如何通過化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)*

李學(xué)慧 吳正舜 陳義鋒 伍強(qiáng)賢

(華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 湖北武漢 430079)

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)除傳授基本化工知識(shí)外，更重要的是教授學(xué)生如何用所學(xué)的知識(shí)解決化工生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生具有從事科學(xué)研究和產(chǎn)品開發(fā)的初步能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，使學(xué)生初步掌握一些有關(guān)化學(xué)工程學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)[1-2]，這是這門課程的最大特色。本文從化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，談如何通過化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)研究工作所具有的基本素質(zhì)，如數(shù)據(jù)處理能力，觀察事物以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力

近幾年來，我院化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)過了全面更新，對(duì)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)行了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，學(xué)生只需要按幾個(gè)按鈕就可以輕松完成實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)完成后如何進(jìn)行數(shù)據(jù)處理卻不是容易的事。如有些實(shí)驗(yàn)是常規(guī)性的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如流體阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系、離心泵特性曲線的測(cè)定以及傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系。在這些實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一方面可以鞏固和加深對(duì)課堂所學(xué)基本概念和基本原理的理解；另一方面還能提高數(shù)據(jù)處理能力；同時(shí)還能了解常規(guī)數(shù)據(jù)處理軟件如Origin、Matlab以及Polymath的應(yīng)用，為以后從事科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)。

在離心泵性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得了不同流量(Q)下的揚(yáng)程(H)、功率(W)以及效率(Ita)，由于揚(yáng)程、功率以及效率之間的數(shù)量級(jí)關(guān)系不同，如要在同一個(gè)圖中反映它們與流量之間的關(guān)系，就要求學(xué)生清楚Origin軟件的雙Y軸畫圖功能，通過右Y軸的右偏移即可達(dá)到上述目的。例見圖2的離心泵性能曲線。

圖1 阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

圖2 離心泵特性曲線的測(cè)定

在傳熱實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)可得到不同空氣流量下，通過蒸汽傳熱后的進(jìn)出口溫度，并可通過查閱手冊(cè)、工具書獲得相關(guān)物性數(shù)據(jù)，進(jìn)而算出不同空氣流量下光滑傳熱管與粗糙傳熱管的努塞爾數(shù)(Nu)、雷諾數(shù)(Re)以及普朗特?cái)?shù)(Pr)；然后在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，通過線性回歸分析，可以得到Nu、Re以及Pr之間的關(guān)系(圖3)。

圖3 傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

此外，在化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，如何分析判斷所測(cè)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確與否非常重要，但很多實(shí)驗(yàn)要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，才能知道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確合理。這就要求學(xué)生必須熟練掌握實(shí)驗(yàn)所涉及的知識(shí)原理。

類似問題還出現(xiàn)在精餾實(shí)驗(yàn)中。對(duì)于部分回流時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)過程中回流液的溫度難以保證剛好在泡點(diǎn)下回流，通常是在過冷液體狀態(tài)下回流，這樣對(duì)于塔內(nèi)真正的回流量要比實(shí)際控制的回流比大，即回流入塔的過冷液體會(huì)將部分上升的蒸汽冷凝下來，變?yōu)橐后w向下回流，相當(dāng)于增大了塔內(nèi)的回流量，使精餾段的操作線遠(yuǎn)離平衡線，增加了氣液相的傳質(zhì)推動(dòng)力，有利于傳質(zhì)。在相同的塔板數(shù)下，此結(jié)果將導(dǎo)致塔頂易揮發(fā)組分濃度加大。

對(duì)于這些問題的分析與討論，不僅要求學(xué)生會(huì)做實(shí)驗(yàn)，還要求學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中去發(fā)現(xiàn)與所學(xué)的理論知識(shí)表面上看似有矛盾的問題，再通過仔細(xì)分析，找到答案。這樣不僅能鞏固所學(xué)的知識(shí)，還能在實(shí)驗(yàn)過程中提高分析問題與解決問題的能力。

2 加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)及其相互聯(lián)系的了解

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)課對(duì)理工科學(xué)生很重要，其目的不僅是傳授化工知識(shí)，更重要的是改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué)的模式，不僅能提高學(xué)生的動(dòng)手能力，而且有助于加深對(duì)理論課的理解，增加對(duì)所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)以及知識(shí)間相互聯(lián)系的了解。如在物理化學(xué)課程中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過相圖及相律，也做過不少習(xí)題，但應(yīng)用到化工基礎(chǔ)精餾實(shí)驗(yàn)過程中，大部分學(xué)生對(duì)于如何利用已學(xué)的相圖知識(shí)來確定對(duì)應(yīng)的塔頂以及塔底的氣、液相組成卻不是很清楚，其主要原因是缺乏對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

對(duì)于二組分精餾分離，其自由度為2，當(dāng)操作壓力以及對(duì)應(yīng)操作的溫度已知時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該是唯一確定的。如在蒸餾實(shí)驗(yàn)中，若實(shí)驗(yàn)過程中塔頂氣相溫度t1以及塔底液相溫度t2為已知溫度，操作壓力為常壓，則利用安托因方程，通過相平衡方程即可確定被分離組分在塔頂氣相以及塔底液相的組成(表1)。對(duì)于上述系統(tǒng)的計(jì)算，實(shí)際上就是所謂露點(diǎn)計(jì)算和泡點(diǎn)計(jì)算問題。

表1 被分離組分的安托因常數(shù)

(1)

對(duì)于塔頂氣相組成的計(jì)算可按露點(diǎn)計(jì)算進(jìn)行，因氣相溫度及操作壓力已知，由相平衡方程有：

yi=kixi

(2)

且氣、液相組成滿足歸一方程：

(3)

對(duì)于理想體系，相平衡常數(shù)為：

(4)

式中p為系統(tǒng)操作壓力。代入式(3)有：

(5)

(6)

式中各組分的安托因常數(shù)以及操作壓力p和對(duì)應(yīng)的塔頂氣相溫度t1均已知，通過式(6)即可計(jì)算出塔頂?shù)臍庀嘟M成y1，也即餾出液的組成。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)塔頂溫度為80.5℃時(shí)，通過Polymath軟件計(jì)算可得到對(duì)應(yīng)的塔頂餾出液組成為y1=0.9184。

(7)

(8)

式中各組分的安托因常數(shù)以及操作壓力p和對(duì)應(yīng)的塔底液相溫度t2均為已知，通過式(8)即可計(jì)算出塔底液相組成x1。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)塔底溫度為86℃時(shí)，通過Polymath軟件即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的塔底組成為x1=0.4498。

3 將計(jì)算機(jī)引入實(shí)驗(yàn)課堂

圖4 化工基礎(chǔ)吸收仿真實(shí)驗(yàn)界面圖

由于初涉化學(xué)工程領(lǐng)域的學(xué)生對(duì)化工過程及設(shè)備缺乏必要的感性認(rèn)識(shí)，不易理解化工過程的機(jī)理、復(fù)雜設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及物流的內(nèi)部狀態(tài)，更談不上提高創(chuàng)新能力。而將計(jì)算機(jī)引入實(shí)驗(yàn)課堂，通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，采用Flash軟件開發(fā)的化工基礎(chǔ)動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)軟件(圖4)，可以在做實(shí)驗(yàn)之前，先通過動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)了解實(shí)驗(yàn)的基本原理、認(rèn)識(shí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置和掌握實(shí)驗(yàn)操作步驟，并對(duì)如何處理測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一個(gè)初步的了解，從而可減少實(shí)物實(shí)驗(yàn)過程中因誤操作導(dǎo)致的對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的盲目性。此外，引用仿真實(shí)驗(yàn)軟件，可以利用多媒體技術(shù)演示化工設(shè)備的工作原理、化工單元操作的工藝流程以及設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3-4]。學(xué)生對(duì)所學(xué)的內(nèi)容可有身臨其境的感覺，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)化工實(shí)驗(yàn)課程的積極性。同時(shí)，通過仿真虛擬化工實(shí)驗(yàn)還可使學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng),儀器各部分的名稱、用途,以及要記錄的數(shù)據(jù)有初步的了解。

另外，將計(jì)算機(jī)引入實(shí)驗(yàn)課堂，還可以使學(xué)生在計(jì)算機(jī)語(yǔ)言課程中所學(xué)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言得以應(yīng)用。一方面可解決化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中有些需要編程求解的問題，另一方面，學(xué)生在用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的過程中，能嘗到成功的滋味，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

4 培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力

由于化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備與普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，通常比較昂貴，而且占地面積大，且實(shí)驗(yàn)過程中要測(cè)定的數(shù)據(jù)比較多，往往一個(gè)學(xué)生既要操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備又要記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，難以同時(shí)完成，這就要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)組成員之間分工協(xié)作、團(tuán)結(jié)互助來完成實(shí)驗(yàn)，通過這個(gè)過程，可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，這在科研工作中是非常重要的。

5 結(jié)論

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課是用所學(xué)的理論知識(shí)解決實(shí)際問題的一門實(shí)踐性與應(yīng)用性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過該課程的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生作圖能力、數(shù)據(jù)處理能力以及觀察事物、發(fā)現(xiàn)問題、分析和處理問題的能力，為學(xué)生以后從事科學(xué)研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，通過該課程的學(xué)習(xí)，有助于加深對(duì)理論課的理解，增加對(duì)所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)；此外，通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生還能將所學(xué)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言應(yīng)用于化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，并了解目前化工過程中常規(guī)的數(shù)據(jù)采集單元與監(jiān)控原理。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 傅延勛,徐銅文,楊偉華.大學(xué)化學(xué),2008,23(1):8

[2] 傅延勛,楊偉華,瞿其曙,等.大學(xué)化學(xué),2004,19(1):30

[3] 錢運(yùn)華,胡濤,吳彩金,等.高教論壇,2007(2):59

[4] 李磊.廣東化工,2008,35(3):101