面向煤化工專業(yè)化工原理理論課教學改革

任國瑜，亢玉紅，閆 龍，李 健,劉曉菊

(1.榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000；2.西北大學 化工學院，西安 710069)

煤炭是中國的主要化石能源，也是許多重要化工品的主要原料，隨著社會經(jīng)濟持續(xù)、高速發(fā)展，近年來中國能源、化工品的需求也出現(xiàn)較高的增長速度，煤化工在中國能源、化工領域中已占有重要地位。許多應用型本科高校，結合能源分布和經(jīng)濟發(fā)展，大力培養(yǎng)煤化工專業(yè)型人才。[1]312-323其中，化工原理課程是煤化工專業(yè)學生的必修課，是一門重要的技術基礎課。[2]化工原理以過程工業(yè)(化工、煉油、冶金、醫(yī)藥、輕工等)生產(chǎn)中的物理加工過程——“單元操作”為研究對象，它是認識過程工業(yè)的起點,是基礎理論與過程工業(yè)生產(chǎn)實踐之間的橋梁,是培養(yǎng)過程工業(yè)工程師的搖籃。化工原理是煤化工專業(yè)學生的專業(yè)基礎課，具有很強的理論性和實踐性。目前高校化工原理課大多數(shù)采用的教材是在化工專業(yè)使用的《化工原理》的基礎上簡化而成的，引用的工程案例與“煤化工”加工處理相關的案例較少。針對煤化工專業(yè)化工原理課程的特殊性和專業(yè)性，本文結合煤化工專業(yè)學生實際情況和多年的教學改革與探索，并借鑒其他同行的教學經(jīng)驗，分析了教師在講述煤化工專業(yè)化工原理課程中應著重培養(yǎng)的素質(zhì)和能力；指出了化工原理課程在講授過程中值得借鑒的方法；提出了該課程在教學內(nèi)容上的調(diào)整和雙師雙語教師的培養(yǎng)。

一、煤化工專業(yè)化工原理理論教學應培養(yǎng)的能力

(一)培養(yǎng)學生嚴謹?shù)耐茖в嬎隳芰?/h3>

嚴謹?shù)耐茖в嬎隳芰ω灤W生學習生涯始終，提高學生的運算能力，必須加強練習。在課堂教學中注意規(guī)范的推導。得其法，推其理。在公式推導的講述中，傳統(tǒng)的黑板板書推理優(yōu)勢明顯，從單位轉(zhuǎn)化到計算，注意每個細節(jié)的規(guī)范化。然后讓每位學生親自推導，切忌眼高手低。嚴謹?shù)耐茖в嬎隳芰κ峭瓿晒こ淘O計和計算的最基本保證。

(二)培養(yǎng)學生的工程意識、經(jīng)濟觀點和解決實際問題的能力

化工企業(yè)除實現(xiàn)環(huán)境保護外，企業(yè)經(jīng)營成本的核算也是必須考慮的一部分內(nèi)容。因此，我們應重視工程意識和經(jīng)濟觀點的培育。以“吸收塔的設計”為例，液氣比的選擇就是經(jīng)濟最優(yōu)化的問題。不能一味地堅持高的吸收效率，還要進行成本核算。再比如講解如何提高總傳熱系數(shù)，首先要知道總傳系數(shù)的公式。

(1)

其中K：總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃);αi：管內(nèi)給熱系數(shù)，W/(m2·℃)；αo：管外給熱系數(shù)，W/(m2·℃)；λ:熱導率，W/(m·℃);b:熱傳導層厚度，m;Rsi:管內(nèi)污垢熱阻，m2·℃/W；Rso：管外污垢熱阻，m2·℃/W。

公式(1)看似很復雜，但是我們可以將其分解為五部分：管內(nèi)、外流體傳熱熱阻、管內(nèi)、外流體的污垢熱阻、壁面熱阻。要提高總的傳熱系數(shù)，必須尋找到控制阻力。這樣才能起到“四兩撥千斤”之功效。使“巧勁”來提高總傳熱系數(shù)。這就是工程意識與經(jīng)濟觀點。

教師還可以通過對典型實例的分析和討論，培養(yǎng)學生選擇適宜的工藝，在操作和設計方面解決實際問題的能力，在培養(yǎng)和建立工程與工藝相結合的觀點和經(jīng)濟學觀點的基礎上，加深學生對基本原理的理解，最終達到處理工程實際問題的能力。

(三)培養(yǎng)學生理論與實踐相結合的能力

通過化工原理課程的學習，使學生將煤化工學科中煤的干餾，煤的氣化，煤的間接、直接液化和防治煤化工污染等方面的基本知識、基本設備和基本技能與化工原理課程的各個單元操作原理結合起來，更容易理解化工原理課程的理論知識點。通過PPT制作出新穎清晰的動畫，將具體的工藝流程與化工原理知識點相結合。這樣可以為學生更好地利用、發(fā)展當?shù)刭Y源打下一定的基礎。培養(yǎng)學生科學的思想方法，注重實際的求實態(tài)度。[3]筆者在煉油廠工作過，深有體會。在入廠之前對化工原理課程的理論知識掌握算是比較扎實，但還是覺得理論知識和實踐操作之間的關聯(lián)度不夠。入廠后才真正對化工原理課程里講述的設備如精餾塔、吸收塔、換熱器、泵以及各種類型閥門有了直觀的認知。在宏觀認知的基礎上，才能更好地使用、操作和維修。

為進一步培養(yǎng)以上三種能力，在煤化工專業(yè)化工原理課程教學過程中應該注意教學方法的應用和教學內(nèi)容的選擇。

二、煤化工專業(yè)化工原理理論教學應掌握的方法

(一)運用好“類比式”教學方法,貫穿教學過程中的“收”與“放”

化工原理課程主要內(nèi)容包括：流體流動、流體輸送設備、非均相分離、固體流態(tài)化、傳熱與傳熱設備、管式加熱爐、蒸餾、吸收、氣液傳質(zhì)設備等。該課程的主要任務是研究石油化工生產(chǎn)中具有共同規(guī)律的各種單元過程的基本原理、典型的設備結構、性能與操作原理；研究單元過程及其典型設備的計算方法；通過各種單元過程的操作因素分析，尋找適宜的操作條件，探索強化過程的方向及改進設備的途徑。培養(yǎng)學生靈活地運用基本理論，分析和解決各種單元過程中的工程技術問題的能力；熟練地進行單元過程和設備的基本計算能力及一定的實際操作技能和獨立工作的能力。[4]在化工原理教學中,各單元操作都具有一定的相對獨立性，但實則存在有一些相似的傳遞規(guī)律。教師可以發(fā)散學生的思維，但也要適時把握時機，進行歸納總結。注意把重點落在所要闡述的問題上，做到“形散而神不散”。為了加強對某一單元操作的理解，可以用學生學過的具有相似傳遞規(guī)律的理論來進行類似歸納式教學。將化工原理的教學內(nèi)容按照三傳(動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞)理論去歸類。[5]單元操作是行業(yè)共性的歸納和抽象，而傳遞過程則是行業(yè)共性在科學機理層面上的進一步概括和抽象。因此，可將單元操作分為三大類，每一大類中具體包含的單元操作如圖1所示。其中，對于流態(tài)化過程同時涉及三種傳遞現(xiàn)象，如雙液膜理論也同時涉及了三種傳遞，這樣既可以對比三種傳遞現(xiàn)象又可以重溫舊知識點。實踐證明，這種類比教學法不僅能拓展學生的思維，加深其對該單元操作的深入理解，而且還可以對各單元操作的理解系統(tǒng)化、清晰化。

圖1 以“三傳”為物理內(nèi)核的單元操作

(二)應用好“對比歸納式”教學方法，加強知識點的理解

化工原理的各個單元操作可以歸結為三類傳遞[6]：動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。三種類型的傳遞有相似之處，也有不同之處，對比歸納法為化工原理課程教學提供了一個好的方法。通過兩種相似或相反的事物進行對比，為了尋找事物的異同，尋找事物的本質(zhì)和特性。比如泵在使用過程中最容易出現(xiàn)的兩個問題，氣縛和氣蝕現(xiàn)象，學生容易混淆這兩個知識點。對此可以從以下兩方面著手：(1)從漢字本身的字意上去解釋，這是中華五千年的智慧結晶?！翱`”是束，捆綁之意。離心泵被空氣捆綁，不能形成足夠的真空度來運輸流體，原因是沒有灌泵或氣密性不好混入氣體?！拔g”即侵蝕，損壞之意，是氣泡消失形成局部真空，產(chǎn)生局部沖擊力造成氣體對泵體的損壞。原因是安裝高度不合適，動量轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生相變產(chǎn)生氣泡，氣泡破裂發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。這樣的解釋學生不容易混淆。(2)通過視頻展示氣縛和氣蝕現(xiàn)象，這樣就更容易去掌握兩個知識點，在泵的使用過程中會盡量避免這兩種現(xiàn)象的產(chǎn)生。所以通過這種對比式教學可進一步提高教學質(zhì)量。

(三)應用好“啟問式”教學法，激發(fā)學生興趣

俗話說：興趣是最好的老師。教師收集一些生活以及生產(chǎn)實際中與教學內(nèi)容相關的“問題”，在課程講述過程中選擇一些“切題”的問題，讓學生從“問題”入手，喚起學生的好奇心和求知欲，產(chǎn)生尋求答案的意識。結合當堂課程的知識點設置一些趣味性的課后題，調(diào)動學生的主動學習意識，鍛煉學生課外查閱文獻資料的能力、解決問題的能力。因此，發(fā)掘和培養(yǎng)學生的興趣點，是培養(yǎng)學生成才的重要因素。如在講授“導熱系數(shù)”時，筆者設計了如下問題:為什么在寒冷的冬天，如果把舌頭舔在鐵架上，舌頭會被粘?。窟@是因為鐵的導熱速率快，將舌頭迅速降溫，舌頭表面的唾液結冰，舌頭被凍在鐵架上了。不只是鐵，銅、鋁等金屬也會出現(xiàn)這種情況。這是因為當含有大量水分的部位接觸到放置在寒冷室外的金屬時，這些金屬迅速傳走接觸部位的熱量，導致表面的水分結冰。粘連現(xiàn)象是結冰造成的，如果硬拉扯會造成舌部脫皮、拉傷?？傻纫粫?，經(jīng)身體血液的流動，很快就會化開。在東北的冬季，不戴手套是不能輕易觸碰室外的金屬物品的，以免粘掉一層皮，就是這個道理。這樣既可以增加趣味性又可以增加學生的安全常識。

三、煤化工專業(yè)化工原理理論 教學形式和內(nèi)容的選擇

(一)精心制作多媒體課件、充實教學內(nèi)容，積極采用現(xiàn)代教學和傳統(tǒng)教學相結合的手段

對于多媒體課件的制作，首先要邏輯性強，條理清晰。加入生動的動畫仿真模擬既可提升學生學習的積極性又使學生容易理解知識點。[7]其次，多媒體課件的內(nèi)容一定要新，及時更新、及時掌握最新研究方法和發(fā)展動態(tài)。[8]但是不能純粹地依賴多媒體，對于重要的知識點和公式推導，傳統(tǒng)板書效果更好。在教學形式上,我們改變了原有的、單一的黑板教學形式，采用課堂教學、多媒體教學、網(wǎng)絡教學、雙語教學、課外輔導等多樣化教學相結合的形式。

(二)引入煤化工工程案例，用化工原理的知識點解釋其原理

對于煤化工專業(yè)的學生，煤汽化是一個很基礎的知識點，煤的汽化過程是一個熱化學過程，它以煤或煤焦為原料，以氧氣(空氣、富氧或純氧)、蒸氣或氫氣為汽化劑(又稱汽化介質(zhì))，在高溫條件下，通過化學加工的手段將煤或煤焦中的可燃部分轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w燃料的過程。教師在講授傳熱知識點的時候，可以引入汽化爐這個設備，如圖2所示，這樣既可以加深煤汽化過程，又可以將所學習的知識點學以致用。

圖2 煤汽化過程示意圖

四、煤化工專業(yè)化工原理理論教師隊伍建設

(一)煤化工專業(yè)化工原理課程雙語教師的培養(yǎng)

隨著科技信息化與國際接軌，實現(xiàn)國內(nèi)外的教學理念，教學方式的接軌，雙語化教學勢在必行。首先，一方面引入雙語教師，另一方面加強老教師的雙語培訓，鼓勵教師不斷學習，與時俱進。也可以提高學生的雙語水平，為學生閱讀外文文獻自主學習創(chuàng)造基礎和氛圍。其次，對于雙語化教學，教師要精心備好每一節(jié)雙語教學課程，提高教學質(zhì)量， 充分備課是上好雙語課的前提。所以，雙語課要抓好備課這一環(huán)。教學實踐表明，教師在備課上所花工夫的多少直接影響授課的質(zhì)量。比如說進行公開課教學時，教學效果一般都比平時要好就證明了備課之重要。所以，一堂成功的課，無不凝結著教師備課的心血。最后，為培養(yǎng)和提高教師綜合能力和素質(zhì)，在條件允許的條件下，有計劃有目地安排教師在職學習或出國進修，這對雙語教學是非常重要的。有數(shù)據(jù)顯示，一些高校中，在雙語教學師資隊伍建設中，構建了年齡、學歷和知識結構合理的隊伍，以中南大學為例：教學團隊中50%的教師(20%有留學經(jīng)歷，80%具有博士學位)進行雙語授課，學生受益可達70%。[4]

(二)煤化工專業(yè)化工原理雙師教師的培養(yǎng)

多半教師為碩士或者博士畢業(yè)后直接進入學校，沒有工程背景和工廠操作經(jīng)歷，給學生講授基礎課或?qū)I(yè)基礎課尚可，但是對于專業(yè)課的講授，例如化工原理課程，特別強調(diào)工程背景之重要，許多教師往往只能照本宣科。對于沒有工程實踐和工程背景的教師在授課的時候經(jīng)常存在理論聯(lián)系實際能力較弱等常見的問題，造成教師授課費勁、學生聽課費勁的局面。對于化工原理課程，強調(diào)實踐動手能力的專業(yè)綜合實驗課程，教師只有自身具備扎實的工程實訓背景和工廠操作能力，才能很好地引導和指導學生參與“互聯(lián)網(wǎng)+”相關的創(chuàng)新型課程或者一些簡單的實訓項目。首先，對于化工原理課程的講授教師，應該盡可能多地參與工業(yè)實習和工業(yè)見習，增加授課教師自身的實踐能力，才能更生動準確地講解。最后，學校應該多引入雙師型教師，教師之間相互學習探討觀摩，共同進步。其次，學校應該加大雙師教師的培訓。有目的有計劃地選送化工專業(yè)教師進行研修培訓。依托當?shù)貒写笾行推髽I(yè)，選送相關教師下企業(yè)掛職工作，共建“雙師型”教師培訓基地。

五、結語

對于煤化工專業(yè)的化工原理課程，本文從教學目標、教學方法、教學內(nèi)容和師資培養(yǎng)四個方面提出了課程改革的建議。筆者通過多年煤化工專業(yè)化工原理教學，不斷總結歸納經(jīng)驗，在化工原理教學中，尤其要注重理論與實踐的結合，以及認識到類比歸納式教學對提高學生思維能力、提高教學質(zhì)量和教學效果的重要性，從而可以培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。如何進一步提高化工原理教學效果，還需虛心學習、潛心摸索。

[1] 謝克昌.能源“金三角”發(fā)展戰(zhàn)略研究[M].北京：化學工業(yè)出版社，2016.

[2] 李入林,王琳.應用型本科《化工原理》理論教學改革初探[J].貴州化工，2009，34(4):45-48．

[3] 柳海蘭,韓順玉.化工原理教學方法和教學手段的研究與改革[J].廣東化工,2008(3):93-95.

[4] 邱運仁．化工原理課程教學改革與實踐[J].化工高等教育,2005(4):17-19．

[5] 張鑫,鄭志明,曾慧.改進基礎實驗教學,適應素質(zhì)教育的要求[J].化工高等教育,2004(3):88-89.

[6] 任國瑜,任旭,劉曉菊,等.化工傳遞過程基礎教學方法的探討與研究[J].廣州化工,2014，42(8)：201-203.

[7] 蘇俊宏,李建超,時凱,等.在教學和科研中助力理工科研究生能力的培養(yǎng)[J].渭南師范學院學報,2017，32(22):5-9.

[8] 李長亮．高校研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究[J]．教育教學論壇,2017(32)：89-90．