新工科背景下化工原理課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)探究

韓丁波，王力川，王彩君，王秀玲，梁慧鋒

（邢臺學(xué)院，河北邢臺 054001）

新工科的建設(shè)是我國工程教育改革的新方向，其內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，具有戰(zhàn)略型、創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開放式的特征[1]。在新工科建設(shè)的大背景下，為適應(yīng)新時(shí)代的需要，化工類專業(yè)的教育教學(xué)應(yīng)當(dāng)做出必要的調(diào)整，各大院校的化工教育工作者們也都提出了面向新工科的人才培養(yǎng)模式[2-5]，探索新的教育教學(xué)改革方案。

化工原理課程是化學(xué)工程與工藝、制藥工程、應(yīng)用化學(xué)等專業(yè)的一門主干課程，主要涉及到化工單元操作過程，是一門既涉及基礎(chǔ)理論知識又強(qiáng)調(diào)工程技術(shù)應(yīng)用的課程。在化工原理課程的教學(xué)中，奮斗在一線教學(xué)的教師總結(jié)分享了珍貴的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)[6-9]。本文在新工科建設(shè)的大背景下，提出針對化工原理的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方案和教學(xué)方式的改進(jìn)措施，以培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代變化的多元化工程應(yīng)用型人才。

一、夯實(shí)基礎(chǔ)，適當(dāng)拓展前沿知識

新工科的建設(shè)注重新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)，如新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、新材料、新能源汽車制造業(yè)、新能源與節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)等。但是，建設(shè)新工科并不是要摒棄傳統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，而是在熟練掌握基礎(chǔ)知識的前提下，適當(dāng)拓展前沿知識，以開拓學(xué)生視野，了解行業(yè)新動(dòng)態(tài)、新方向。

化工原理作為化工類專業(yè)的基礎(chǔ)專業(yè)課程，主要介紹了化工過程各個(gè)單元操作，包括流體輸送、過濾、傳熱、精餾、吸收、干燥等操作過程，既涉及到一些理論知識，又有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。比如，在講解精餾操作過程中，首先要介紹精餾的原理，精餾主要是利用混合物中各組分揮發(fā)度不同而將各組分加以分離的，混合物在精餾塔中經(jīng)過多次的部分汽化和部分液化過程，在塔頂就可以得到較高純度的輕組分產(chǎn)品，在塔釜可以得到較高純度的重組分產(chǎn)品。精餾操作在化工分離過程中應(yīng)用廣泛，是非常重要的單元操作過程。因此，在化工原理教學(xué)過程中，要用較多的學(xué)時(shí)講解精餾過程，以夯實(shí)學(xué)生基礎(chǔ)。但是，精餾操作在工程應(yīng)用中也存在一些弊端，如能耗較高、設(shè)備投資大等。為此，可以向?qū)W生拓展前沿知識，介紹一些新的分離操作手段。比如，針對精餾過程能耗高的缺點(diǎn)，可以采用膜分離技術(shù)。膜是具有選擇性分離功能的材料，利用膜的選擇性分離實(shí)現(xiàn)料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。其具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、環(huán)保、化工、石油、水處理等領(lǐng)域。通過對精餾過程和膜分離過程的對比，闡述各自的優(yōu)缺點(diǎn)，使學(xué)生對前沿知識有了認(rèn)識，開拓了視野。

再比如，在計(jì)算精餾塔理論塔板數(shù)時(shí)，常用的方法有逐板計(jì)算法和作圖法，但是當(dāng)分離的物系較為復(fù)雜時(shí)，手工計(jì)算法就難以滿足要求，針對這一問題就要借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算求解。因此，可以向?qū)W生拓展計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算求解化工問題的相關(guān)知識，介紹流程模擬軟件如Aspen Plus等。采用Aspen Plus可以較為方便的計(jì)算復(fù)雜體系的分離過程，利用其中的精餾塔模塊，很容易計(jì)算出所需的理論塔板數(shù)，因此Aspen Plus軟件在指導(dǎo)化工設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。督促學(xué)生有意識的學(xué)習(xí)相關(guān)化工模擬軟件，可以為以后的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

二、注重應(yīng)用，理論聯(lián)系實(shí)際

對于應(yīng)用型本科院校來說，新工科建設(shè)應(yīng)注重理論教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際的結(jié)合。在化工原理理論教學(xué)過程中，應(yīng)該強(qiáng)化“應(yīng)用”意識，就是在教學(xué)過程中，把化工單元操作基礎(chǔ)理論知識和化工生產(chǎn)實(shí)例及生活中的應(yīng)用結(jié)合起來。

例如，在講解流體輸送泵的選用和安裝時(shí)，要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)例。比如離心泵結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)耐用，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛，主要用于輸送低粘度液體。但是，離心泵無自吸能力，使用前需要灌泵，防止氣縛現(xiàn)象發(fā)生。而一些容積泵，如往復(fù)泵、螺桿泵等，本身具有自吸能力，可以應(yīng)用在一些特殊場合，還可以輸送粘稠液體或膏狀液體等。再比如，離心泵使用時(shí)有安裝高度的限制，如果泵的安裝高度過高會(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，引起泵的異常震蕩和損壞。因此，工廠使用泵時(shí)常將其放置在一樓地面，而不是二樓或更高層的樓層。

在講解傳熱過程時(shí)，可以舉生活中常用的熱水保溫瓶為例。一般我們認(rèn)為熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對流傳熱和熱輻射，而盛有熱水的保溫瓶向外界散發(fā)熱量的過程，剛好涵蓋熱量傳遞的三種方式。瓶內(nèi)熱量通過瓶塞散熱的方式屬于熱傳導(dǎo)；瓶內(nèi)的熱水與瓶塞在無直接接觸的情況下，熱水到瓶塞的熱量傳遞方式主要屬于對流傳熱；瓶內(nèi)膽為真空結(jié)構(gòu)，只能通過熱輻射散失熱量，內(nèi)膽鍍銀可以有效減少向外界的熱輻射。而保溫瓶內(nèi)膽的真空結(jié)構(gòu)一旦破壞，內(nèi)膽夾層進(jìn)入空氣，熱量通過內(nèi)膽壁就會(huì)以熱傳導(dǎo)和對流傳熱的形式散熱，保溫瓶的保溫效果大幅降低。

通過強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容的“應(yīng)用”意識，學(xué)生不但掌握基本理論知識，而且還了解了這些理論知識在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中的應(yīng)用，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更有興趣。

三、強(qiáng)調(diào)過程，教學(xué)手段多樣化

新工科建設(shè)圍繞大力發(fā)展大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、基因工程、新材料等新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)相關(guān)的新興工科專業(yè)，推動(dòng)現(xiàn)有工科交叉復(fù)合、工科與其他學(xué)科交叉融合等。因此，在化工原理的教學(xué)過程中，可以適當(dāng)引入信息化技術(shù)。例如，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于實(shí)踐教學(xué)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建出化工設(shè)備模型，甚至構(gòu)建出完整的廠區(qū)模型，學(xué)生只需佩戴上相應(yīng)智能設(shè)備就如同身入其中，可以操作儀表閥門、組裝管道等等。由于所有操作都是虛擬的，即使操作失誤也不會(huì)產(chǎn)生破壞和事故，學(xué)生可以大膽嘗試，快速學(xué)習(xí)。因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)具有重大意義。

但是，傳統(tǒng)的教學(xué)方式也是必不可少的。比如，采用板書教學(xué)的方式，可以讓學(xué)生跟上老師的思路節(jié)奏，容易集中注意力。采用多媒體教學(xué)的方式，可以提供更豐富的知識，拓展學(xué)生的知識面。在講解設(shè)備時(shí)，采用視頻進(jìn)行動(dòng)畫播放，讓學(xué)生能夠直觀清晰地了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理。例如，在介紹閥門的時(shí)候，給學(xué)生播放常用的球閥、截止閥、閘閥等各種閥門的動(dòng)畫視頻，直觀地了解每一種閥門的工作原理。

此外，在教學(xué)過程中還可以采用新的教學(xué)方式，比如翻轉(zhuǎn)課堂。對于一些較為簡單的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生自學(xué)、相互討論，查閱需要的相關(guān)材料，讓學(xué)生通過實(shí)踐獲得更充實(shí)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)。這樣學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了知識，更學(xué)會(huì)了學(xué)習(xí)的方法。在新工科的教學(xué)中，需要更加注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

四、注重綜合素質(zhì)的培養(yǎng)

化工原理屬于工程類課程，現(xiàn)在課堂所學(xué)的單元操作過程都是工程經(jīng)驗(yàn)的濃縮、升華和結(jié)晶。在化工原理的教學(xué)中，始終要貫徹工程思維觀念和安全意識。例如，在布置化工流體輸送泵時(shí)，往往要一備一用，防止設(shè)備出現(xiàn)故障造成生產(chǎn)中斷，釀成生產(chǎn)事故。這樣，在課堂中有意識的引入工程實(shí)例，使學(xué)生從工程實(shí)例中學(xué)到安全意識。

此外，還要強(qiáng)化學(xué)生工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)意識。例如在講解吸收操作時(shí)，當(dāng)吸收劑用量減少，操作費(fèi)用會(huì)降低，但也會(huì)引起傳質(zhì)推動(dòng)力的下降，若要滿足工藝要求，只能增加填料層高度，設(shè)備投資費(fèi)用增加；相反，若增大吸收劑用量，操作費(fèi)用增大、設(shè)備投資費(fèi)用降低。工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出，在吸收劑用量為最小吸收劑用量的1.1～2.0倍最為合理。再比如，采用換熱器可以回收廢熱節(jié)省能源，減少操作費(fèi)用，但過多使用換熱器，投資費(fèi)用會(huì)急劇增加。因此，選擇合適數(shù)量的換熱器，可以使設(shè)備投資費(fèi)用和操作費(fèi)用最優(yōu)化。

再者，在新時(shí)代及未來的發(fā)展中，環(huán)境保護(hù)問題會(huì)越來越重視，因此，在化工原理課程教學(xué)中，要注意強(qiáng)調(diào)環(huán)保意識。比如，在大氣污染治理中，工廠煙氣排放的處理，就涉及到化工原理中介紹的氣體吸收操作單元。在講解吸收操作時(shí)，可以引入煙氣吸收的實(shí)例，介紹相關(guān)的技術(shù)。在課程設(shè)計(jì)時(shí)，布置相關(guān)任務(wù)，如根據(jù)煙氣污染物含量，設(shè)計(jì)工業(yè)尾氣吸收塔等。如此，學(xué)生對環(huán)保問題會(huì)有更深層次的認(rèn)識，就業(yè)更愿意投入環(huán)保行業(yè)，為環(huán)境污染治理做貢獻(xiàn)。

總之，化工原理課程承擔(dān)著從基本理論到實(shí)踐工程、從基礎(chǔ)理論到專業(yè)知識的紐帶作用。該課程教學(xué)效果的好壞直接影響學(xué)生的業(yè)務(wù)素質(zhì)和工程能力。在新工科建設(shè)的大背景下，只有對化工原理的教學(xué)內(nèi)容作出認(rèn)真思考，逐步改進(jìn)教學(xué)方案，才能順應(yīng)新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)、新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，培養(yǎng)真正有用的人才。