化工原理--膜分离教学改革初探.docx

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“化工原理

膜分离”教学改革初探

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高波刘嘉栋韩芸张海涵

[关键词]化工原理;膜分离;教学改革;全过程演示实验

化工原理课程属化学工程技术科学学科，是理论性和实践性都很强的学科，是环境工程专业必修的一门重要的专业基础课程。课程的主要任务是通过本课程的学习使学生获得常见化工单元操作过程及设备使用所需的基本知识、基本理论和基本的计算能力以及基本工艺设计计算能力，培养学生运用本学科基础理论分析和解决环境工程中有关问题的能力。该课程一般开设于大三上学期，在学生学习高等数学、物理及化学等基础课之后，起着承前启后的作用，是从基础课向专业课过渡的衔接课程，为本专业的主要专业课《大气污染控制工程》《水污染控制工程》等课程的学习和从事废气、废水的治理与开展科研工作奠定专业基础。很多高等学校环境工程专业都开设这门课程，但不同学校不同的教学条件、背景以及优势促使各学校进行教学改革，开展特色化教学。目前本校化工原理课程教学手段仍然是“板书+课件+平面动画+课程设计”的传统模式，而修读本科生则存在基础知识储备不足的现实问题。在环境保护技术日新月异的今天，在工程教育改革和新工科建设的大环境下，过于传统的教学手段已经稍显力不从心，因此亟需进一步丰富教学手段，以全面深入展示相关知识点，促进学生知识的掌握程度，并结合教师自身的科学研究开展特色化教学，提升学生的学习兴趣。

一、直面课程问题

环境污染问题的复杂性、持续性以及广泛性等特点，迫使环境工程专业技术人才具备解决复杂环境问题的能力，从而对环境工程专业任课教师提出了更高的要求。教师不仅要按照课程教学大纲的要求保质保量地完成课堂教学任务，还要在不增加课时量的情况下给学生介绍一些和课程相关的科研进展，以开阔学生的眼界，增强学生的学习兴趣。而在修读化工原理前，学生已基本完成工科基礎课程的学习，同时已经具备各类基础实验操作技能。此时，学生初步储备了相关数学、工程、实际操作知识，有条件对该门课程进行系统深人的学习。

化工原理包含流体力学、传质过程、传热过程、塔设备、固体干燥以及膜分离技术等内容，涉及基本理论知识、工程设计、选型及操作计算。作者作为讲授该门课程的一线教师，在授课过程中明显体会到该门课程理论计算有深度、设计计算有难度、操作计算较灵活，尤其是环境工程专业的本科生在修读该门课程之前对相关设备实物接触较少，没有机会去直观了解设备的内部结构及操作过程，从而影响后续的设计、操作、选型、参数选取和计算。而现有的结合平面动画的课件教学已经无法满足现代化教学的要求，不利于学生掌握相关知识，而本科生实验室亦无法满足针对所有知识点开展课程实验。因此，该门课程存在学习难度大、设备展示不直观、实验操作课时不足、教学手段相对滞后的问题。

二、寻求解决方案

作为任课教师，有责任基于自身科研及教学经验，对课程内容进行丰富，以促进学生对该门课程内容的充分掌握，从而为后续专业课程的学习打下坚实的基础。全过程演示实验与课堂教学的结合则是一种即简便又新颖的教学手段，该教学方法主要是利用教师科研实验设备和实验室，拍摄未开设课程实验的教学内容的全过程演示实验视频，全方位展示该实验的操作过程，即无需增加实际操作课程实验课时，亦具有成本低、内容灵活、短小直观、易于理解的特点。

因此，作者根据自身长期积累的科研经验，选取化工原理课程中的膜分离章节为切入点，尝试开展基于全过程演示实验与课堂教学结合的课堂教学改革探索。膜分离属环境工程领域，是水处理领域的重要操作单元和研究对象，也是目前工程实施中的优先选择。因此，环境工程本科生无论将来选择就业或继续深造，几乎均需要面对该技术。膜分离过程主要涉及膜材料和操作条件计算，而操作条件计算理论性较强，传统课堂教学结合公式推导可以基本满足授课要求，而膜材料则涉及无机膜、有机膜，而有机膜的应用尤其广泛。但是，目前本科课程所选教材，包括水污染控制工程课程，均未涉及有机膜材料的制备过程，而该过程是膜材料研究和选型的重要内容和依据。因此，作者选择有机膜材料的制备作为着力点，尝试完成聚偏氟乙烯（PVDF）平板微滤膜的制备全过程演示实验视频。

视频拍摄根据如图1所示步骤进行，由有经验的研究生进行操作演示。制备方法参考硕士论文，包括：（1）铸膜液配制。根据所需微滤膜膜孔要求，将一定量的致孔剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶于一定体积的有机溶剂N，N-二甲基乙酰胺（DMAC）中，待PVP完全溶解，再缓慢加入一定量PVDF。在此步骤中需要注意PVP、DMAC、PVDF的配比，膜孔大小及成膜性能与此配比息息相关。致孔剂PVP含量越高，膜表面孔径越大，但当PVP添加量大到一定程度，膜孔不再变大，PVP投加量过高可能导致溶解不完全，从而使得铸膜液配制失败，因此PVP取值需根据膜孔尺寸控制在合适范围内;溶剂DMAC的量越大，