工程教育背景下化工原理課程萃取教學的研究與實踐

摘要：化工原理課程是化工及其他化學加工過程類專業(yè)的一門應(yīng)用基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)學生工程能力的重要一環(huán)。文章分析了化工原理課程教學的現(xiàn)狀與弊端，并針對化工原理課程中的萃取單元操作部分提出了調(diào)動學生積極性、夯實學生理論基礎(chǔ)、加強學生工程能力培養(yǎng)的一系列措施。

關(guān)鍵詞：化工原理;萃取;工程教育;教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）16-0176-02

化工原理是化工及其他化學加工過程類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。根據(jù)歷年的授課情況，我們發(fā)現(xiàn)學生對萃取過程的掌握程度通常不如精餾與吸收過程，這說明在授課過程中將理論與實際相結(jié)合不僅能夠培養(yǎng)學生的工程意識，同樣也有助于學生的理論學習。因此，筆者從萃取過程入手，通過對教學方法進行改進，力圖在夯實理論基礎(chǔ)的前提下，更好地培養(yǎng)學生的工程意識。

一、萃取章節(jié)教學方法改革的措施與建議

1.采用案例式引入，激發(fā)學生的學習興趣。化工原理是與實際工業(yè)過程緊密聯(lián)系的應(yīng)用基礎(chǔ)課程，萃取操作是應(yīng)用廣泛的液—液分離操作，并且與同樣多用于液—液分離的精餾操作各有優(yōu)勢與劣勢。在學生已經(jīng)掌握了精餾操作的原理后，如果能以一個工業(yè)上典型的萃取分離體系為例，引導學生思考精餾分離存在的局限性，以及可能存在的替代分離方法，從而引出萃取原理，將會更容易引起學生的興趣，并且比起直接文字介紹萃取分離的定義與原理要更容易理解，教學效果更好。筆者在授課時常用“從發(fā)酵液中提取青霉素”的實例說明精餾方法在分離熱敏性物質(zhì)方面存在局限，用“醋酸水溶液分離”的實例說明精餾方法對于分離輕組分含量高、潛熱大的體系存在能耗高的缺點，用“鉑重整裝置中芳烴與非芳烴分離”的實例說明精餾方法對于分離相對揮發(fā)度小的體系存在局限。通過這些例子，自然而然能夠讓學生理解化學工業(yè)對除精餾外的分離方法的迫切需求，使學生對萃取過程的學習產(chǎn)生興趣。

2.發(fā)揮多媒體教學的優(yōu)勢，強化基礎(chǔ)理論教學。萃取過程的理論計算是萃取章節(jié)的重點，而萃取體系相較精餾與吸收體系有其復雜性，這直接表現(xiàn)在萃取體系至少是一個三元體系，同時稀釋劑與萃取劑之間可能具有一定的互溶度。當稀釋劑與萃取劑部分互溶時，體系的平衡關(guān)系需要用三角形相圖表示，萃取過程的分析也需要通過在三角形相圖上作圖進行。三角形相圖對于學生來說較為陌生，而多級萃取過程，尤其是多級逆流萃取過程在三角形相圖上的作圖較為復雜，學生掌握起來困難較大。過去教師課堂講授該部分內(nèi)容通常是在黑板上作圖講解，然而根據(jù)筆者的經(jīng)驗，在黑板上進行復雜作圖不夠清晰，學生較難理解，過程耗費時間也較長。近年來多媒體技術(shù)廣泛應(yīng)用于課堂教學中，將此類作圖過程用多媒體方式展示將更加清晰、準確、易于理解。此外，將萃取流程圖、萃取設(shè)備運行圖等制作成多媒體動畫，同樣能夠幫助學生理解，提高教學效果。

3.面向工程與創(chuàng)新能力培養(yǎng)，優(yōu)化教學內(nèi)容?；ぴ碚n程是與生產(chǎn)實際緊密聯(lián)系的橋梁型課程，然而，長期以來在課堂教學中都以理論教學為主，學生往往感到抽象，無法真正感受到所學理論與實踐中的聯(lián)系。究其原因，還是在于教學中缺乏實踐體驗與工程實例的環(huán)節(jié)。為改善這一問題，授課教師搭建了可視化可拆卸的萃取設(shè)備模型，在典型的可視化萃取設(shè)備內(nèi)拍攝了多個高清萃取實驗視頻，并針對所做實驗進行計算流體力學（CFD）模擬，得到設(shè)備內(nèi)的流場與濃度場分布圖。在授課過程中向?qū)W生展示上述設(shè)備、實驗視頻以及模擬結(jié)果，讓學生親身感受設(shè)備的結(jié)構(gòu)，通過觀察可視化的設(shè)備運行過程，并輔助以CFD模擬結(jié)果，了解萃取過程中流體的流動、傳質(zhì)、分散以及分相過程，加深對所學理論知識的理解，初步接觸到工藝流程與設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念。筆者在授課時會根據(jù)自身學術(shù)研究的背景，為學生介紹微尺度下萃取過程的特點以及微萃取器的設(shè)計與運行等學科前沿動態(tài)。化工過程的微型化與集成化是化學工業(yè)發(fā)展的一個重要方向，對該方向的了解能夠使學生在傳統(tǒng)工業(yè)過程的基礎(chǔ)上，進一步完善對化工過程的理解。此外，微尺度與宏觀尺度萃取過程的區(qū)別主要在于傳質(zhì)、傳熱距離的縮短，使得傳質(zhì)、傳熱系數(shù)在數(shù)量級上獲得提高。強化傳質(zhì)是分離操作的本質(zhì)要求。

4.邀請企業(yè)專家進行交流，彌補校內(nèi)教師授課的不足。在教師授課之外，我們邀請了企業(yè)中相關(guān)方面的專家舉辦講座交流。專業(yè)課程的授課教師，其理論功底一般較為深厚，而目前多數(shù)高校教師由于身兼科研任務(wù)，因此對于學術(shù)前沿動態(tài)了解也較深入。然而高校教師，尤其是青年教師，多數(shù)是博士畢業(yè)或博士后出站后直接進入高校工作，這種從校園到校園的模式，使高校青年教師普遍沒有企業(yè)工作經(jīng)歷，工程經(jīng)驗有所欠缺。邀請企業(yè)專家舉辦講座交流可以彌補這一不足。在前期授課中學生已經(jīng)對萃取過程的基本原理、萃取設(shè)備型式與強化傳質(zhì)的設(shè)計理念有了一定的了解，在此基礎(chǔ)上，邀請企業(yè)專家對行業(yè)大勢進行簡單的介紹，并對一兩個典型的工程案例進行剖析，介紹工藝流程與設(shè)備設(shè)計需要考量的各方面因素，包括但不限于流程與設(shè)備設(shè)計過程中需要遵循的規(guī)范，如何能夠優(yōu)化系統(tǒng)實現(xiàn)最高效的生產(chǎn)，如何能夠兼顧產(chǎn)能與環(huán)保之間的平衡等問題，啟發(fā)學生進行更深層次的思考并為學生解答疑惑。這樣，一方面能夠拓寬學生的視野，讓學生有機會對化學工業(yè)有一個整體性的了解;另一方面，能夠培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，同時在專業(yè)技術(shù)之外，向?qū)W生傳遞工程技術(shù)人員所應(yīng)具有的工程倫理意識和社會責任感。通過對教學方法和教學內(nèi)容的調(diào)整和優(yōu)化，能夠夯實萃取章節(jié)的理論教學基礎(chǔ)，并將理論與應(yīng)用相結(jié)合，一方面培養(yǎng)學生運用工程的觀點對典型單元操作進行分析并解決工程實際問題的能力，初步建立起系統(tǒng)工程的理念，探索過程強化的方向及設(shè)備改進的途徑;另一方面與時俱進，拓寬學生視野，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力與科研興趣。最后，從化工專業(yè)知識領(lǐng)域向外延伸，培養(yǎng)學生的工程倫理意識和社會責任感。

二、考核評價方式改革的措施與建議

作為教學的一個重要環(huán)節(jié)，考核評價對于學生能力培養(yǎng)同樣起著重要的作用?？己嗽u價的內(nèi)容為學生提供導向作用，往往考核的重點內(nèi)容學生掌握得也會最好，而僅在課程中講授卻不參與考核的內(nèi)容通常只有極少數(shù)學生能夠掌握。因此，在教學方法與內(nèi)容調(diào)整后，考核評價方式同樣需要進行相應(yīng)的調(diào)整，才能實現(xiàn)最好的教學效果。傳統(tǒng)的化工原理課程考核評價主要采用多次筆試加平時成績的方法進行。其中筆試主要包括填空與計算題，考核學生的基本概念、基礎(chǔ)理論、設(shè)計型命題的基本計算方法、操作型命題分析等，平時成績主要參考出勤率與作業(yè)成績。平時作業(yè)的考核點通常與筆試相同，側(cè)重于基礎(chǔ)理論與計算?，F(xiàn)有的考核評價方式在學生工程意識方面的體現(xiàn)還不夠，這會使學生對工程意識的培養(yǎng)環(huán)節(jié)缺乏積極性，極大地影響上述教學改革措施的成效。因此，可以首先在平時作業(yè)部分引入一些工程案例的調(diào)研報告或相關(guān)的小論文，一方面引起學生對相關(guān)授課內(nèi)容的重視并調(diào)動起學習的積極性，另一方面輔助課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學生相關(guān)能力。報告或論文可以采用分組完成、集中答辯的形式進行，從而鍛煉學生的團隊合作能力、語言表達能力等。此外，也可以在筆試部分適當引入論述題，對學生分析復雜工程問題的能力進行考查。最后，目前北京市大學生化工原理競賽與全國大學生化工實驗大賽都非常注重對參賽學生解決復雜工程問題的能力、動手能力、團隊協(xié)作能力等的考核，根據(jù)筆者過往的經(jīng)驗，參加過此類競賽的學生普遍反映參賽經(jīng)歷不僅幫助他們夯實了基礎(chǔ)理論知識，更全方位地促進了其設(shè)計、開發(fā)、協(xié)作能力的提高以及視野的開闊。因此，可以鼓勵學生參加此類競賽，并視完成情況減免平時所需完成的課業(yè)任務(wù)，折合部分平時成績，以此提高學生的積極性。

三、結(jié)束語

化工原理課程是連接理論與應(yīng)用的一條紐帶，在工程化教育背景下，承擔著培養(yǎng)學生工程意識與工程實踐能力的任務(wù)。本文針對目前化工原理授課方式與內(nèi)容中所存在的不足，從萃取單元操作教學入手，提出了教學方法、教學內(nèi)容以及考核評價方式的改革方式，力圖提高教學水平，完善化工原理的教學內(nèi)容，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、能夠從事工程設(shè)計與科學研究、具有團隊意識與社會責任感的化工專業(yè)技術(shù)人才。

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The Study and Practice of Extraction Teaching in the Course of Principle of Chemical Engineering under the Background of Engineering Education

LAN Wen-jie

（China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China）

Abstract：Principle of chemical engineering is an applied basic course for chemical engineering and other chemical processing specialties.It is significant for the engineering ability training.In this study，the drawbacks of current course teaching were analyzed.Especially for the extraction chapter，a series of measures were proposed to arouse the students'initiative，consolidate their theoretical foundation and intensify the training of engineering ability.

Key words：Principle of chemical engineering;extraction;engineering education;educational reform

收稿日期：2019-05-24

基金項目：中國石油大學（北京）本科教學工程資助，“化工原理”課程教學方法改革與學生工程素質(zhì)培養(yǎng)，編號2018-119

作者簡介：蘭文杰（1986-），女，副教授，博士。