案例教學(xué)在傳熱單元操作講授中的應(yīng)用與啟示

胡粉娥，柴大江，韓林剛，王惠平

（1.曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,云南曲靖 655011； 2.云南大為制氨有限公司，云南曲靖 655338）

案例教學(xué)在傳熱單元操作講授中的應(yīng)用與啟示

胡粉娥1，柴大江2，韓林剛2，王惠平2

（1.曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,云南曲靖 655011； 2.云南大為制氨有限公司，云南曲靖 655338）

培養(yǎng)應(yīng)用型人才是當(dāng)代大學(xué)教育的主要目標(biāo)和主要任務(wù)。合理的案例教學(xué)可將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，有利于應(yīng)用型人才素質(zhì)的提高。該篇以化工原理中傳熱單元操作的講授為例，采用開篇案例、問題案例和綜合案例的方法，以實(shí)例分析的形式詳細(xì)闡述了案例教學(xué)的應(yīng)用。結(jié)果顯示，案例教學(xué)可做到事半功倍，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

化學(xué)工程；案例教學(xué)；傳熱單元；能力培養(yǎng)

引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需求越來(lái)越大。社會(huì)對(duì)高校的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。教學(xué)的實(shí)施過(guò)程中，必須將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。實(shí)踐教學(xué)的好壞直接關(guān)系到這一目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)[1]?；ぴ碚n程是與生產(chǎn)實(shí)踐緊密結(jié)合的一門課程，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。這就要認(rèn)真抓好實(shí)踐教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，即認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)[2]。同時(shí)，理論教學(xué)中也要注重學(xué)生理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，做到理論指導(dǎo)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決問題的能力。案例教學(xué)可將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)二者的相互促進(jìn)，有利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

案例教學(xué)是以學(xué)生為主體，教師根據(jù)教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容，利用典型的案例，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行思考、分析和討論，最后解決問題的一種互動(dòng)式教學(xué)方法[3]。案例教學(xué)法在培養(yǎng)學(xué)生的分析和解決實(shí)際問題的能力等方面，有著其它教學(xué)方法不可取代的優(yōu)勢(shì)[4]。但由于案例資源少、課程學(xué)時(shí)有限、課程班級(jí)規(guī)模較大、考核方式單一等方面的問題，使得案例教學(xué)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用受到了限制[5]。

化工原理課程面臨大量復(fù)雜的實(shí)際問題，計(jì)算公式較多，記憶難度較大，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)往往感覺比較枯燥無(wú)趣?；谶@種狀況，在講授每個(gè)單元操作及具體知識(shí)時(shí)，可適當(dāng)引入工程案例，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力[6]。針對(duì)化工原理課程，可采用開篇案例法、問題案例法、綜合案例法層層推進(jìn)教學(xué)，效果較好[7]。本文以傳熱單元操作為例，以實(shí)例形式具體分析案例教學(xué)在化工原理課程中的應(yīng)用。

1 傳熱單元操作的案例教學(xué)

1.1 開篇案例

對(duì)于傳熱單元操作，可采用學(xué)生熟悉的氨的合成中脫除二氧化碳的生產(chǎn)工藝作為開篇案例。氨的合成中二氧化碳脫除的傳統(tǒng)流程如圖1所示[8]。一氧化碳變換后的原料氣經(jīng)吸收塔底部的氣體分布管加入吸收塔，在塔內(nèi)與碳酸鉀吸收劑進(jìn)行洗滌，出塔凈化氣經(jīng)分離器把氣體夾帶的液滴分離后進(jìn)入下一工段。吸收液由吸收塔底部引出，經(jīng)水力透平減壓后進(jìn)入再生塔頂部。在再生塔頂部，溶液閃蒸出部分水蒸氣，然后沿塔向下流，在塔內(nèi)與再沸器加熱產(chǎn)生的蒸汽逆流接觸，同時(shí)被蒸汽加熱到沸點(diǎn)并放出殘余的二氧化碳。而再生出來(lái)的碳酸鉀溶液經(jīng)冷卻器冷卻之后并經(jīng)泵加壓后進(jìn)入吸收塔頂部循環(huán)使用。

圖1 傳統(tǒng)的脫碳流程

選用此工程案例作為開篇案例是基于下述三個(gè)原因：（1）我校的化工原理是在大二下學(xué)期開設(shè)。此前學(xué)生已到云峰合成氨廠進(jìn)行了生產(chǎn)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，對(duì)此工程案例比較熟悉，能較好的引起學(xué)生的興趣；（2）該生產(chǎn)案例中，涉及到三類換熱器（再沸器、冷卻器、冷凝器），與教學(xué)目標(biāo)吻合較好；（3）該案例中，化工原理與化工工藝學(xué)緊密結(jié)合。

提出此生產(chǎn)案例后，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生簡(jiǎn)述整個(gè)脫碳過(guò)程，并引導(dǎo)學(xué)生思考該生產(chǎn)過(guò)程中這些換熱器的作用，流體之間的換熱方式。然后，請(qǐng)學(xué)生歸納總結(jié)、教師補(bǔ)充說(shuō)明加以延伸，即可完成開篇內(nèi)容：（1）換熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用，（2）換熱器的類型，（3）冷熱流體換熱方式。之后，提出兩個(gè)問題留給學(xué)生思考：一是如何根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)設(shè)計(jì)或選擇一臺(tái)換熱器。二是這些換熱器使用時(shí)間長(zhǎng)了，換熱效果不好了，怎么辦。這些問題將在后續(xù)章節(jié)逐一解決。

1.2 問題案例

問題案例法，即教學(xué)中講授某一知識(shí)點(diǎn)前先列舉出工程中存在的實(shí)際問題，分析該問題產(chǎn)生的原因及解決該問題的方法，再引出知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)方法。

傳熱一章涉及知識(shí)點(diǎn)較多，講授時(shí)可采用問題案例法逐一進(jìn)行。例如，對(duì)于保溫層的厚度問題，許多學(xué)生會(huì)習(xí)慣性的認(rèn)為厚度越厚越好。為改變學(xué)生的習(xí)慣性思維，即可列舉如下實(shí)例進(jìn)行教學(xué)。假設(shè)一鋼管規(guī)格，鋼管外壁溫度，環(huán)境溫度鋼管外包熱導(dǎo)率為的保溫材料，以減少熱損失。已知保溫層外表面與環(huán)境的對(duì)流傳熱系數(shù)為保溫層與鋼管接觸良好。求保溫層厚度分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm時(shí)，每米管長(zhǎng)的總熱阻及熱損失。

為節(jié)約時(shí)間，可將3-5位學(xué)生分為一組，每小組計(jì)算1個(gè)保溫厚度對(duì)應(yīng)的總熱阻和熱損失。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果

表1的數(shù)據(jù)顯示，在題設(shè)條件下保溫層厚度由10mm增至30mm時(shí)，總熱阻逐漸減小、總熱損失逐漸增大；當(dāng)保溫層厚度從30mm增至70mm時(shí)，總熱阻逐漸增大、總熱損失逐漸減小。則保溫層厚度從10mm增至70mm時(shí)，總熱阻和總熱損失均存在一個(gè)拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的總熱阻最小、熱損失最大。此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的保溫層厚度稱為保溫層的臨界厚度。計(jì)算表明，上述題設(shè)條件下的臨界保溫層厚度為28mm。原因可由熱損失公式（其中為熱阻）可知，當(dāng)保溫層厚度增大時(shí)，一方面是導(dǎo)熱熱阻增加，另一方面是對(duì)流傳熱熱阻減小，因此保溫層厚度存在臨界厚度。當(dāng)保溫層厚度小于其臨界厚度時(shí)，隨著厚度的增加，總熱阻減小、總熱損失增大；在此期間增加保溫層厚度并非是越厚越好。當(dāng)保溫層厚度大于其臨界厚度時(shí)，隨著厚度的增加，總熱阻增大、總熱損失減小。鑒于經(jīng)濟(jì)和管道體積的考慮，實(shí)際生產(chǎn)中需通過(guò)計(jì)算，再選取合適的保溫層厚度。

1.3 綜合案例

綜合案例法即在每章（或每個(gè)單元操作）的結(jié)尾，列舉出該單元操作的工程設(shè)計(jì)（或工程改造）實(shí)例，提出需要解決的工程問題，引導(dǎo)學(xué)生綜合利用本單元操作所學(xué)知識(shí)，解決該工程設(shè)計(jì)（或工程改造）問題。

在傳熱單元操作講解的最后一堂課，提出如下生產(chǎn)案例：在某化工產(chǎn)品的生產(chǎn)裝置中，混合液在分解塔中進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，放出大量的熱量。若不及時(shí)移走，分解塔內(nèi)溫度將繼續(xù)上升，會(huì)產(chǎn)生過(guò)量焦油。這不但會(huì)使產(chǎn)品質(zhì)量下降，堵塞管道，甚至造成事故。國(guó)內(nèi)該類生產(chǎn)裝置大都采用蒸發(fā)冷卻的方式轉(zhuǎn)移反應(yīng)熱（即塔內(nèi)溫度靠液體自身蒸發(fā)來(lái)維持，一般維持在88℃左右）。也有部分工廠采用外循環(huán)冷卻的方式（將塔內(nèi)液體用泵抽出，經(jīng)塔外一雙管程換熱器用冷卻水冷卻后循環(huán)回分解塔）轉(zhuǎn)移反應(yīng)熱。所用換熱器主要參數(shù)為：殼徑1m，雙管程，換熱管，換熱管根數(shù)370根，總傳熱面積100m2。該廠欲將塔內(nèi)溫度降至60℃，這一改變要求冷卻器熱負(fù)荷增至4×105kJ/h[9]。

將此案例加以描述和說(shuō)明后，讓學(xué)生對(duì)這一案例提出實(shí)際的解決辦法。根據(jù)班級(jí)學(xué)生數(shù)，將學(xué)生按5-7人一組，課堂上用10-15min時(shí)間進(jìn)行分組討論。之后，小組派代表闡述解決方案，其它小組可質(zhì)疑和提問。經(jīng)小組討論，教師點(diǎn)評(píng)，最終形成如表2所示的四種方案。

表2 幾種不同方案比較

經(jīng)分析可知，得出方案D是可行的。得到這一結(jié)論并不意味著案例分析就結(jié)束了。最后也是最重要的一步，是教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納出具有普遍規(guī)律的理論知識(shí)，也就是“從例到理”。此案例表明，考察一臺(tái)換熱器的工作能力不能單純只考慮其傳熱面積，傳熱面積和總傳熱系數(shù)的乘積KA才能真正代表一臺(tái)換熱器的工作能力。因?yàn)榇嬖谌缦玛P(guān)系：A↑—管數(shù)↑或者殼體體積↑—流速↓—傳熱系數(shù)↓。因此，列管換熱器的K和A值之間往往存在“此漲彼消”的關(guān)系。傳熱面積過(guò)大往往由于流體流量的“不匹配”而導(dǎo)致K值降低，換熱效果降低了。

2 案例教學(xué)的啟示

案例教學(xué)在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。一個(gè)好的案例一定要源于生產(chǎn)和生活，又不能脫離教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)。案例中既包含對(duì)實(shí)際問題的描述，又暗含一定的科學(xué)問題，讓學(xué)生參與分析并解決此實(shí)際問題。案例教學(xué)不但可使學(xué)生快速鞏固理論知識(shí)，還培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

采用案例教學(xué)時(shí)，要正確處理好案例教學(xué)與理論教學(xué)的關(guān)系。案例教學(xué)只是眾多教學(xué)方法中的一種，不能用案例教學(xué)完全替代理論教學(xué)，而應(yīng)在一定的理論基礎(chǔ)上加以實(shí)施[10]。案例教學(xué)中，應(yīng)注重以學(xué)生為主體，讓全體學(xué)生參與問題的分析與解決，最終總結(jié)歸納得出具有普遍規(guī)律的理論知識(shí)，做到“從例到理”，使學(xué)生明白理論知識(shí)源于實(shí)踐。當(dāng)學(xué)生掌握了理論知識(shí)后，又要從理論的高度重新審視工程案例，做到“從理到例”，培養(yǎng)學(xué)生理論指導(dǎo)實(shí)踐的方法。真正實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為主體，以能力培養(yǎng)為核心”的實(shí)踐教學(xué)理念[11]。

3 結(jié) 語(yǔ)

案例教學(xué)的引入可彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中的不足，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但案例的選擇要恰當(dāng)，且處理好案例教學(xué)與理論教學(xué)之間的關(guān)系。不同的課程，采用的案例教學(xué)方法不同。針對(duì)化工原理課程教學(xué)的特點(diǎn)，可采用開篇案例、問題案例、綜合案例法。開篇案例能使學(xué)生明白該單元操作在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用、采用的設(shè)備及分類、需要解決的問題，使學(xué)生對(duì)整章的知識(shí)有一個(gè)大概的認(rèn)識(shí)。具體知識(shí)點(diǎn)的講授，可采用問題案例法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和增強(qiáng)學(xué)生的理解和記憶。每個(gè)單元操作講解的結(jié)尾，可采用綜合案例法，可使學(xué)生綜合利用本單元操作所學(xué)知識(shí)，解決工程設(shè)計(jì)中的實(shí)際問題。

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[責(zé)任編輯自正發(fā)]

Application and Inspiration of Case Teaching in Teaching the Heat Transfer Unit Operation

HU Fen-e1,CHAI Da-jiang2,HAN Lin-gang2,WANG Hui-ping2
(1.College of Chemical &Chemical Engineering,Qujing Normal University,Qujing 655011,China;2.Yunnan Dawei Ammonia Ltd,Qujing 655338,China)

Cultivation of applied talents is the main objectives and tasks of contemporary university education.Reasonable case teaching can preferably combine theoretical teaching and practical teaching,and help the applicationoriented talents improve their qualities.Taking the teaching of heat transfer unit operation in chemical principles for example,the application of case teaching has been detailedly analyzed by using the opening case method,the problem case method and the comprehensive case method.The results show that the effect of the case teaching is better than that of the conventional teaching method.The case teaching will help students to improve their abilities to analyze problems and solve problems.

chemical engineering;case teaching;heat transfer unit;ability cultivation

TQ016.8

：A

：1008-9128（2014）05-0108-03

2013-12-12

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013FZ111)；曲靖師范學(xué)院科研項(xiàng)目(2010QN002)；曲靖師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(JGXM2012013)

胡粉娥（1977-），女，副教授，碩士，研究方向：化學(xué)工程.