化工原理實(shí)踐課教學(xué)中的工程教育

強(qiáng)黎明，趙龍濤，董雪茹，胡 捷

(河南工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程系，河南 鄭州 450007)

工科教育的主體是工程教育.當(dāng)前重視學(xué)生工程能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為工程教育的一種必然趨勢.工程教育的特點(diǎn)是它更強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的結(jié)合，著重培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來解決實(shí)際工程問題的能力[1].化工原理是化學(xué)化工及相近專業(yè)的主干課程，其研究內(nèi)容包括化學(xué)工程的原理及過程，是用自然科學(xué)的原理考察、解釋和處理工程實(shí)際問題，即將物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等自然科學(xué)的基本原理用來研究化工生產(chǎn)中內(nèi)在的共同規(guī)律的學(xué)科，研究化工生產(chǎn)過程中各個(gè)單元操作的基本原理、設(shè)備及其計(jì)算方法[2].它在基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間起著承上啟下、從“化學(xué)”到“化工”、由“理”及“工”的橋梁作用.因此，必須在化工原理教學(xué)中樹立工程教育的理念[3]，強(qiáng)調(diào)工程觀點(diǎn)和設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練. 學(xué)生從自然科學(xué)轉(zhuǎn)入到工程技術(shù)科學(xué)學(xué)習(xí)的過程中，對(duì)工程的特點(diǎn)及對(duì)工程實(shí)際問題的處理方法等內(nèi)容還不甚了解，化工原理教學(xué)中的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，就是要培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力和分析問題、解決問題的能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力.本研究主要從實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)來分析探討化工原理教學(xué)中的工程教育問題.

1 化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的工程教育

化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要平臺(tái).相對(duì)于課堂理論教學(xué)而言，它具有直觀性、綜合性、探索性和啟發(fā)性的特點(diǎn).對(duì)于工科學(xué)生，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力和實(shí)際動(dòng)手能力尤為重要.化工原理實(shí)驗(yàn)屬于工程實(shí)驗(yàn)范疇，與其他基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)的最大區(qū)別是它更接近工程實(shí)際[4]，所涉及的研究對(duì)象均是復(fù)雜的化工過程.

1.1 化工原理實(shí)驗(yàn)的工程性質(zhì)

化工原理實(shí)驗(yàn)具有工程性質(zhì)，即復(fù)雜性和多變性.化工原理實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)模雖小，但其運(yùn)行原理和實(shí)際生產(chǎn)過程一樣，涉及的變量多、物料千變?nèi)f化，所以化工原理實(shí)驗(yàn)同樣具有工程上的復(fù)雜性和多樣性.例如，學(xué)生在做最簡單的雷諾實(shí)驗(yàn)的過程中，會(huì)遇到雷諾數(shù)Re<2 000 時(shí)就發(fā)生湍流的情況，這顯然是和教材中的理論知識(shí)相違背的.此例中的實(shí)際流型問題可能與外界擾動(dòng)有關(guān)，既有環(huán)境因素，也有人為的操作因素.這就是化工原理實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和多變性工程性質(zhì)的具體體現(xiàn).在出現(xiàn)這種特殊情況時(shí)，可借機(jī)引導(dǎo)學(xué)生靈活地運(yùn)用理論知識(shí)，讓學(xué)生結(jié)合實(shí)際情況來分析影響流動(dòng)形態(tài)的因素，使學(xué)生對(duì)層流和湍流的本質(zhì)區(qū)別有更深刻的體會(huì).這樣，對(duì)拓寬學(xué)生的思維方式、增強(qiáng)學(xué)生觀察和分析實(shí)際問題的能力能起到積極的作用.

1.2 在實(shí)驗(yàn)中引入實(shí)際工程問題

在實(shí)驗(yàn)過程中引入實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的工程問題并探討解決方案，是利用化工原理實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程教育的另一條有效途徑.教師可在實(shí)驗(yàn)講解時(shí)或在實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置和生產(chǎn)實(shí)際有關(guān)的工程問題，讓學(xué)生帶著問題去一步一步地開展實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)際操作來尋求解決問題的辦法.這樣，使學(xué)生對(duì)工程問題有了親身的體會(huì)，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力.例如,在流體流動(dòng)阻力測定的實(shí)驗(yàn)中，可引入在工程裝置中怎樣尋找管路堵塞的問題.隨著學(xué)習(xí)內(nèi)容的深入和實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，實(shí)際工程問題的難度可以逐漸加深.例如,在板式精餾塔塔板效率的測定實(shí)驗(yàn)中，可先提出問題“影響塔板效率的因素有哪些”或“如何提高塔板效率”，讓學(xué)生圍繞提高塔板效率的問題去查閱文獻(xiàn)，從而獲得由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)到實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的豐富資料.然后,讓學(xué)生對(duì)文獻(xiàn)資料進(jìn)行分類、歸納，找出規(guī)律性和特殊性的東西.

上課時(shí),可組織學(xué)生針對(duì)問題，根據(jù)所查文獻(xiàn)展開討論，鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑.最后,制定出提高塔板效率的措施、方法，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)所制訂的方案進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證.這樣,學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)際問題緊密結(jié)合起來，提高了學(xué)生分析與解決實(shí)際工程問題的能力.實(shí)驗(yàn)中,還有很多類似的問題，如實(shí)際吸收操作中常見問題的分析及排除、傳熱過程中傳熱效率的提高途徑等[5-6],經(jīng)過這樣不斷的訓(xùn)練，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中逐步地接觸實(shí)際工程問題，樹立起工程觀念.

2 課程設(shè)計(jì)中的工程教育

化工原理課程設(shè)計(jì)是化工原理實(shí)踐教學(xué)的又一重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生學(xué)完化工原理課程后進(jìn)行的一個(gè)具有總結(jié)性、綜合性和實(shí)踐性的教學(xué)環(huán)節(jié)，是綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)、以某一單元操作為主的設(shè)計(jì)實(shí)踐過程.課程設(shè)計(jì)不僅與化工原理課程內(nèi)容緊密相連，而且還與先修的機(jī)械制圖、化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)、物理化學(xué)等基礎(chǔ)課程的內(nèi)容密切相關(guān).通過化工原理課程設(shè)計(jì)這一實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，可以使學(xué)生將以前所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來，共同用于解決一個(gè)特定的實(shí)際工程問題，初步掌握化工單元過程與設(shè)備設(shè)計(jì)的基本程序和方法，具備正確使用有關(guān)技術(shù)資料的能力.課程設(shè)計(jì)所要解決的問題都是工程實(shí)際問題,在解決這些問題時(shí)既要嚴(yán)格遵循相關(guān)的基礎(chǔ)理論，還要考慮實(shí)際情況，并且對(duì)于影響設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的一些次要因素也不可忽略.因此,在設(shè)計(jì)過程中需要學(xué)生從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全操作等多方面進(jìn)行綜合分析，這有利于學(xué)生工程觀念的樹立和工程能力的培養(yǎng).

通常，開設(shè)化工原理課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容為：(1)設(shè)計(jì)方案的確定和論證；(2)主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算；(3)主體設(shè)備結(jié)構(gòu)、接管尺寸的設(shè)計(jì)；(4)主要輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)或選型；(5)將設(shè)計(jì)結(jié)果編寫成設(shè)計(jì)說明書，并繪制相應(yīng)的工藝流程圖和主體設(shè)備裝配圖；(6)對(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論[7].通過課程設(shè)計(jì)教學(xué)過程，可使學(xué)生掌握化工設(shè)計(jì)的基本程序和方法，這是對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程教育、培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)的重要教學(xué)過程[8].

2.1 基本工程素質(zhì)的系統(tǒng)訓(xùn)練

課程設(shè)計(jì)可對(duì)學(xué)生進(jìn)行基本工程技能和素質(zhì)的系統(tǒng)訓(xùn)練，逐步培養(yǎng)其工程意識(shí).學(xué)生在拿到設(shè)計(jì)任務(wù)書以后，首先要做的就是去查閱各種設(shè)計(jì)資料；然后，根據(jù)自己的設(shè)計(jì)題目和掌握的設(shè)計(jì)資料逐步建立起自己的設(shè)計(jì)思路和方案,通過設(shè)計(jì)計(jì)算得出設(shè)計(jì)結(jié)果；最后，編寫設(shè)計(jì)說明書，繪出主體設(shè)備裝配圖和工藝流程圖來表達(dá)自己的設(shè)計(jì)內(nèi)容.這是一個(gè)復(fù)雜的學(xué)用結(jié)合的過程，為了完成一個(gè)系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)任務(wù)，僅靠已有的書本知識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠.在這一過程中,學(xué)生必須接受作為工程技術(shù)人員所必備的基本工程技能和素質(zhì)等方面的系統(tǒng)訓(xùn)練，包括工具書、國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的使用，經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的選擇，設(shè)計(jì)成果的分析判斷，用簡明的科技語言描述自己的設(shè)計(jì)思想，用清晰的圖表表達(dá)自己的設(shè)計(jì)成果等.

課程設(shè)計(jì)過程可鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)工程知識(shí)的能力.例如，在畫裝配圖時(shí)，由于化工設(shè)備既有一般機(jī)械設(shè)備的共性，又有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，化工設(shè)備圖需要詳細(xì)地反映設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造要求和各零部件裝配連接關(guān)系，清楚地表達(dá)出設(shè)備的技術(shù)特性參數(shù)和技術(shù)要求以及對(duì)外連接關(guān)系,這就決定了化工制圖有其獨(dú)特的表達(dá)方法.學(xué)生雖然學(xué)過機(jī)械制圖，但要正確繪制出化工設(shè)備圖，還需要了解化工設(shè)備圖的畫法.課程設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)踐過程可以使學(xué)生對(duì)有關(guān)化工設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)從抽象理論到具體實(shí)踐的深刻體會(huì)，學(xué)生的工程制圖能力得到全面提高，工程設(shè)計(jì)的基本素質(zhì)得到系統(tǒng)訓(xùn)練.

2.2工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)的樹立

過程經(jīng)濟(jì)性分析是現(xiàn)代化工設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的基本要求[9],而化工原理課程設(shè)計(jì)所涉及的工藝計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或設(shè)備選型等，可讓學(xué)生直接接觸工程經(jīng)濟(jì)性問題.因此,課程設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程觀念和工程經(jīng)濟(jì)意識(shí)培養(yǎng)的重要教學(xué)環(huán)節(jié).在設(shè)計(jì)過程中，操作參數(shù)的合理選取實(shí)際上是技術(shù)上的可行性與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的結(jié)果，考慮了固定資產(chǎn)投資與日常操作費(fèi)用的最佳結(jié)合，也就是考慮了設(shè)備與物耗、能耗的相互替代.經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)化應(yīng)以總費(fèi)用最低為目標(biāo)，工程過程中的經(jīng)濟(jì)性分析體現(xiàn)了辯證法思想對(duì)工程實(shí)際的指導(dǎo)作用[10].

以精餾操作設(shè)計(jì)中回流比的選取為例,實(shí)際操作回流比應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)核算確定，要達(dá)到完成給定任務(wù)所需設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用的總和為最小.設(shè)備費(fèi)是指精餾塔、再沸器、冷凝器等設(shè)備的投資費(fèi)，此項(xiàng)費(fèi)用主要取決于設(shè)備的尺寸；操作費(fèi)主要取決于塔底再沸器加熱劑用量及塔頂冷凝器中冷卻劑的用量.隨著回流比的增大，操作費(fèi)不斷增大，所需塔板數(shù)急劇減少，設(shè)備費(fèi)減少;當(dāng)回流比增大至某一值時(shí)，由于塔徑增大，再沸器和冷凝器的傳熱面積增加，設(shè)備費(fèi)又上升.因此，總費(fèi)用隨回流比的增大先減后增，存在最小值，對(duì)應(yīng)的回流比為適宜回流比，即生產(chǎn)中的操作回流比.

通常情況下，適宜回流比R取最小回流比Rmin的 (1.1～2.0)倍，即R=(1.1～2)Rmin.在實(shí)際生產(chǎn)中,操作回流比應(yīng)視具體情況選擇.對(duì)于難分離體系，相對(duì)揮發(fā)度接近1，此時(shí)應(yīng)采用較大的回流比，以降低塔高、減少設(shè)備費(fèi)并保證產(chǎn)品的純度；對(duì)于易分離體系，相對(duì)揮發(fā)度較大，可采用較小的回流比，以減少加熱蒸氣的消耗量，降低操作費(fèi)用.從這一例子可以看出,課程設(shè)計(jì)中的工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析需要統(tǒng)籌考慮物料性質(zhì)、設(shè)備、物耗、能耗等各方面因素，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程教育和工程經(jīng)濟(jì)意識(shí)培養(yǎng)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié).

3 結(jié) 語

可以看出，工程觀念貫穿化工原理課程實(shí)踐教學(xué)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，在教學(xué)中應(yīng)用科學(xué)的思維方法和工程分析方法來組織教學(xué)內(nèi)容，能極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，使教學(xué)過程成為學(xué)生工程思維方法、工程分析能力及工程業(yè)務(wù)素質(zhì)培養(yǎng)的過程，使化工原理實(shí)踐教學(xué)過程真正起到對(duì)工科學(xué)生進(jìn)行理論聯(lián)系實(shí)際的工程教育作用.

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