高波 劉嘉棟 韓蕓 張海涵

[關(guān)鍵詞]化工原理;膜分離;教學(xué)改革;全過程演示實驗

化工原理課程屬化學(xué)工程技術(shù)科學(xué)學(xué)科，是理論性和實踐性都很強的學(xué)科，是環(huán)境工程專業(yè)必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。課程的主要任務(wù)是通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生獲得常見化工單元操作過程及設(shè)備使用所需的基本知識、基本理論和基本的計算能力以及基本工藝設(shè)計計算能力，培養(yǎng)學(xué)生運用本學(xué)科基礎(chǔ)理論分析和解決環(huán)境工程中有關(guān)問題的能力。該課程一般開設(shè)于大三上學(xué)期，在學(xué)生學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)、物理及化學(xué)等基礎(chǔ)課之后，起著承前啟后的作用，是從基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課過渡的銜接課程，為本專業(yè)的主要專業(yè)課《大氣污染控制工程》《水污染控制工程》等課程的學(xué)習(xí)和從事廢氣、廢水的治理與開展科研工作奠定專業(yè)基礎(chǔ)。很多高等學(xué)校環(huán)境工程專業(yè)都開設(shè)這門課程，但不同學(xué)校不同的教學(xué)條件、背景以及優(yōu)勢促使各學(xué)校進行教學(xué)改革，開展特色化教學(xué)。目前本?；ぴ碚n程教學(xué)手段仍然是“板書+課件+平面動畫+課程設(shè)計”的傳統(tǒng)模式，而修讀本科生則存在基礎(chǔ)知識儲備不足的現(xiàn)實問題。在環(huán)境保護技術(shù)日新月異的今天，在工程教育改革和新工科建設(shè)的大環(huán)境下，過于傳統(tǒng)的教學(xué)手段已經(jīng)稍顯力不從心，因此亟需進一步豐富教學(xué)手段，以全面深入展示相關(guān)知識點，促進學(xué)生知識的掌握程度，并結(jié)合教師自身的科學(xué)研究開展特色化教學(xué)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

一、直面課程問題

環(huán)境污染問題的復(fù)雜性、持續(xù)性以及廣泛性等特點，迫使環(huán)境工程專業(yè)技術(shù)人才具備解決復(fù)雜環(huán)境問題的能力，從而對環(huán)境工程專業(yè)任課教師提出了更高的要求。教師不僅要按照課程教學(xué)大綱的要求保質(zhì)保量地完成課堂教學(xué)任務(wù)，還要在不增加課時量的情況下給學(xué)生介紹一些和課程相關(guān)的科研進展，以開闊學(xué)生的眼界，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而在修讀化工原理前，學(xué)生已基本完成工科基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，同時已經(jīng)具備各類基礎(chǔ)實驗操作技能。此時，學(xué)生初步儲備了相關(guān)數(shù)學(xué)、工程、實際操作知識，有條件對該門課程進行系統(tǒng)深人的學(xué)習(xí)。

化工原理包含流體力學(xué)、傳質(zhì)過程、傳熱過程、塔設(shè)備、固體干燥以及膜分離技術(shù)等內(nèi)容，涉及基本理論知識、工程設(shè)計、選型及操作計算。作者作為講授該門課程的一線教師，在授課過程中明顯體會到該門課程理論計算有深度、設(shè)計計算有難度、操作計算較靈活，尤其是環(huán)境工程專業(yè)的本科生在修讀該門課程之前對相關(guān)設(shè)備實物接觸較少，沒有機會去直觀了解設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及操作過程，從而影響后續(xù)的設(shè)計、操作、選型、參數(shù)選取和計算。而現(xiàn)有的結(jié)合平面動畫的課件教學(xué)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化教學(xué)的要求，不利于學(xué)生掌握相關(guān)知識，而本科生實驗室亦無法滿足針對所有知識點開展課程實驗。因此，該門課程存在學(xué)習(xí)難度大、設(shè)備展示不直觀、實驗操作課時不足、教學(xué)手段相對滯后的問題。

二、尋求解決方案

作為任課教師，有責(zé)任基于自身科研及教學(xué)經(jīng)驗，對課程內(nèi)容進行豐富，以促進學(xué)生對該門課程內(nèi)容的充分掌握，從而為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。全過程演示實驗與課堂教學(xué)的結(jié)合則是一種即簡便又新穎的教學(xué)手段，該教學(xué)方法主要是利用教師科研實驗設(shè)備和實驗室，拍攝未開設(shè)課程實驗的教學(xué)內(nèi)容的全過程演示實驗視頻，全方位展示該實驗的操作過程，即無需增加實際操作課程實驗課時，亦具有成本低、內(nèi)容靈活、短小直觀、易于理解的特點。

因此，作者根據(jù)自身長期積累的科研經(jīng)驗，選取化工原理課程中的膜分離章節(jié)為切入點，嘗試開展基于全過程演示實驗與課堂教學(xué)結(jié)合的課堂教學(xué)改革探索。膜分離屬環(huán)境工程領(lǐng)域，是水處理領(lǐng)域的重要操作單元和研究對象，也是目前工程實施中的優(yōu)先選擇。因此，環(huán)境工程本科生無論將來選擇就業(yè)或繼續(xù)深造，幾乎均需要面對該技術(shù)。膜分離過程主要涉及膜材料和操作條件計算，而操作條件計算理論性較強，傳統(tǒng)課堂教學(xué)結(jié)合公式推導(dǎo)可以基本滿足授課要求，而膜材料則涉及無機膜、有機膜，而有機膜的應(yīng)用尤其廣泛。但是，目前本科課程所選教材，包括水污染控制工程課程，均未涉及有機膜材料的制備過程，而該過程是膜材料研究和選型的重要內(nèi)容和依據(jù)。因此，作者選擇有機膜材料的制備作為著力點，嘗試完成聚偏氟乙烯（PVDF）平板微濾膜的制備全過程演示實驗視頻。

視頻拍攝根據(jù)如圖1所示步驟進行，由有經(jīng)驗的研究生進行操作演示。制備方法參考碩士論文，包括：（1）鑄膜液配制。根據(jù)所需微濾膜膜孔要求，將一定量的致孔劑聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶于一定體積的有機溶劑N，N-二甲基乙酰胺（DMAC）中，待PVP完全溶解，再緩慢加入一定量PVDF。在此步驟中需要注意PVP、DMAC、PVDF的配比，膜孔大小及成膜性能與此配比息息相關(guān)。致孔劑PVP含量越高，膜表面孔徑越大，但當(dāng)PVP添加量大到一定程度，膜孔不再變大，PVP投加量過高可能導(dǎo)致溶解不完全，從而使得鑄膜液配制失敗，因此PVP取值需根據(jù)膜孔尺寸控制在合適范圍內(nèi);溶劑DMAC的量越大，鑄膜液粘度越小，在一定程度上有利于鑄膜液的配制，但是DMAC比例過高將導(dǎo)致成膜厚度減少、強度降低、鑄膜液大量滲入無紡布基底背面，從而影響膜材料的性能及壽命，其比例過低則導(dǎo)致PVP和PVDF溶解困難、鑄膜液粘度過高，使得成膜材料致密且難以順利刮膜;PVDF是膜材料的最終存在形式，其由流體狀態(tài)通過相轉(zhuǎn)化過程脫去DMAC和PVP，最終形成多孔固體薄膜，其在鑄膜液中的比例對成膜性能影響顯著，比例過低將導(dǎo)致鑄膜液過稀，無法獲得所需性能的產(chǎn)品，占比過高則導(dǎo)致PVDF粉末難以溶解且鑄膜液粘度過大，可能產(chǎn)生致密膜結(jié)構(gòu)從而影響水通量，且不利于刮膜過程的順利實施。（2）鑄膜液攪拌。在室溫（25℃）條件下，持續(xù)磁力攪拌鑄膜液，直到所有PVDF溶解，一般需要24h。此過程需確定所有PVDF完全溶解，否則會造成后續(xù)刮膜出現(xiàn)大的破損，從而導(dǎo)致制膜失敗。（3）鑄膜液脫泡。攪拌均勻的鑄膜液在室溫條件下靜置一定時間脫除氣泡，一般需要12h。此過程需注意脫泡完全，否則會在刮膜過程中出現(xiàn)氣泡孔。（4）鑄膜液刮膜。根據(jù)所需膜的厚度選取相應(yīng)厚度的刮膜刀，在光滑干燥的玻璃板上刮膜，注意刮膜刀需勻速移動，這樣才能有效保證制備膜的均勻性;注意鑄膜液的用量，在均勻制備的同時節(jié)省鑄膜液;另外，務(wù)必保持玻璃板表面干燥，否則鑄膜液在刮膜過程中就可能發(fā)生相轉(zhuǎn)化。（5）相轉(zhuǎn)化。將玻璃板連同刮好的膜一起放入裝有一定體積水的容器中進行相轉(zhuǎn)化。此過程是將膜中溶劑DMAC及PVP溶出，從而形成固體PVDF薄膜并在膜中留下一定大小的膜孔，膜孔的大小與DMAC溶出速率相關(guān)，也就是相轉(zhuǎn)化速率。相轉(zhuǎn)化速率決定了膜的微結(jié)構(gòu)形態(tài)，相轉(zhuǎn)化速率越快，膜孔一般為指狀孔結(jié)構(gòu)，相轉(zhuǎn)化速率越慢，膜孔一般為海綿狀孔結(jié)構(gòu)。其中，鑄膜液的粘度對相轉(zhuǎn)化速率影響較大，粘度越大，便越難以分相，從而使得相轉(zhuǎn)化速率變慢，最終膜內(nèi)部孔隙逐漸從指狀孔變成海綿狀孔。另外，相轉(zhuǎn)化溫度也會影響最終的膜孔形態(tài)，溫度越高，DMAC擴散越快，相轉(zhuǎn)化速率越快，形成指狀孔的幾率越大。

視頻素材拍攝完成后交由專業(yè)人員進行剪輯，配合專業(yè)的解說詞，制作完整的視頻材料。制作完成后由作者和教研室相關(guān)同事共同進行審核，并提出修改意見。最后根據(jù)修改意見進行視頻補充拍攝、解說詞完善和重新剪輯，最終形成正式的基于全過程演示實驗與課堂教學(xué)結(jié)合的教學(xué)素材，并在該部分教學(xué)過程中進行展示。展示過程中，教師就學(xué)生不能理解或掌握的內(nèi)容進行補充講述，同時適當(dāng)介紹相關(guān)步驟，為學(xué)生拓寬專業(yè)視野、提升專業(yè)興趣。

三、效果初步顯現(xiàn)

在膜分離章節(jié)授課過程中，通過播放教學(xué)視頻結(jié)合教師補充講解后，本科生首次接觸了有機微濾膜的制備全過程，同時了解了制備過程中的注意事項以及相關(guān)參數(shù)對最終產(chǎn)品性能的影響機制。課后采用在線文檔調(diào)查問卷的方式收集了修讀學(xué)生對本次教學(xué)改革活動的反饋意見，最終收到有效反饋意見63份。本次調(diào)查問卷設(shè)置4個問題：（1）本科階段是否曾接觸過類似的演示實驗？（2）該演示實驗是否提升了你對該門課程的學(xué)習(xí)興趣？（3）推廣該種教學(xué)模式是否將提升你對本專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣？（4）提前接觸此類科研內(nèi)容是否將提升你繼續(xù)深造的意愿？反饋意見表明，目前通過實施基于全過程演示實驗與課堂教學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革收到的效果主要集中在兩個方面（圖2）：學(xué)生專業(yè)興趣提升;學(xué)生深造意愿增強。具體討論如下：

（1）學(xué)生專業(yè)興趣提升：作者所在學(xué)校給學(xué)生提供一次轉(zhuǎn)專業(yè)的機會，而環(huán)境工程專業(yè)的部分學(xué)生有轉(zhuǎn)專業(yè)的意愿，主要原因在于此時學(xué)生尚未接觸專業(yè)課程，對本專業(yè)的認(rèn)識不夠充分深入。其次，相關(guān)學(xué)生對本專業(yè)的前景把握不足。也有部分學(xué)生直接表示相關(guān)課程難度較大，不易掌握，從而對本專業(yè)缺乏足夠的學(xué)習(xí)信心，尤其對于類似于化工原理這種計算復(fù)雜且涉及知識點眾多的課程，部分學(xué)生明顯缺乏學(xué)習(xí)動力，造成課程考試平均成績差異較大。圖2的反饋結(jié)果表明，只有38%的學(xué)生在此前接觸過類似的演示實驗，說明本科生的學(xué)習(xí)過程中仍較為缺乏接觸多樣化教學(xué)手段的機會。在化工原理授課過程中，通過該教學(xué)視頻的演示和講解后，多數(shù)學(xué)生表現(xiàn)出了明顯的興趣，提問及咨詢的積極性明顯高于以往，大部分學(xué)生均表示專業(yè)基礎(chǔ)課程并不像課本展示的那樣枯燥，這也從100%的學(xué)生均表示該演示實驗提升了其對該門課程的學(xué)習(xí)興趣可以證明。課堂現(xiàn)場詢問表明絕大部分學(xué)生均建議此類基于全過程演示實驗與課堂教學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革應(yīng)該覆蓋全課程，甚至進一步擴展延伸。調(diào)查表明，97%的學(xué)生表示推廣該種教學(xué)模式將提升其對本專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，而本科階段的教學(xué)內(nèi)容可以更為人性化和直觀化，對此基于全過程演示實驗與課堂教學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革無疑意義重大。

（2）學(xué)生深造意愿增強：作者所在學(xué)校環(huán)境工程專業(yè)本科生考研率一直保持在較高水平，但是仍存在部分學(xué)生在就業(yè)與深造的選擇之間搖擺不定。作者作為本科生班主任亦經(jīng)常接到學(xué)生的此類咨詢，但是在學(xué)生不充分理解深造內(nèi)容的情況下，咨詢效果常常不夠理想。在上述有機膜材料制備全過程演示視頻播放后，本科生對研究生階段的科研工作有了一個初步的認(rèn)識，多數(shù)學(xué)生表示實驗過程非常有趣，而此前他們除了本科課程實驗則從未接觸過科研實驗過程。

基于全過程演示實驗與課堂教學(xué)結(jié)合的教學(xué)視頻播放后，本科生有了一次從課堂直接走進科研實驗室的機會。多數(shù)學(xué)生則明確表示此類機會多多益善，而之前部分思想搖擺的學(xué)生則做出了繼續(xù)深造的決定。實際調(diào)查結(jié)果表明，83%的學(xué)生表示提前接觸此類科研內(nèi)容將提升其繼續(xù)深造的意愿。可見，結(jié)合科研的教學(xué)改革無疑會對學(xué)生產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

同時，部分學(xué)生也提出了具體的意見和建議，如“如果能定期或者在不同階段安排這樣的實驗就更好了，畢竟面對面更能加深印象”“希望有機會讓我們近距離觀察甚至操作一下”“最好能先介紹此類材料的應(yīng)用前景和具體應(yīng)用背景”等。這些具體意見表明，學(xué)生本身求知欲和探索欲較強，十分期待增加接觸此類教學(xué)改革的機會，也明白需要基礎(chǔ)知識儲備才可以更為深入地了解相關(guān)內(nèi)容。因此，作為授課教師，持續(xù)推進此類教學(xué)改革勢在必行，后續(xù)改革過程中亦需緊密聯(lián)系學(xué)生，從學(xué)生實際需求出發(fā)的改革才是最好的改革。

四、展望

作者在一線教學(xué)過程中，通過觀察學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的狀態(tài)，初步掌握了學(xué)生對課堂教學(xué)的期望，通過基于全過程演示實驗與課堂教學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革的初步探索，明顯體會到學(xué)生的求知欲與現(xiàn)有教學(xué)手段之間的差距。雖然作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，化工原理的學(xué)習(xí)要求是牢牢掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識和計算過程，但是在涉及眾多設(shè)備和操作單元時，一種更為直觀的教學(xué)方式明顯更有利于學(xué)生對相關(guān)知識的理解和掌握。在缺乏實物接觸和實際操作的情況下，全過程演示實驗與課堂教學(xué)的結(jié)合就充分體現(xiàn)出其價值。但是，由于化工原理課程所涉及的單元操作眾多，作者作為環(huán)境工程專業(yè)教師，對于化工類設(shè)備亦缺乏深入的研究，后續(xù)在全面推行基于全過程演示實驗與課堂教學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革的過程中，完全有必要聯(lián)合化工類專業(yè)教師和相關(guān)企業(yè)工程師，共同進行相關(guān)視頻、模型的拍攝制作和相關(guān)設(shè)備的設(shè)計、操作、選型以及參數(shù)選擇等。

教學(xué)相長是一個長期的過程，教師有整個職業(yè)生涯來提升其授課水平，而每一屆學(xué)生則只有一學(xué)期或一年的時間來修讀該門課程，教師迅速提升對該門課程的授課水平則是對學(xué)生負(fù)責(zé)的直接體現(xiàn)?！肮び破涫拢叵壤淦鳌?，教學(xué)手段的擴展提升是授課水平提高的重要體現(xiàn)。因此，對于化工原理這門課程而言，教師對基礎(chǔ)知識了熟于胸是前提，基于全過程演示實驗與課堂教學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革則為教學(xué)質(zhì)量的提升提供了一個易于實現(xiàn)的途徑。通過教學(xué)改革初試，學(xué)生期望類似改革可以覆蓋整個課程甚至進一步拓展延伸至其他課程，因為此類改革明顯有利于學(xué)生對相關(guān)知識點的直觀了解，有助于學(xué)生對理論知識的深入理解和掌握。