化工原理課程“生活案例一理論教學(xué)一工程案例”教學(xué)模式研究

葉長(zhǎng)燊　李玲　邱挺

[摘要]未來(lái)化工產(chǎn)業(yè)需要的是工程實(shí)踐能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才，為加強(qiáng)工程實(shí)踐教育，在化工原理課程教學(xué)中構(gòu)筑并實(shí)施“生活案例一理論教學(xué)一工程案例”教學(xué)模式，應(yīng)用引探、類(lèi)比、啟發(fā)等教學(xué)方法將生活案例、理論教學(xué)、工程案例有機(jī)結(jié)合形成三位一體的教學(xué)模式，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化工程實(shí)踐教育、提高學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力和工程知識(shí)的靈活應(yīng)用能力。

[關(guān)鍵詞]化工原理;生活案例;工程案例;教學(xué)模式

[中圖分類(lèi)號(hào)]G642[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]2095-3437（2019）11-0085-03

化工原理課程的中心任務(wù)是向?qū)W生傳授化工單元操作的基本原理、單元操作設(shè)備結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法等理論知識(shí)，然而化工原理作為一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，其來(lái)自于實(shí)踐又應(yīng)用于實(shí)踐，書(shū)本知識(shí)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)并非直接的工程經(jīng)驗(yàn)。因此，化工原理課程的教學(xué)應(yīng)當(dāng)特別注意理論聯(lián)系實(shí)際。案例教學(xué)[1-4]是理論聯(lián)系實(shí)際的一種有效手段，更是一種巧妙的教學(xué)藝術(shù)，恰到好處的案例是幫助學(xué)生理解知識(shí)、啟發(fā)思維、激發(fā)興趣的“催化劑”。

一、“生活案例一理論教學(xué)一工程案例”教學(xué)模式

化工原理是化學(xué)工程與工藝、過(guò)程裝備與控制、化工制藥、環(huán)境科學(xué)與工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的工程性與實(shí)踐性特點(diǎn)。它既是基礎(chǔ)課與專(zhuān)業(yè)課的紐帶，又是理論與實(shí)踐的橋梁，是培養(yǎng)學(xué)生工程能力的重要課程。但是，化工原理課程涉及的單元操作類(lèi)型多、影響因素千差萬(wàn)別，單元設(shè)備結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)計(jì)算方法復(fù)雜多樣，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍反映課程難度較大。著名心理學(xué)家皮亞杰指出“所有智力方面的工作都需要依賴(lài)于興趣”，可見(jiàn)，興趣在學(xué)習(xí)過(guò)程中具有積極的作用。如圖l所示，在各單元操作理論教學(xué)開(kāi)始之前，采用鳳頭式教學(xué)方法引入生活案例并提出問(wèn)題，以此吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的探知欲望，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展課堂理論教學(xué);通過(guò)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生自然而然地發(fā)現(xiàn)生活案例中的本質(zhì)原理，從而加深對(duì)理論知識(shí)的掌握;最后再通過(guò)工程案例的豹尾式教學(xué)，使學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)能夠與工程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，提高理論知識(shí)在分析解決工程實(shí)際問(wèn)題中應(yīng)用的能力。如此開(kāi)展“生活案例一理論教學(xué)一工程案例”課堂教學(xué)實(shí)踐，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)掌握理論知識(shí)、培養(yǎng)工程能力的目的，構(gòu)筑從理論知識(shí)通往工程能力的橋梁。

二、“生活案例一理論教學(xué)一工程案例”教學(xué)案例

（一）流體流動(dòng)教學(xué)案例

鳳頭式教學(xué)導(dǎo)人生活案例：課堂中有一個(gè)漂亮、吸引人的開(kāi)始，既能吸引學(xué)生的注意力，又可激發(fā)其求知欲。在分支管路的教學(xué)中用生活案例導(dǎo)入法設(shè)置如下情境：我們?cè)谑褂米詠?lái)水時(shí)會(huì)遇到如圖2所示的情形，在并聯(lián)兩個(gè)水龍頭的管路中，左側(cè)水龍頭關(guān)閉時(shí)，右側(cè)水龍頭可正常出水，而當(dāng)左側(cè)水龍頭打開(kāi)后，則右側(cè)水龍頭的出口流量突然減小，反之亦然。這現(xiàn)象是什么原因引起的呢？這樣的分支管路是否適合生活和生產(chǎn)需要呢？若要避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，該如何設(shè)計(jì)分支管路呢？

引探式[5]理論教學(xué)：通過(guò)上述生活案例，提出問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生探索分支管路的特性，引出分支管路的學(xué)習(xí)目標(biāo)，在上述問(wèn)題情景下，通過(guò)分支管路結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)等內(nèi)容的教學(xué)，逐漸明確上述問(wèn)題屬于分支管路問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用流體流動(dòng)和分支管路的相關(guān)知識(shí)解釋上述現(xiàn)象。圖2中的兩水龍頭連接于同一主水管，在右側(cè)水龍頭打開(kāi)正常出水情況下打開(kāi)左側(cè)水龍頭，此時(shí)主管中的水將有一部分流入左側(cè)分支管路，若右側(cè)管路中水的流量不變，則主管中水的流量與左側(cè)水龍頭打開(kāi)之前相比必然增大，所以主管流動(dòng)阻力增大，在主管進(jìn)入分支管路的節(jié)點(diǎn)上的機(jī)械能將下降，而水龍頭出口的機(jī)械能不變，導(dǎo)致分支管路中上下游的機(jī)械能差下降，從而使其流量下降。

豹尾式教學(xué)分析工程案例：在分支管路理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用工程案例強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，同時(shí)建立理論與工程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系的橋梁，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。如圖3所示的居民樓供水分支管路系統(tǒng)，當(dāng)分支管路2上的閥門(mén)開(kāi)大后，對(duì)支路1的流量會(huì)有什么影響呢？為避免各支路間的相互影響，該供水分支管路系統(tǒng)該如何設(shè)計(jì)？

根據(jù)圖3分支管路分別在0截面至2截面、0截面至N截面和N截面至1截面間列伯努利方程可得：

當(dāng)支路2上的閥門(mén)開(kāi)大時(shí)，局部阻力∑leN2減小，由式（1）可知μO(píng)N、μN(yùn)2增大;由式（2）可知分支管路節(jié)點(diǎn)N處壓力pN下降，根據(jù)式（3）可知pN下降將導(dǎo)致μN(yùn)1減小，所以出現(xiàn)開(kāi)大支路2閥門(mén)時(shí)，支路1流量下降的現(xiàn)象。根據(jù)上述分析，支路1流量的變化根源是分支點(diǎn)壓力pN的變化，因此，要避免該現(xiàn)象的出現(xiàn)，要盡可能減小pN的變化。但支路2閥門(mén)開(kāi)大后，μO(píng)N的變化不可避免，根據(jù)式（2）可知在μO(píng)N變化的情況下，若pN的變化足夠小，則不會(huì)引起支路l流速N1μ的變化，通過(guò)式（2）和式（3）分析，當(dāng)較小，而較大時(shí)，支路2閥門(mén)開(kāi)度的變化對(duì)pN的影響很小，從而對(duì)支路l的流量也未能產(chǎn)生明顯的影響。很明顯這種管路的主管路阻力較小，而支管阻力較大。居民樓供水管路應(yīng)具備該特點(diǎn)，方能避免各支路之間的相互影響。由此，學(xué)生能確立正確的管路工程設(shè)計(jì)原則與方法。

（二）機(jī)械分離教學(xué)案例

鳳頭式教學(xué)導(dǎo)人生活案例：豆腐的手工制作包括“大豆挑選、浸泡、磨漿、濾渣、煮漿、點(diǎn)鹵（石膏懸浮液）、壓榨成型”等過(guò)程。如圖4所示，其中濾渣過(guò)程中將一塊濾布用兩十字交叉的木條或竹條支撐形成容器，研磨后的粗豆?jié){置于其中，通過(guò)不斷的搖晃和濾布孔隙的作用使粗豆?jié){中的豆渣截留于濾布上，粗豆?jié){中液體部分則通過(guò)濾布，使制作的豆腐口感更加細(xì)膩;過(guò)濾后的豆?jié){經(jīng)過(guò)點(diǎn)鹵后產(chǎn)生絮凝沉淀，豆?jié){逐漸稀稠起來(lái)，形成糊狀或塊狀的豆腐花;將此豆腐花裝在一定的模具中進(jìn)行壓榨，脫除多余的水分，成型為塊狀豆腐。通過(guò)豆腐的制作過(guò)程，提出其中的過(guò)濾、壓榨單元操作，并設(shè)置“豆?jié){過(guò)濾過(guò)程中如何提高過(guò)濾速度？”“如何制作老豆腐和嫩豆腐？”等問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思考。

類(lèi)比式[6]理論教學(xué)：過(guò)濾單元操作是利用過(guò)濾介質(zhì)在一定的推動(dòng)力如壓力作用下，使懸浮液中的固體顆粒截留于過(guò)濾介質(zhì)表面，而液體由過(guò)濾介質(zhì)的孔道穿過(guò)得到不含固體顆粒的澄清濾液，從而實(shí)現(xiàn)懸浮液中固液的分離。在過(guò)濾過(guò)程中，固體顆粒在過(guò)濾介質(zhì)表面不斷累積形成濾餅，使得過(guò)濾阻力增大，過(guò)濾速率隨過(guò)濾時(shí)間逐漸下降。因此，濾餅是過(guò)濾過(guò)程主要的過(guò)濾阻力，要提高過(guò)濾速率，根本方法是要減小濾餅的厚度或減緩濾餅的形成。而濾餅是由固體顆粒堆積而成，具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)，具有可壓縮性，當(dāng)過(guò)濾推動(dòng)力增大時(shí)，固體顆粒在曳力作用下，顆粒堆積更加緊密以及顆粒變形導(dǎo)致濾餅孔道縮小，孔隙率降低，過(guò)濾阻力增大，過(guò)濾得到的濾餅含水量降低。上述過(guò)濾單元操作與豆腐制作過(guò)程中的濾渣、成型等過(guò)程極其相似，十分有利于兩者進(jìn)行對(duì)比教學(xué)，將豆腐的制作過(guò)程與過(guò)濾單元操作從概念、原理、強(qiáng)化等各方面進(jìn)行類(lèi)比，能更形象地向?qū)W生展示過(guò)濾單元操作過(guò)程。大豆經(jīng)過(guò)浸泡磨漿后得到含有細(xì)小固體顆粒的粗豆?jié){，其性狀與懸浮液類(lèi)似，將此懸浮液置于上述濾布和十字竹條所形成的容器中，在豆?jié){自身重力推動(dòng)作用下，液體通過(guò)濾布獲得不含固體顆粒的豆?jié){，而截留于濾布表面的豆渣形成濾餅或?yàn)V渣。在豆渣過(guò)濾過(guò)程中，還需不斷順時(shí)針和逆時(shí)針交替旋轉(zhuǎn)兜著豆?jié){的濾布，其目的在于過(guò)濾過(guò)程中豆渣會(huì)在濾布表面形成濾餅而增加過(guò)濾阻力。通過(guò)這種旋轉(zhuǎn)讓豆?jié){懸浮液能夠流動(dòng)起來(lái)，減緩濾布表面濾餅的形成，降低濾餅厚度，從而提高過(guò)濾速率，這也就是動(dòng)態(tài)過(guò)濾的雛形。

豹尾式教學(xué)分析工程案例：通過(guò)以上對(duì)過(guò)濾單元操作過(guò)程的理論學(xué)習(xí)，可知濾餅是過(guò)濾過(guò)程的主要阻力，改善濾餅結(jié)構(gòu)或降低濾餅層厚度是提高過(guò)濾速率的主要方法。由此引入工程案例——青霉素發(fā)酵液預(yù)處理。青霉素是青霉菌培養(yǎng)液中提制的一種能破壞細(xì)菌細(xì)胞壁并在細(xì)菌細(xì)胞繁殖期起殺菌作用的一類(lèi)抗生素，工業(yè)上多采用溶媒萃取法從發(fā)酵液中提取。然而發(fā)酵液中存在大量的菌絲、菌體代謝物、剩余培養(yǎng)基等，故在離子交換前必須過(guò)濾去除發(fā)酵液中的固體雜質(zhì)。這些物質(zhì)在過(guò)濾過(guò)程中形成的濾餅孔隙率小、可壓縮性強(qiáng)，導(dǎo)致過(guò)濾阻力大、過(guò)濾速率下降明顯，過(guò)濾操作困難。根據(jù)上述對(duì)比學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生將生活案例和理論學(xué)習(xí)中掌握的知識(shí)應(yīng)用于解決工程實(shí)際問(wèn)題。在豆?jié){中添加鹵水使豆?jié){絮凝成豆腐花促進(jìn)壓榨成型，與之類(lèi)似，在青霉素發(fā)酵液中亦可添加有機(jī)或無(wú)機(jī)絮凝劑使菌絲、菌體代謝物等物質(zhì)絮凝沉淀，促進(jìn)這些固體雜質(zhì)形成大顆粒提高由其堆積而成的濾餅的孔隙率，從而提高過(guò)濾速率。另外，與豆?jié){過(guò)濾過(guò)程類(lèi)似，不斷搖晃濾布減緩濾餅表面豆渣的堆積，降低過(guò)濾濾餅阻力。對(duì)青霉素發(fā)酵液過(guò)濾也可采取同樣的方法提高過(guò)濾速率，但是在工業(yè)應(yīng)用中，不可能使濾布進(jìn)行周期性運(yùn)動(dòng)，那么如何降低濾布表面濾餅的形成速度呢？能否采用機(jī)械方法將濾布表面形成的濾餅刮除呢？由此可激發(fā)學(xué)生聯(lián)想到利用攪拌槳葉在靠近濾布表面處進(jìn)行攪拌，即可阻止濾餅的形成，達(dá)到提高過(guò)濾速率的目的，從而掌握動(dòng)態(tài)過(guò)濾這一過(guò)濾強(qiáng)化技術(shù)。

（三）傳熱教學(xué)案例

鳳頭式教學(xué)導(dǎo)人生活案例：柴火灶是利用曬干后的木柴或者植物秸稈作為燃料，加熱鑄鐵鍋煮飯燒菜。由于灶內(nèi)空間有限，木柴或秸稈等物質(zhì)燃燒不完全而產(chǎn)生積碳，長(zhǎng)期使用會(huì)在鐵鍋底部黏附一層厚厚的鍋灰。它的存在會(huì)導(dǎo)致煮飯燒菜時(shí)食物煮熟的時(shí)間變長(zhǎng)，影響食物的口感，同時(shí)也使煮飯燒菜比較廢柴，即燒煮同樣的食物需要更多的木柴。因此，鐵鍋經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，都要將其取出倒扣于地上，使用工具將鍋底厚厚的鍋灰清除干凈。

啟發(fā)式[7]理論教學(xué)：根據(jù)上述對(duì)柴火灶和鐵鍋的使用和維護(hù)過(guò)程可見(jiàn)，鐵鍋在使用過(guò)程中，一側(cè)是需要燒煮食物的加熱過(guò)程，另一側(cè)則是木柴或秸稈等可燃物的燃燒過(guò)程，它們通過(guò)鐵鍋壁面進(jìn)行傳熱，鍋壁面為金屬材質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)大、導(dǎo)熱阻力很小，其傳熱阻力則主要集中于鍋底灰。所以，長(zhǎng)時(shí)間使用的鐵鍋在鍋底形成厚厚的鍋灰，降低了傳熱效率。此時(shí)清除鍋底灰是提高鐵鍋加熱食物速率最主要的方法。由此，應(yīng)用啟發(fā)式教學(xué)方法，在傳熱單元操作知識(shí)的講授過(guò)程中，啟發(fā)學(xué)生掌握間壁兩側(cè)流體的傳熱過(guò)程的傳熱阻力構(gòu)成及其主要傳熱阻力、強(qiáng)化傳熱的主要措施、傳熱面除垢方法等知識(shí)點(diǎn)。

豹尾式教學(xué)分析工程案例：PTA生產(chǎn)過(guò)程中排放大量的精制廢水，其中含有TA酸等有機(jī)物，回收這些有機(jī)物不僅可實(shí)現(xiàn)廢水的資源化利用，而且降低了廢水生化處理的負(fù)荷。因此，在工業(yè)上應(yīng)用PTA的生產(chǎn)原料PX對(duì)精制廢水進(jìn)行萃取可以回收其中的有機(jī)物，由于精制廢水的溫度較高，故在萃取之前需要冷卻器對(duì)廢水進(jìn)行降溫。然而，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，換熱器的壓力降逐漸增大，在同樣的冷卻介質(zhì)流量和溫度下，冷卻器出口精制廢水的溫度居高不下，無(wú)法達(dá)到工藝要求。那么這是什么原因呢？在了解上述生活案例和掌握傳熱相關(guān)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，很容易使學(xué)生獲得啟發(fā)，該冷卻器在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，廢水中的TA等有機(jī)物由于溶解度低而在傳熱面上析出結(jié)晶形成污垢，一方面造成傳熱管流動(dòng)截面縮小，流動(dòng)阻力增大;另一方面，這些結(jié)晶在傳熱面上形成污垢，增加了傳熱阻力，使精制廢水無(wú)法冷卻至工藝要求。確定了關(guān)鍵問(wèn)題所在，也就可以對(duì)癥下藥，根據(jù)理論課上所學(xué)的溶劑、酸、堿化學(xué)清洗，高壓水力清洗，鋼絲刷機(jī)械清洗等除垢方法，結(jié)合PTA廢水冷卻器污垢形成的原因，采用堿液對(duì)冷卻器進(jìn)行化學(xué)清洗，PTA生產(chǎn)企業(yè)也大都采用了該清洗方法。

三、結(jié)束語(yǔ)

與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，工程問(wèn)題涉及數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，涉及面廣而復(fù)雜，在教學(xué)中應(yīng)用引探、類(lèi)比、啟發(fā)、示錯(cuò)等教學(xué)方法將生活案例、理論教學(xué)、工程案例有機(jī)結(jié)合形成三位一體的教學(xué)模式，不僅可活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更重要的是通過(guò)“生活案例一理論教學(xué)一工程案例”教學(xué)模式的實(shí)施，可使學(xué)生將生活、理論、工程聯(lián)系起來(lái)，從生活實(shí)例中啟發(fā)思維，從中提取理論本質(zhì)，并將理論知識(shí)直接應(yīng)用于解決工程實(shí)際問(wèn)題，明顯提高學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 賈紹義，夏清，吳松海，姜峰.工程案例教學(xué)法在化工原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].化工高等教育，2010（3）：78-81.

[2]王立軒，王玥，李鵬.化工原理案例教學(xué)與畢業(yè)設(shè)計(jì)的互補(bǔ)作用[J].化工高等教育，2017（1）：91-93.

[3]李寒梅.案例教學(xué)在教師教育課堂教學(xué)中的觀察與啟示[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2013（6）：70-72.

[4]李友根.論基于案例研究的案例教學(xué)[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2015（3）：47-50.

[5]葉長(zhǎng)粢，阮奇，林述英.化工原理研究型實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)實(shí)踐[J].化工高等教育，2006（3）：50-52.

[6]秦正龍.化工原理課程中多種教學(xué)方法的運(yùn)用[J].高教學(xué)刊，2017（8）：95-96.

[7]張燕青，楊世芳，魯?shù)缕?，何培?啟發(fā)討論和互動(dòng)式教學(xué)法在化工原理教學(xué)中的探討[J].化工高等教育，2011（4）：93-96.

[責(zé)任編輯：張雷]