化工原理課程教學(xué)方法初探

鄭建東,葛秀濤,李永紅

滁州學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院,安徽滁州,239000

化工原理課程教學(xué)方法初探

鄭建東,葛秀濤,李永紅

滁州學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院,安徽滁州,239000

化工原理課程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門(mén)必修專業(yè)基礎(chǔ)課,是學(xué)生掌握各類化工單元操作的基本理論知識(shí)以及培養(yǎng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的重要課程。從化工原理課程教學(xué)入手,對(duì)理論課程、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課程設(shè)計(jì)三個(gè)重要環(huán)節(jié)的教學(xué)方法進(jìn)行了探討,提出了“歸納總結(jié),結(jié)合實(shí)際案例教學(xué)”等教學(xué)改革措施,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,以提高教學(xué)質(zhì)量。

化工原理;理論教學(xué);實(shí)踐教學(xué);教學(xué)方法

當(dāng)前,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,應(yīng)用型人才的需求量飛速上升。許多地方高校已經(jīng)把應(yīng)用型人才培養(yǎng)作為自己的辦學(xué)定位,力求培養(yǎng)大學(xué)生的應(yīng)用能力。針對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng),高校教師需要對(duì)過(guò)去的傳統(tǒng)理論課程教學(xué)進(jìn)行改革[1-3]。對(duì)于化學(xué)化工類專業(yè)來(lái)說(shuō),就更應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)代化工企業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才的要求,進(jìn)行教學(xué)改革。筆者結(jié)合自己多年從事化工原理課程理論與實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn),談一些課程教學(xué)改革的體會(huì)和看法。

1 課堂教學(xué)方面

化工原理是一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課程,學(xué)習(xí)該課程之前先必修高等數(shù)學(xué)和物理化學(xué)以及化工機(jī)械基礎(chǔ)等課程。該課程主要講授化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中所涉及的各個(gè)單元操作,強(qiáng)調(diào)用工程學(xué)的觀點(diǎn)去分析化工生產(chǎn)過(guò)程,為學(xué)習(xí)反應(yīng)工程等專業(yè)課程打下良好基礎(chǔ)。它是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)分析和解決化學(xué)加工生產(chǎn)中各種物理過(guò)程問(wèn)題的工程學(xué)科,承擔(dān)著工程科學(xué)與工程技術(shù)的雙重教育任務(wù)。學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理課程,要掌握化工生產(chǎn)過(guò)程中各單元操作的工作原理,了解各個(gè)單元操作之間所存在的共性,了解連接各個(gè)單元操作的“三傳理論”,逐步培養(yǎng)利用化工原理的知識(shí)看待、分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力,并具備工程師的素養(yǎng)。但是,化工原理課程內(nèi)容較多,而且有許多經(jīng)驗(yàn)公式和分析方法學(xué)生學(xué)起來(lái)有一定的難度,因此,對(duì)于該課程的理論教學(xué),值得每一位任課教師關(guān)注。

1.1 對(duì)比、歸納、總結(jié),發(fā)現(xiàn)各單元操作的共性

化工原理課程主要包括流體流動(dòng)及輸送、沉降分離、攪拌、傳熱、吸收、蒸發(fā)、精餾、干燥及結(jié)晶等各種單元操作內(nèi)容。不同的單元操作之間存在一定的共性,都可以分解為動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。因此,傳遞過(guò)程是聯(lián)系各個(gè)單元操作的一條主線。教師在給學(xué)生上課時(shí),一定要學(xué)生了解化工原理課程要講授的內(nèi)容。告訴他們化工原理課程其實(shí)就是講單元操作,而單元操作又是化工企業(yè)所不可或缺的。不同的化工廠、不同的生產(chǎn)工藝過(guò)程都會(huì)有不同的單元操作。但是所有的單元操作都遵循共同的規(guī)律,如能量衡算、物料衡算、過(guò)程速率等。任何一個(gè)單元操作都嚴(yán)格遵循能量衡算和物料衡算,同時(shí)過(guò)程進(jìn)行的速率大小都是取決于過(guò)程推動(dòng)力與阻力的比值。要對(duì)學(xué)生強(qiáng)調(diào)不同的生產(chǎn)工藝可以有自己的特點(diǎn),例如,古希臘人通過(guò)蒸餾,先使海水變成水蒸汽,繼而使之變成液體,這樣,海水就變成了可飲用水;這個(gè)過(guò)程是簡(jiǎn)單的水分離過(guò)程,是一個(gè)精餾單元操作。相比之下,我國(guó)石化行業(yè)煉油廠原油加工中的烴類分離,也和前面水分離一樣,都是采用精餾過(guò)程,但是烴類分離有其自身的特點(diǎn),要比水分離復(fù)雜得多。這兩個(gè)過(guò)程看起來(lái)有很多不同的地方,但是歸根結(jié)底都遵循了質(zhì)量傳遞和熱量傳遞過(guò)程,只不過(guò)是操作條件有所不同。

化工單元操作之間存在著一定的共性和內(nèi)在聯(lián)系,往往是兩種或兩種以上的傳遞過(guò)程同時(shí)發(fā)生。化工原理課程中的“三傳”(質(zhì)量、動(dòng)量和熱量的傳遞)既具有相似之處,同時(shí)又有不同之處。例如三個(gè)重要定律:

比較這三個(gè)定律,它們的表達(dá)式基本相同,但各自提出了一個(gè)新的物性參數(shù):粘度、導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)。牛頓黏性定律說(shuō)明了流體相互接觸過(guò)程中黏性力的大小與速度梯度大小及流體的黏度有關(guān);傅里葉定律說(shuō)明了溫度不同的物體之間的熱量傳遞與溫度梯度大小及物體的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān);而費(fèi)克定律指明了兩個(gè)不同組成體系間的物質(zhì)傳遞與濃度梯度大小及物質(zhì)間的擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。

流體的流動(dòng)形態(tài)分為層流和湍流。在傳熱和傳質(zhì)過(guò)程中,有對(duì)流傳熱和對(duì)流傳質(zhì),其中兩種傳遞過(guò)程的阻力都來(lái)自接觸面間的層流內(nèi)層。動(dòng)量傳遞速率的大小與熱量、質(zhì)量傳遞速率之間存在極其相似的規(guī)律。其中,大家熟悉的是柯?tīng)柋?j因子類似法,具體內(nèi)容見(jiàn)表 1[4]。

表1 質(zhì)量傳遞與熱量傳遞的比較

總之,在化工原理課程講授過(guò)程中,只要教師圍繞“三傳”,就會(huì)發(fā)現(xiàn)其間有許多理論和公式頗為相似。因此,教師在課堂上要善于總結(jié)和歸納,也可以讓學(xué)生進(jìn)行討論總結(jié),把所有的單元操作串聯(lián)起來(lái),這樣,有利于學(xué)生對(duì)于各個(gè)單元操作知識(shí)的掌握,更有利于學(xué)生接受新的知識(shí)。

1.2 引入生活實(shí)例,提高學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)是教師講、學(xué)生聽(tīng),學(xué)生被動(dòng)地學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)積極性不高,教學(xué)效果不佳。因此,在教學(xué)過(guò)程中,教師必須想辦法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性,要讓學(xué)生自己愿意去學(xué)。為此,任課教師必須對(duì)學(xué)生強(qiáng)調(diào)化工原理課程在日常生活中的重要性,讓他們了解日常生活中的現(xiàn)象,如為什么冬天蓋被子時(shí)把鴨絨被貼身蓋呢?在爐子上燒水時(shí),水壺壺底溫度接近于火溫還是水溫等,告訴他們這些問(wèn)題可以用化工原理的知識(shí)解決,這樣,可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,從而提高學(xué)習(xí)興趣[5]。

在講授伯努利動(dòng)力學(xué)方程時(shí),筆者問(wèn):飛機(jī)為什么可以在空中安全地飛行,有的同學(xué)認(rèn)為是空氣浮力的作用,也有同學(xué)認(rèn)為是飛機(jī)上下壓強(qiáng)差的作用。此時(shí),學(xué)生帶著疑惑,筆者抓住時(shí)機(jī),給出正確答案:飛機(jī)之所以能起飛,是因?yàn)闄C(jī)翼上下形狀不同,在運(yùn)動(dòng)中上下翼產(chǎn)生的壓力不同,下翼壓力高于上翼,所以可以起飛。這是伯努利方程的一個(gè)典型案例。在傳熱講授中,以家庭暖氣片為例:從房間內(nèi)暖氣片的換熱現(xiàn)象開(kāi)始,以提問(wèn)的方式引導(dǎo)學(xué)生。首先,介紹換熱片的傳熱原理,引出傳熱的第一種方式:熱傳導(dǎo);接著,假設(shè)房間內(nèi)有空氣流動(dòng),如風(fēng)扇強(qiáng)制空氣對(duì)流,使得傳熱速率加快,房間里的人很快感受到溫度的升高,這就是“熱對(duì)流”。在給出熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的定義后,引出熱輻射。在自然界中,熱輻射存在于很多地方,例如,太陽(yáng)對(duì)地球的熱傳遞,人能感受到熱量,這是由于太陽(yáng)以熱輻射的方式向地球傳遞熱量。這樣,三大傳熱方式的簡(jiǎn)單原理已解釋清楚。另外,在講側(cè)線采出時(shí),還可以給學(xué)生提出這樣的問(wèn)題:如何對(duì)三個(gè)組分進(jìn)行分離?大多數(shù)同學(xué)認(rèn)為需要兩個(gè)精餾塔,但使用兩個(gè)精餾塔需要大量的能耗。因此,筆者不失時(shí)機(jī)地指出:從塔的某一部位采出中間餾分,便可以降低能耗。在化工原理課堂教學(xué)中,根據(jù)教學(xué)內(nèi)容引進(jìn)一些實(shí)例,一方面可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,另一方面可以促進(jìn)學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。

2 實(shí)踐教學(xué)方面

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本任務(wù)是使學(xué)生加深理解和鞏固化工原理課程中所學(xué)習(xí)的理論知識(shí),讓學(xué)生親自動(dòng)手去操作一些化工生產(chǎn)設(shè)備,培養(yǎng)學(xué)生解決化工生產(chǎn)實(shí)際中所出現(xiàn)問(wèn)題的能力,要求他們?cè)趯?shí)際操作過(guò)程中熟悉實(shí)驗(yàn)流程、對(duì)實(shí)驗(yàn)方案提出有指導(dǎo)性的建議、注意觀察一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,從而提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。特別是在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和開(kāi)發(fā)學(xué)生智力等方面發(fā)揮著重要的作用[6]。

實(shí)驗(yàn)之前,教師一定要要求學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí),了解實(shí)驗(yàn)的目的,熟悉實(shí)驗(yàn)的基本流程。例如,最簡(jiǎn)單的雷諾實(shí)驗(yàn),理論教學(xué)時(shí),講到流體的流動(dòng)形態(tài)分為層流和湍流,層流的表現(xiàn)形式就是流體流速較低時(shí),流體像一條線一樣通過(guò)管道,而湍流卻是質(zhì)點(diǎn)的劇烈脈動(dòng)。學(xué)生掌握了理論知識(shí),預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)講義,了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?他們就愿意通過(guò)實(shí)驗(yàn),親自操作調(diào)節(jié)流速大小,看到流體的流動(dòng)形態(tài),從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,要強(qiáng)調(diào)化工原理實(shí)驗(yàn)不同于其他基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn),它重在培養(yǎng)動(dòng)手能力。在課堂上,要給學(xué)生講清楚實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)以及違規(guī)操作會(huì)出現(xiàn)的后果。比如,在阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)中,告訴學(xué)生要先打開(kāi)平衡閥,否則易導(dǎo)致水銀沖出。當(dāng)然,也可以以提問(wèn)的方式,引導(dǎo)學(xué)生思考。結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置給學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹v解,讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置有一定的感性認(rèn)識(shí),了解實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,要做到放手不放眼,勤于觀察,注意各組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中鞏固所學(xué)的理論知識(shí)。比如,讓學(xué)生觀察、比較孔板流量計(jì)的壓差和永久壓差的大小,以理解孔板流量計(jì)的缺點(diǎn)是能量損失大。

為了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作進(jìn)行有效的組織管理,應(yīng)制定嚴(yán)格的考勤制度、請(qǐng)假制度、成績(jī)考核制度以及學(xué)生實(shí)踐成績(jī)的登記制度。

化工原理實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)課,可采取平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)綜合評(píng)定的辦法進(jìn)行考核。其中,平時(shí)成績(jī)包括實(shí)驗(yàn)考勤、預(yù)習(xí)情況和實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)。期末考試時(shí),教師擬題卡,并制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn);試題分兩部分:一部分是實(shí)驗(yàn)原理等基礎(chǔ)理論知識(shí)的考核,另一部分是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)手操作考核,考核內(nèi)容由學(xué)生抽簽決定。最后,教師將學(xué)生平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)按一定比例綜合評(píng)定,給出實(shí)驗(yàn)課的最終成績(jī)。這樣的考核,不僅能強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握,而且還能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 課程設(shè)計(jì)

化工原理課程設(shè)計(jì)是理論教學(xué)到一定的單元操作之后,根據(jù)實(shí)際情況開(kāi)設(shè)的一個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),一般都是在傳熱和精餾、吸收這些單元操作進(jìn)行。課程設(shè)計(jì)是綜合運(yùn)用化工原理及有關(guān)先修課程所學(xué)的知識(shí),完成某一化工單元操作(或設(shè)備)設(shè)計(jì)任務(wù)的一次基本訓(xùn)練,也是讓學(xué)生進(jìn)一步樹(shù)立工程觀點(diǎn),培養(yǎng)獨(dú)立工作能力的必要手段。指導(dǎo)教師布置任務(wù),每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成一個(gè)題目。學(xué)生通過(guò)課程設(shè)計(jì),學(xué)會(huì)運(yùn)用化工原理知識(shí)分析和解決工程中所遇到的實(shí)際問(wèn)題的基本方法。

在課程設(shè)計(jì)實(shí)踐中,題目的設(shè)置和教師的指導(dǎo)方式至關(guān)重要。教師一定要按照課程設(shè)計(jì)大綱的要求,考慮設(shè)計(jì)時(shí)間、學(xué)生水平和能力等具體情況,合理選題。把生產(chǎn)過(guò)程中的主要特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思路告訴學(xué)生,讓學(xué)生自主完成。整個(gè)設(shè)計(jì)要在一或二周內(nèi)完成。教師要不定期的進(jìn)行指導(dǎo)、檢查,并協(xié)助學(xué)生查閱參考書(shū)和一些物性資料等。對(duì)設(shè)計(jì)方案的確定、工藝參數(shù)的選取以及一些經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用,都要適時(shí)地給學(xué)生進(jìn)行講解。另外,對(duì)有關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和附屬設(shè)備的選型要及時(shí)提出指導(dǎo)性意見(jiàn),讓學(xué)生在比較中培養(yǎng)和鍛煉工程設(shè)計(jì)能力。以往在布置設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí),總是把手工制圖看成是化工原理課程設(shè)計(jì)中一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容,學(xué)生為了完成這項(xiàng)任務(wù),花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力。為扭轉(zhuǎn)這一局面,筆者在課程設(shè)計(jì)改革中,大膽嘗試,取消了手工制圖,改用計(jì)算機(jī)繪制流程圖,并結(jié)合工程實(shí)際和課件本身的功能,對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)進(jìn)行全面調(diào)整,很多過(guò)去筆算的內(nèi)容由軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算。這樣,學(xué)生的設(shè)計(jì)不僅比筆算全面,而且精確。在時(shí)間和空間上給學(xué)生以最大的自由,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性,充分挖掘?qū)W生的潛力,給傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)教學(xué)注入了新的生機(jī)和活力。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之,化工原理課程教學(xué)一定要強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合,要強(qiáng)調(diào)化工原理知識(shí)的應(yīng)用,以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

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G642.0

A

1673-2006(2013)10-0083-03

10.3969/j.issn.1673-2006.2013.10.025

2013-08-30

安徽省教育廳教學(xué)研究項(xiàng)目(2012jyxm534);滁州學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)教研項(xiàng)目(2011jyz007);安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2012A213)。

鄭建東(1971-),河南南陽(yáng)人 ,博士,副教授,主要從事工業(yè)催化方面研究。

(責(zé)任編輯:劉小陽(yáng))