化工原理傳熱綜合性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)與探究

李 琳，繆應(yīng)菊，吳 紅，譚鳳玉

(六盤(pán)水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤(pán)水 553004)

化工原理是化工類(lèi)本科生的基礎(chǔ)核心課程，其中的理論知識(shí)對(duì)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)具有指導(dǎo)意義[1-2]。化工原理實(shí)驗(yàn)是化工原理課程教學(xué)中的重要組成部分，一方面是理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化，另一方面是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)用工程的意識(shí)來(lái)解決問(wèn)題[3-5]。過(guò)去的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多是基礎(chǔ)性和驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。但是學(xué)生很難把理論知識(shí)與工程實(shí)例相結(jié)合，同時(shí)對(duì)于學(xué)生獨(dú)立思考、協(xié)作能力的培養(yǎng)也十分有限。

隨著學(xué)科的發(fā)展，我校著重培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力提出了更高的要求。實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)為了適應(yīng)新形勢(shì)下的培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量，需要開(kāi)發(fā)出具有綜合性、創(chuàng)新性和開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以化工原理實(shí)驗(yàn)中的“傳熱”實(shí)驗(yàn)為例，把空氣-蒸汽對(duì)流給熱系數(shù)及總傳熱系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)與氣-氣傳熱仿真相結(jié)合，設(shè)計(jì)出傳熱單元的綜合性實(shí)驗(yàn)。

1 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

傳熱是化工廠中很重要的單元操作，大部分化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都需要在特定的溫度下進(jìn)行。換熱器的熱負(fù)荷通常是化工廠能耗較大的部分。隨著我國(guó)提出節(jié)能減排的要求，對(duì)于熱量傳遞的效率和強(qiáng)化傳熱的途徑都提出了新的要求?；ぴ韺?shí)驗(yàn)中的傳熱單元操作，是學(xué)生認(rèn)識(shí)和掌握傳熱的重要途徑[6-8]。

1.1 課程的課前準(zhǔn)備

(1)分組并且發(fā)布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基本信息，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮O(shè)備簡(jiǎn)圖。提出傳熱實(shí)驗(yàn)需要解決的三個(gè)問(wèn)題給學(xué)生，即測(cè)定總傳熱系數(shù)和對(duì)流傳熱系數(shù)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的經(jīng)驗(yàn)式，通過(guò)結(jié)論得出強(qiáng)化傳熱的途徑。圍繞問(wèn)題，讓學(xué)生先理出實(shí)驗(yàn)的基本方案。教師對(duì)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，為實(shí)驗(yàn)的實(shí)施做好準(zhǔn)備。

(2)在仿真實(shí)驗(yàn)室先完成氣-氣傳熱仿真操作。仿真實(shí)驗(yàn)的操作界面是模擬化工廠的中控操作，通過(guò)仿真操作，學(xué)生進(jìn)一步加深了換熱器的結(jié)構(gòu)和操作步驟以及需要采集的數(shù)據(jù)信息。

(3)在實(shí)驗(yàn)課之前，安排學(xué)生提前到實(shí)驗(yàn)室觀察設(shè)備?；ぴO(shè)備的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，管線較多，學(xué)生雖然已經(jīng)學(xué)習(xí)了設(shè)備簡(jiǎn)圖，但是還無(wú)法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備完全對(duì)應(yīng)。過(guò)去學(xué)生在上課的時(shí)候才接觸設(shè)備，會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間，對(duì)流程還十分不熟悉。提前觀察設(shè)備能讓學(xué)生理清流程，使實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的更加流暢。

1.2 課程的實(shí)施

(1)分配不同的學(xué)生來(lái)講解設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝流程和實(shí)驗(yàn)步驟。教師對(duì)重點(diǎn)操作進(jìn)行指導(dǎo)，之后由每個(gè)小組獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作。

(2)進(jìn)行小組分工，完成實(shí)驗(yàn)。結(jié)合每個(gè)學(xué)生的特點(diǎn)，分別完成實(shí)驗(yàn)操作，數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)預(yù)處理等步驟。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師檢查數(shù)據(jù)并提出意見(jiàn)。

1.3 課后的數(shù)據(jù)整理及小組討論

以2016級(jí)化工專(zhuān)業(yè)第一小組數(shù)據(jù)為例，在課前準(zhǔn)備時(shí)，學(xué)生根據(jù)需要解決的三個(gè)問(wèn)題，通過(guò)查閱教材和文獻(xiàn)，整理出需要的原始數(shù)據(jù)表格，在實(shí)驗(yàn)中記錄數(shù)據(jù)，如表1。

表1 傳熱實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)Tab.1 Heat transfer experiment raw data

計(jì)算出總傳熱系數(shù)K和對(duì)流傳熱系數(shù)α，解決第一個(gè)問(wèn)題。利用量綱分析法，對(duì)管內(nèi)強(qiáng)制湍流的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，學(xué)生解決第二個(gè)問(wèn)題，如圖1。

圖1 管內(nèi)強(qiáng)制湍流數(shù)據(jù)擬合Fig.1 Forced turbulence data fitting in the tube

從圖1可以看出，線性擬合效果比較好，學(xué)生利用擬合方程得到了管內(nèi)強(qiáng)制湍流的經(jīng)驗(yàn)式，并與教材的經(jīng)驗(yàn)式對(duì)比，進(jìn)行小組討論，最后得出結(jié)論，找到強(qiáng)化傳熱的途徑，解決第三個(gè)問(wèn)題。

2 教學(xué)效果

2.1 鞏固了傳熱機(jī)理

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是直接發(fā)布預(yù)習(xí)報(bào)告，學(xué)生按照預(yù)習(xí)報(bào)告去準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有獨(dú)立思考的過(guò)程。如果在課前先提出問(wèn)題，學(xué)生需要去查閱資料，自己整理出實(shí)驗(yàn)方案才能開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是以理論為依據(jù)，所以學(xué)生是帶著問(wèn)題去預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)傳熱機(jī)理就更加熟悉了。以實(shí)驗(yàn)促進(jìn)理論的學(xué)習(xí)，比單純的理論教學(xué)更受歡迎。

2.2 增強(qiáng)了學(xué)生理論與實(shí)踐的結(jié)合能力

仿真實(shí)驗(yàn)的引入，一方面讓學(xué)生能熟悉化工廠的中控面板，另一方面可增加數(shù)據(jù)變化的復(fù)雜性。實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，由于設(shè)備和課時(shí)的影響，學(xué)生得到的數(shù)據(jù)組數(shù)是不多的。在仿真實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，采集數(shù)據(jù)比較迅速，可改變的條件也比較多，這更加符合化工廠的實(shí)際情況，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。另外，傳統(tǒng)教學(xué)是以教師示范操作步驟為主，學(xué)生機(jī)械的完成操作，很多學(xué)生表示實(shí)驗(yàn)很枯燥?，F(xiàn)在教師只對(duì)重點(diǎn)操作進(jìn)行指導(dǎo)，其余部分由學(xué)生獨(dú)立完成，這種以學(xué)生為主體的教學(xué)方法能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，每個(gè)學(xué)生都得到了鍛煉。

2.3 增強(qiáng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力

由于進(jìn)行了小組分工，小組成員為3～4人，每人都有具體的工作，大家協(xié)同完成，極大的提高了學(xué)生的參與感和認(rèn)同感。在過(guò)去的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，會(huì)出現(xiàn)比較積極的同學(xué)大包大攬，對(duì)于學(xué)生的整體發(fā)展是不利的。分工合作的教學(xué)理念使每個(gè)學(xué)生都得到重視，加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)意識(shí)，而這也是學(xué)生走向社會(huì)后的必備技能。小組討論環(huán)節(jié)，每個(gè)同學(xué)都針對(duì)自己所負(fù)責(zé)的部分發(fā)言，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以2016級(jí)化工專(zhuān)業(yè)第一小組的討論為例，他們所得到的經(jīng)驗(yàn)公式中的常數(shù)與教材有0.001的差距，由此展開(kāi)了討論，最后找到原因是傳熱時(shí)間控制的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

化工原理實(shí)驗(yàn)是化工類(lèi)學(xué)生首次接觸工程性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，為了更好的培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才，更好的發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課程的作用，還需要對(duì)化工原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)進(jìn)行不斷的改革和探討，結(jié)合本校學(xué)生的特點(diǎn)和未來(lái)就業(yè)的需求，建立起具有創(chuàng)新性、綜合性和開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高教育質(zhì)量，培養(yǎng)出與行業(yè)更加貼合的技術(shù)人才。