本原理、工艺计算和典型设备的结构与设计，培养学生具备根据各单元操作在技术上和经济上的特点，进行“单元过程和设备”选择、过程计算、设备设计、故障处理的能力，并针对实例进行分析评价，进而进行创新性的构建。

1.学情分析：高阶认知教学目标完成度较低

(1)定性分析

化工原理课程是一门专业性很强的课程，它的学习要求先修课程基础，如高等数学、工程制图、大学物理等，及后续课程的进一步加强，如化工原理课程设计、化工设计等，是化工及相关学科本科生全过程培养中非常重要的环节。

化工原理课程作为一门典型的工科课程，有以下几个特点：

①理论学习难度较大：化工原理以“三传”（动量传递、热量传递和质量传递）现象为基础，涉及大量的理论推导和公式计算，教学过程中易出现老师在黑板上奋笔疾书，学生却如望天书的情况，但理论知识如同基石，如果没能很好掌握，后续认知的提升也无从谈起[3]。

②实践训练难以开展：化工原理课程涉及20多种单元操作，比如流体输送、加热、干燥、吸收、萃取等，每一种单元操作从理论到设备都有各自的特点，而化工厂一般远离市区，占地面积大，投资费用大，操作起来专业壁垒高，操作不当会造成严重事故，这就导致带领学生们对每一个单元操作都进行实地参观比较困难，实际操作更是几乎不可能[4-5]。

③整体创新难以开展：化工操作中的每一次进步都是在对理论的深入理解，对实际设备的运行过程了然于胸，再结合大量实验的基础上实现的，在课堂上要实现这样的整体创新非常困难[6-7]。

(2)定量分析

课程成绩由平时作业（10%）、平时小测（20%）、期末考试（70%）构成，如图1所示。在考察的时候对课程目标1～3分别设计考察题目，并进行定量分析，课程目标4为价值观塑造，无法定量分析。

图1 化工原理课程目标

教学目标达成度收集了18级化工、18级化学及19级化工的数据，其中18级福州大学化学专业课程综合成绩主要集中于70～90分数段，占比60.3%，优秀占比13.2%，60～69分数段人数占比22.0%较多，卷面平均成绩62.0分，综合平均成绩70.0分，平时小测平均成绩89.0分。本课程包括三大教学目标，达成度分别为0.840、0.710、0.680。19级福州大学化工专业课程综合成绩主要集中于70～90分数段，占比56.7%，优秀占比3.7%，60～69分数段人数占比27.0%较多，卷面平均成绩63.0分，综合平均成绩71.0分，平时小测平均成绩83.4分。本课程包括三大教学目标，达成度分别为0.780、0.687、0.668。

从图2中可以看出，教学目标1的达成度最高，基本都能超过0.7，而教学目标2和教学目标3的达成度逐渐下降，其中教学目标3的达成度最低，这是因为教学目标2和教学目标3为综合分析和实例设计，对学生综合运用知识的要求大幅提升。

图2 三个班级教学目标达成度分析表

从学情分析中可知，在化工原理课程的教学过程中，存在基础理论知识理解需要加强、中高阶认知迫于客观原因难以开展的问题，教学改革与创新需要从存在的这几个痛点入手。

2.方案设计：实例引导创新

针对学情分析的痛点，化工原理教学团队提出以实际案例作为抓手，通过教学过程中与学生们共同分析探讨实际案例，加强互动与实践，设计贯通低、中、高阶认知的教学方案，通过实际案例结合微创新思维引导，提升学生们的学习获得感及学习兴趣，形成“实例引导创新”的教学范式。

（1）挖掘“有血有肉”的精选实例，自然融入课程。针对每个章节深入挖掘精选案例，将每个单元操作过程串联成一个个生动的故事，引导学生们的学习兴趣和价值理念。

（2）线上线下教学结合，针对性强化理论学习。依托在线开放课程资源（慕课等），使用现代信息技术，综合启发式讲解、传统板书等手段，强化理论教学过程，同时建设线上习题库反映学生们总体完成情况和不同知识点的掌握比例，及时发现学生的薄弱环节，从而针对性辅导。

（3）实例引导微创新，提升高阶认知能力。在确保学生们基本掌握理论知识的前提下，引导学生团队协作进行实例分析，并利用创新思考范式，引导学生们对实例进行整合优化，促使其利用知识去主动完成较为复杂的整合过程，增强对专业的认可。

3.实施过程：精选实例，多管齐下，层层深入，以学生发展为中心

实施过程的总体思路为以学生发展为中心，综合运用多种手段，层层深入，具体方式如下所示。

（1）全阶段全过程教学，融入整体培养过程。化工原理课程有其先修课程与后续课程，因此在讲授时需要把握其在学生整体培养过程中的位置，在课程讲述时回顾前面学过的知识，重点讲述化工原理课程的单元操作，而对于单元设备的细节及实际操作，则留至后续的化工设计、化工实验中进一步探索，符合学生知识学习过程逐步深入的自然规律。

（2）丰富教学资源，满足学生需求。依托丰富的在线学习视频，结合课程教学，带给学生们系统性的教学体验，同时辅助性地分享时间较短但制作精良的教学资源，比如微信公众号、知乎专栏等针对某个知识点的生动细致讲述，提升学生的学习兴趣，并通过丰富线上题库、雨课堂在线测验等手段建立中长期、线上线下的综合教学模式，提升学生对教学内容的掌握度。

（3）学习方法分享，针对性解决学生困难。授之以鱼不如授之以渔，课程教学中也会经常分享一些好的学习方法，比如通过进行“思维导图”练习、针对知识点自己设置题目等方式让学生们更好地熟悉和掌握好的学习方法。

（4）倡导微创新，以学生为主进行深入分析。化工原理中涉及20多个单元操作，如果以理论讲解-设备分析-习题计算的方式来讲授，会相对比较枯燥。因此我们采取翻转课堂的方式，先让学生们利用丰富的教学资源，对理论知识有基本的掌握，再采用以实例为核心，分组讨论的形式，讨论实际案例的优缺点，例如针对常用的弓形挡板存在压降大及流动死区的缺点，引导学生们采用逆向思维、分析综合、联想思维、直接思维等方法去思考改进方法，提出采用螺旋式折流挡板的方法减少死区，从而实现减压降耗的效果。虽然课堂中的改进相对微小，但要充分肯定学生们的这种“微创新”，这对化学工程的持续改进非常重要。

（5）精选案例融入课堂，引导学生兴趣。针对每个章节深入挖掘精选案例，将每个单元操作过程串联成生动的故事，引导学生们的学习兴趣和价值理念。譬如在蒸馏章节的学习中，以我院化工过程强化团队在反应精馏领域的科研工作为例。醋酸甲酯简称MA，是PTA的副产物，而PTA是很多生活用品的重要化工原料。但PTA生产过程中会产生大量MA副产物，传统的水解工艺水解率仅为23%左右，化工过程强化团队不断查阅文献，团队讨论，往返于实验室和工厂一线，水解率在一次次失败中不断提升，最高可达99.5%以上，产生了巨大的经济效益和社会效益。利用身边鲜活的事例，极大增强了学生们的学习兴趣和在学习过程中面对困难和失败勇于担当、勇于拼搏的创新精神。

4.教学创新成效

本文主要讲述了基于实际案例进行化工原理教学并引导学生进行创新性思维和创新性设计的教学改革实践。根据最初的环境专业班级（64人）的教学评价，学生对基于实际案例进行的化工原理教学及创新实践改革评价较高，评价分数高达97分（满分100分），从评教结果来看，学生认为通过思政引导和案例分享的方式，有效传递了正确的价值观念和道德观念，而丰富的教学资源和全过程全阶段教学有助于学生学习知识点的融会贯通和及时查缺补漏，课外延伸和创新引导有助于提升学生的自我学习能力、分析能力、表达能力和创新意识，学生认为通过及时与老师同学们进行讨论交流，不仅有助于知识的理解，提升学习兴趣，而且提升了他们进一步投身专业深造的热情。后续可将教学改革实践进一步拓展到化学工程与工艺、制药工程、过程装备与控制工程专业、生物工程、化学专业和食品科学与工程专业（学生人数约600人），促进教学迭代优化。

5.结语

本文主要讲述了基于实际案例进行化工原理教学并引导学生进行创新性思维和创新性设计的教学改革实践。根据定性和定量的学情分析，确立了“实例引导创新”的思路，对理工科课程设计贯通低、中、高阶认知的教学方案，引发学生学习兴趣，结合工程案例和实验技术培养学生动手能力，使用创新思维范式引导学生进行自组织学习、主动构建案例，取得了一定的成效，而学生的创新成果又纳入课程内容，促进教学迭代优化。