《化工原理》課程知識體系的“流程化”模式探索*

許茂東，張翠歌，楊仁春

(安徽工程大學生物與化學工程學院，安徽　蕪湖　241000)

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《化工原理》課程知識體系的“流程化”模式探索*

許茂東，張翠歌，楊仁春

(安徽工程大學生物與化學工程學院，安徽蕪湖241000)

《化工原理》作為一門化學工程類基礎(chǔ)課程,其課程特點是應用性強、計算公式繁多、影響因素交叉性強等，而且學習過程綜合分析能力要求較高。為了促進學生的的學習熱情、使學生把握理論基礎(chǔ)、實現(xiàn)融會貫通，將化工工藝的“流程化”特點與《化工原理》相結(jié)合。從而進一步讓學生對課程知識體系有更直觀、更深刻、更系統(tǒng)的認識，并且使學生的工程意識得以強化。

化工原理；歸納總結(jié)；授課方法；流程化

為了響應國家“卓越工程師計劃”和完成國家新型工業(yè)化轉(zhuǎn)型發(fā)展，使“科技中國、創(chuàng)新中國”的“中國夢”得以順利實現(xiàn)，培養(yǎng)和造就創(chuàng)新能力強和適應經(jīng)濟發(fā)展的高質(zhì)量工程技術(shù)人才已成為當前高等教育的首要任務[1-2]。以往乏味的“復讀機”式的教育模式已經(jīng)不能滿足當前教育的需要，為了進一步提升學生的發(fā)散思維和工程創(chuàng)新能力、強化學生的專業(yè)知識理論基礎(chǔ)，希望能借助于理論與工程相結(jié)合，知識體系與化工工藝“流程化”特點相結(jié)合的模式來實現(xiàn)專業(yè)上的過度和銜接[3]。因此，如何激發(fā)學生的學習動力，強化學生理論基礎(chǔ)，則是本課程教學改革的基本方向。

1　教學實踐遇到的問題

由于化工原理課程屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，它有別于“四大化學”課程，主要內(nèi)容偏向于物理學科、化工機械和工程應用?；谝陨显?，一般初學者起初不能很好的進入課程體系，無法理解工程的概念，更不能從宏觀上把握每個章節(jié)的知識脈絡。學習積極性會隨之降低，學習效果也逐漸變差。

化工原理課程主要講述化工操作單元的基本原理和過程計算，而過程計算一般公式較多，變量之間的相互關(guān)聯(lián)性也較大，例如：精餾塔中最佳進料板的位置選取、最佳回流比的確定等問題。如何能將此類問題化繁為簡，由淺入深，并有效拓展學生在工程方面的思維能力和工程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計能力；如何改進教學方法、提高本課程的教學質(zhì)量、并達到國家對“卓越工程師”的高要求，就成為目前化工專業(yè)課程教學所面臨的新任務。

當前，化工原理課程在教學過程中存在的問題有以下幾方面。

1.1課程章節(jié)內(nèi)容邏輯關(guān)系松散，造成學生學習沒有主線

化工原理課程中每章中的知識點較多，而且這些知識點一般比較獨立松散。在課堂講授過程中，學生一般能較好的理解，但是在做題過程中，學生會感覺無從下手。究其原因，最主要的就是學生沒有將這些零散的知識點聯(lián)系起來，無法找到它們之間的關(guān)系。如同你給了他們一把珍珠、一根針和一絲線，同學們卻無法將它們編成美麗的項鏈。如果我們再往深一層的去反思，為何會出現(xiàn)這樣的問題？主要有以下幾點原因：

(1)大部分教師在課堂講述中，一般照本宣科，沒有做到深入擴展和交叉性延伸。

(2)學生學習積極性和主動性不高，學習興趣不強[4]，很少進行深究。

(3)部分教材節(jié)與節(jié)之間知識安排不合理，知識要點的引入沒有邏輯性和連貫性。

1.2課程體系章與章之間相關(guān)性差，學生不能很好的進行知識銜接和對比

化工原理課程主要講述的內(nèi)容有三方面：傳動、傳熱和傳質(zhì)。傳動內(nèi)容主要包括：流體流動、和流體輸送設(shè)備；傳熱內(nèi)容主要包括：蒸發(fā)和熱交換；傳質(zhì)內(nèi)容主要包括：精餾、吸收、萃取和干燥。首先，針對這三大部分內(nèi)容之間來說，其各自都有自身的理論特點，彼此知識體系連貫性和相關(guān)性也就較差；其次，針對同一傳遞過程來說，如傳質(zhì)內(nèi)容中的精餾、吸收、萃取和干燥，同一體系內(nèi)各章節(jié)也沒有順暢的過度關(guān)系。這樣就使學生在學習過程中，可能產(chǎn)生分章來學習的錯誤理解。

在授課過程中，如果老師只是照本宣科，將各章節(jié)內(nèi)容孤立開來，而沒有做到相互關(guān)聯(lián)、相互對比，那么學生對于化工過程三傳的共同特點就無法做到整體性認識和把握。而且，章與章之間的知識銜接和對比更無從談起，所學的知識變得呆板而不靈活、淺顯而不透徹。因此，如何對化工原理各章進行正確的脈絡梳理，以及對比和歸納，使其形成完整而系統(tǒng)的知識體系，便成為教學中亟待解決的重要問題。

1.3教學過程偏重理論化，難以培養(yǎng)學生工程實踐能力

在教學過程中，化工原理課程由于其中有大量的化工設(shè)備，以及設(shè)備操作原理的內(nèi)容。單純借助于常規(guī)的板書式教學，已經(jīng)無法生動的給學生展現(xiàn)其中具體生動的過程。有些教師采用PPT課件進行講解，學生學習效果反映較好[5]。但是，PPT課件更多是以內(nèi)容展示為主，學生仍然無法獲得實體感受，無法切身體會到設(shè)備的具體細節(jié)和設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造等問題。僅僅利用此方法，仍然無法激發(fā)學生對工程問題的足夠興趣。因此，在教學過程中，希望借助于更多的教學方法和教學工具，更好的提升課堂教學效果，更進一步的提高學生的工程實踐能力和教學質(zhì)量。

2　教學改革措施的探索和實踐

教學過程中，根據(jù)教學中的問題應進行章節(jié)知識體系的整理和歸納。在授課過程中，對每一章節(jié)進行總結(jié)性歸納，采用類比公式和公式拓展的方法[6-7]，把章節(jié)中相關(guān)知識點聯(lián)系起來，構(gòu)成一個知識脈絡樹狀圖。通過章節(jié)之間的對比，講述章節(jié)之間的過度關(guān)系等，使學生對整本書的知識體系有宏觀性的認識。

2.1突出課程內(nèi)容主線，強化學生理解深度

課程內(nèi)容主線的概括歸納，能使得學生對知識體系有一個綱領(lǐng)性的認識，既有利于掌握知識脈絡，又利于理論體系的交叉擴展，才能更好的去理解章節(jié)知識要點之間的關(guān)聯(lián)性，以及章節(jié)安排的層次和主要目的。如何才能獲得各個章節(jié)的內(nèi)容主線？

解決方法包括以下幾個方面：

2.1.1深入擴展、交叉延伸

化工原理中大部分章節(jié)公式較多，而且影響因素相互關(guān)聯(lián)，很難理順它們的相互關(guān)系。因此，這就增加了學生的理解難度。例如：化工原理中“流體流動”，可能內(nèi)容的主要思想就是講述流體流動過程中動能、勢能、靜壓能、外功和能量損失之間的計算關(guān)系。而且，章節(jié)內(nèi)容的安排上也是延續(xù)了這樣的思想。在講述過程中，通過課后總結(jié)，以伯努利方程為主線，以此對整個章節(jié)內(nèi)容進行擴展[6]。并且，可以進行知識點之間的交叉延伸，讓學生理解各個影響因素之間的相互關(guān)聯(lián)性和約束性，以便更靈活的去分析實際碰到的工程問題。

2.1.2引出問題、學生自糾

在教學過程中，學生一般都是灌輸性學習，對知識體系很少做分析思考，不去深究其中的根本原因和深層機理。因而，為了能將學生真正引入課程中來，強化學生自我分析問題、解決問題的能力，對章節(jié)關(guān)鍵知識點采取設(shè)置一些錯誤條件，讓學生自己去排除問題的原因，由此來激發(fā)學生主動性和積極性。例如：①如果將轉(zhuǎn)子流量計中的轉(zhuǎn)子顛倒，那么能不能進行流量測量使用？②離心泵一般閥門安裝在排除管路，如果安裝在吸入管路，又將會有什么影響？

2.1.3調(diào)整章節(jié)、理順思路

化工原理中有些章節(jié)內(nèi)容邏輯關(guān)系不清晰，這樣會導致學生在學習過程中，無法理解該節(jié)內(nèi)容的意圖，導致無法應用。對于此類問題，我們就必須采取調(diào)整章節(jié)順序，有目的、有邏輯的進行課程講述，以便學生更好的去理解，更容易的去理順思路。例如：傳熱中的對流傳熱系數(shù)一節(jié)，課程一般先講對流傳熱系數(shù)的實驗研究方法，再講無相變對流傳熱系數(shù)、蒸汽冷凝傳熱系數(shù)和液體沸騰傳熱系數(shù)等。簡單來說，實際上就是兩個方面：① 對流傳熱系數(shù)的實驗影響因素；② 無相變和有相變傳熱系數(shù)的獲取。這樣就使得章節(jié)知識簡單明了，思路清晰。

2.2進行章與章之間對比，合理調(diào)整教學內(nèi)容

針對現(xiàn)有的化工原理教材，主體一般大致分為9個章節(jié)：①流體流動；②流體輸送；③非均相分析； ④蒸發(fā)；⑤傳熱；⑥精餾；⑦吸收；⑧萃??；⑨干燥。各章節(jié)中由于研究的對象存在差異，因而章節(jié)過度沒有明顯的遞進趨勢。但是如果深入分析，我們?nèi)阅軓钠渲姓业剿麄儽舜说南嗷リP(guān)聯(lián)和過度關(guān)系。例如：非均相分離中的過濾章節(jié)，其中講述到顆粒群的問題，而在吸收章節(jié)中的填料的堆砌，就與之有很大的相似性。在講述過程中，我們就可以把非均相分離的內(nèi)容調(diào)整到吸收章節(jié)之前進行講解，以強化他們之間的相互關(guān)系。

為了使授課內(nèi)容能夠連貫，而且過渡順滑，以便于學生理解和掌握，可以采用以下方法對授課內(nèi)容進行重組和整合。

2.2.1相似性章節(jié)進行對比整合

化工原理章節(jié)中很多章節(jié)都具有相似性，只有將這些相似章節(jié)進行對比歸納，進行章節(jié)整合，才能更好的體現(xiàn)“化工三傳”的主干思想，使學生更好的掌握章節(jié)之間的相互脈絡。比較典型的章節(jié)有流體流動和流體輸送設(shè)備，這兩章的內(nèi)容都以伯努利方程為主線展開，流體流動主要講述流動流體的能量損耗，而流體輸送設(shè)備主要講述流動流體的外能補給。這樣以來，學生就能清晰掌握這兩章知識體系的偏重點和相似點。

2.2.2相關(guān)性章節(jié)進行連貫銜接

章節(jié)之間有些內(nèi)容有很強的相關(guān)性，通過章節(jié)順序適當調(diào)整，可以使它們很好的進行銜接，更順暢的進行過渡。典型的章節(jié)有吸收和干燥，這兩章的內(nèi)容講述的共同點都是汽液兩相的物質(zhì)傳遞，有一個共同的主線就是擴散。只要把握住擴散的特點，便可以很好的將這兩章的內(nèi)容銜接在一起，從其本質(zhì)上理解物質(zhì)傳遞的原因，為理解過程終止條件奠定了基礎(chǔ)。

2.3強化工程應用、提升分析能力

教學方法方面的改進主要是為了彌補單純板書式和PPT模式理論教學的缺陷，以便強化學生工程應用能力和分析問題能力[8]。在當前信息膨脹的時代，信息的傳遞有著極其豐富的多樣性和便捷性，教學過程可以將當前熱點的工程分離手段和高端分離設(shè)備引入課堂，針對學生感興趣的先進工程應用技術(shù)進行介紹，并將本課程的知識內(nèi)容與其進行銜接，以達到激發(fā)學生的求知欲。

因此，教學方法和教學策略的改進格外重要，可采取的措施有以下兩方面：

2.3.1借助設(shè)備裝配實驗，培養(yǎng)工程實踐能力

化工原理最重要的一個特點就是工程應用性很強[9]。如果只是單純的講述理論知識，做一些簡單的化工實驗，仍沒有辦法提升學生的工程實踐能力。因而，由此想到借助化工設(shè)備裝配實驗，是學生對化工設(shè)備和化工操作原理有更進一步的認識和具體的切身體會。由此使學生能在操作中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，學以致用，開闊思路。

2.3.2引導學生設(shè)計創(chuàng)新，開拓眼界增強興趣

上課過程中，通過例舉生活中的一些現(xiàn)象[10]，或者當前比較流行的生活用品、化工設(shè)備、娛樂玩具等，以增強學生的學習興趣。例如：①講述伯努利方程中的靜壓能時，讓學生去思考為何地鐵要設(shè)置安全門；②講述邊界層分離問題時，引入飛機機翼和游樂場中的腳踏水翼；③講述管道閥門時，引入閥門類型和種類，講述各種閥門之間的差別；④講述傳熱強化時，例舉日常喝奶茶時為何向內(nèi)吹氣，奶茶會瞬間變燙等等。

3　結(jié)　語

基于化工原理課程知識體系的特點：單元計算公式繁多、分離過程機理復雜、分離影響因素較多、過程因素交叉關(guān)聯(lián)性較強、理論體系脈絡性較差等，在《化工原理》[11]教學過程中注意采用靈活多樣的教學方法，理論與現(xiàn)實相結(jié)合，使知識體系構(gòu)建“流程化”，培養(yǎng)學生綜合分析的能力和分析解決實際問題的工程師素質(zhì)。并通過課程教學改革與實踐，使學生逐步掌握化工原理中分離操作的基本分析思路，完全理解基本知識脈絡，深層次領(lǐng)會化工原理中理想分離模型的現(xiàn)實意義。并且培養(yǎng)學生較好的工程化思維模式，以及分離過程優(yōu)化設(shè)計能力，達到化工“卓越工程師”的教學培養(yǎng)目標。

[1]李仲民,魏光濤,張琳葉. 實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”下《化工原理》課程教學改革[J]. 山東化工, 2015, 44(17): 148-149.

[2]楊樂, 陳煒峰, 孫寧.卓越工程師團隊化培養(yǎng)模式研究—以軟件項目為例[J].科技創(chuàng)新導報, 2015 (13):12

[3]劉英梅. 中高職化工原理教學銜接研究[J].山東化工, 2015, 44(4): 119-121.

[4]田 怡. 提高學生對“化工原理”學習興趣的探索[J].樂山師范學院學報, 2015, 30(4): 122-126.

[5]邢志勇,付穎,葉非,等.化工原理實踐教學的探索[J].教育教學論壇, 2015(16): 107-108.

[6]許茂東,張翠歌.《化工原理》教學之因“章”施教[J].滁州學院學報, 2010,12(5): 117-118.

[7]徐巖. 淺談化工原理的教學方法[J].廣州化工, 2015, 43(8): 245-247.

[8]路平,劉紅姣.《化工原理》課堂教學改革探索與實踐[J].山東化工, 2015, 44(10): 154-156.

[9]黃貴秋,熊拯.應用型人才培養(yǎng)模式下的化工原理系列課程教學改革[J]. 石油教育, 2015, 28(1): 80-82.

[10]李裕. 化工原理課堂教學中生活常識聯(lián)想[J].化工高等教育,2015(2):32-34.

[11]夏清,陳常貴.化工原理[M].天津:天津大學出版社,2005:1-365.

Exploration of the Course System of Principles of Chemical EngineeringwithChemicalTechnologicalProcessMode*

XU Mao-dong, ZHANG Cui-ge, YANG Ren-chun

(College of Biological and Chemical Engineering, Anhui Polytechnic University, Anhui Wuhu 241000, China)

Principle of Chemical Engineering,asafoundationcourseinChemicalEngineering,wascharacterizedbyitsstrongapplication,themultifariousformulas,strongcross-factors,andsoon.Inaddition,thecapacityofcomprehensiveanalysisduringthelearningprocesswashighlyrequired.Inordertoinspirethestudent’sstudyinterest,toenablestudentstograspthebasistheoreticalandachievemastery,theprocesscharacteristicsinchemicaltechnologywerecombinedwiththePrinciple of Chemical Engineering.Thus,thestudentshadamoredirect,moreprofoundandsystematicunderstandingofthecurriculumknowledgesystem.Andthestudents’engineeringideologywillbedeveloped.

Principle of Chemical Engineering;inductionandsummarization;teachingmethod;technologicalprocess

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201210363141)；安徽工程大學青年科研基金(2010YQ045)。

許茂東(1979-)，男，講師，從事化工原理和化工機械的教學研究。

G642

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1001-9677(2016)013-0160-03