“化工原理”課程教學(xué)的認(rèn)知與實(shí)踐

劉建周 孟獻(xiàn)梁 李 曉 江曉鳳

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著煤化工和石油化工大規(guī)?；l(fā)展及多種化學(xué)品生產(chǎn)工藝的出現(xiàn)，20世紀(jì)前半葉，化學(xué)工程學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展逐漸走向成熟，并深刻影響著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)，乃至人們的生活。

化學(xué)工程作為工科專業(yè)呈現(xiàn)多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，既以數(shù)、理、化自然學(xué)科為基礎(chǔ)，又與生產(chǎn)實(shí)踐的具體應(yīng)用緊密聯(lián)系。工業(yè)及信息技術(shù)的快速發(fā)展，一方面為化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力和支持，另一方面也提出了更高的要求。對(duì)化工專業(yè)的教育和學(xué)生培養(yǎng)的內(nèi)涵與模式提出了新的課題，需要探索、認(rèn)識(shí)和改革。改變傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)多學(xué)科交叉的多樣性復(fù)合人才成為共識(shí)[1]。改變教學(xué)設(shè)置和教學(xué)方法，融合信息化技術(shù)[2]。微課、翻轉(zhuǎn)課堂、微視頻等教學(xué)形式走進(jìn)課堂，受到廣泛關(guān)注[3,4]。加強(qiáng)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生探索式學(xué)習(xí)的積極性。課程教改研究成果及應(yīng)用促進(jìn)了化工專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的提高。

“化工原理”課程是化工專業(yè)普遍開設(shè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，如何提高教學(xué)效果成為課程教改的重要內(nèi)容。作者結(jié)合“化工原理”課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及教學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究成果，從教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知、教學(xué)方法的實(shí)踐、教學(xué)效果的評(píng)價(jià)及教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成等方面進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。

1 “化工原理”課程的教學(xué)目標(biāo)

“化工原理”課程在化學(xué)基礎(chǔ)課和化工專業(yè)課之間起著承前啟后、由理及工的橋梁作用。該課程主要講述化工單元操作的基本原理，典型設(shè)備的構(gòu)造、性能及工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算方法(或設(shè)備選型)等。培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)化工工藝的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有分析和設(shè)計(jì)化工單元操作的能力，讓學(xué)生在分析和解決有關(guān)化工單元操作問題時(shí)建立起工程觀念、創(chuàng)新思維和敬業(yè)精神，擁有能夠綜合運(yùn)用基本理論開展化工生產(chǎn)和設(shè)計(jì)工作，創(chuàng)新解決復(fù)雜問題的能力。

2 “化工原理”課程教學(xué)的認(rèn)知

化學(xué)、化學(xué)工藝和化學(xué)工程學(xué)科關(guān)聯(lián)緊密，“化工原理”透過(guò)繁雜的化學(xué)工藝過(guò)程將具有共性的操作提煉出來(lái)形成單元操作。依據(jù)物理定律、定理和化學(xué)知識(shí)推導(dǎo)出單元操作過(guò)程所遵循的基本原理，概括為動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞理論，即“三傳”理論。運(yùn)用單元操作的基本原理解決新的化學(xué)工藝的設(shè)計(jì)與計(jì)算問題。

單元操作可以歸為“過(guò)程”及“設(shè)備”兩方面的內(nèi)容。對(duì)“過(guò)程”這一觀點(diǎn)的把握有助于理解單元操作基本原理的推導(dǎo)、形成及應(yīng)用，為教與學(xué)提供一種思維方法。“過(guò)程”可分為3個(gè)層面，一個(gè)隨時(shí)間或空間位置變化的“過(guò)程”可切分為若干個(gè)“狀態(tài)”，每個(gè)“狀態(tài)”由若干個(gè)“參數(shù)”表征，即“過(guò)程-狀態(tài)-參數(shù)”。如穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)過(guò)程的表達(dá)，“過(guò)程”中“狀態(tài)”的參數(shù)隨“位置”和時(shí)間變化的為非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，參數(shù)隨“位置”變化而不隨時(shí)間變化的為穩(wěn)態(tài)過(guò)程。

傳遞“過(guò)程”亦可從兩個(gè)方面理解，一方面是方向與限度，另一方面是“過(guò)程”進(jìn)行的速度。如熱量傳遞從高溫到低溫，質(zhì)量傳遞從高濃度到低濃度。傳遞過(guò)程的速率表示為：速率=推動(dòng)力/阻力，或速率=系數(shù)×推動(dòng)力。一個(gè)“過(guò)程”有起點(diǎn)和終點(diǎn)，傳遞過(guò)程的終點(diǎn)為平衡狀態(tài)，此時(shí)“過(guò)程”的推動(dòng)力為零，傳遞速率也為零。實(shí)際的單元操作過(guò)程難以達(dá)到平衡狀態(tài)，但平衡狀態(tài)可作為推動(dòng)力計(jì)算的參照。

建立在“三傳”理論基礎(chǔ)上，單元操作原理既有統(tǒng)一性又有差別性。單元操作原理的形成有一定的方法可循。單元操作過(guò)程遵循質(zhì)量守恒定理和能量守恒定理，物料衡算和熱量衡算是基本的計(jì)算方法。單元操作“過(guò)程”的速率關(guān)系和平衡關(guān)系是設(shè)備設(shè)計(jì)及過(guò)程參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)。其中以速率的計(jì)算為解決單元操作問題的切入點(diǎn)，如沉降、過(guò)濾、吸收和干燥速率等。

由于單元操作過(guò)程的影響因素復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型法和因次分析法是常用的方法，在特定的條件下得出相應(yīng)的計(jì)算式。由此造成普遍的看法是“化工原理”課程公式多，抽象難理解，學(xué)習(xí)難度大。從應(yīng)用的角度看，在繁多的計(jì)算式中作出正確選擇和計(jì)算相關(guān)參數(shù)時(shí)，需要對(duì)單元操作基本原理有清晰的認(rèn)識(shí)?！皩W(xué)會(huì)”單元操作的基本原理，有利于厘清計(jì)算式的應(yīng)用對(duì)象、前提和條件。“學(xué)會(huì)”基本原理形成的過(guò)程，以及單元操作復(fù)雜問題的研究方法，結(jié)合單元操作的特點(diǎn)形成系統(tǒng)化的理論知識(shí)，可使被動(dòng)地“學(xué)會(huì)”記憶轉(zhuǎn)變?yōu)檎_靈活地解決復(fù)雜化工問題的能力。

3 “化工原理”課程教學(xué)方法的探索與實(shí)踐

課堂教學(xué)仍是目前常用的教學(xué)形式，如何講解課程內(nèi)容，促成更高的學(xué)習(xí)效率，加強(qiáng)課程群之間的相互聯(lián)系，是課程教學(xué)過(guò)程中需要探索和實(shí)踐的問題?！盎ぴ怼闭n程內(nèi)容已具有了成熟的理論與應(yīng)用體系，課程體系中設(shè)置的“化工原理”課程設(shè)計(jì)、化工原理實(shí)驗(yàn)或化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，以及畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所組成的課程群加強(qiáng)了理論與實(shí)踐的結(jié)合。課程內(nèi)容的教學(xué)順序遵循由點(diǎn)到線，由線到面，達(dá)成點(diǎn)-線-面的融會(huì)貫通，力求使學(xué)習(xí)的知識(shí)體系化。知識(shí)點(diǎn)往往是課程內(nèi)容講解的切入點(diǎn)，包括基本概念、基本原理、模型建立與應(yīng)用，及求解過(guò)程參數(shù)的基本方法。預(yù)習(xí)-課堂講解-作業(yè)是學(xué)生學(xué)習(xí)的常見過(guò)程。教材作為主要參考書，在教材內(nèi)容的引導(dǎo)下，將知識(shí)點(diǎn)融入過(guò)程原理中提出預(yù)習(xí)內(nèi)容。課后作業(yè)包括習(xí)題、單元操作設(shè)計(jì)、專門問題研討，并提交作業(yè)、報(bào)告和設(shè)計(jì)說(shuō)明書。課堂講解時(shí)將課后練習(xí)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題穿插在課程內(nèi)容中，避免學(xué)生出現(xiàn)重復(fù)性錯(cuò)誤和認(rèn)知誤區(qū)。清晰認(rèn)識(shí)概念，正確掌握基本原理，正確應(yīng)用解決問題的方法，奠定認(rèn)識(shí)單元操作現(xiàn)象和解決工藝設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜問題的基礎(chǔ)。

工程觀念的培養(yǎng)與形成是課程教學(xué)的關(guān)注點(diǎn)，符合工程教育目標(biāo)。如誤差的概念，應(yīng)用理論模型模擬實(shí)際過(guò)程時(shí)，計(jì)算結(jié)果不可避免地存在誤差，但工程的模擬計(jì)算應(yīng)符合誤差要求。如計(jì)算精餾塔板數(shù)的一般方法是在理論塔板數(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合塔板效率得出，初算所用的多是常壓條件下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如平衡數(shù)據(jù)和物性參數(shù)等。對(duì)于塔板數(shù)較多的情況，尤其是塔釜內(nèi)的溫度和壓強(qiáng)較高時(shí)，計(jì)算數(shù)值與實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大誤差，需要加以核算以符合誤差要求。又如管徑的計(jì)算，須結(jié)合國(guó)標(biāo)及市售的管徑規(guī)格對(duì)所計(jì)算的管徑進(jìn)行調(diào)整，并核算管內(nèi)流速。再如管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要求設(shè)計(jì)者針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行方案比較，在工藝計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保等因素優(yōu)化方案。如換熱器設(shè)計(jì)中結(jié)合我國(guó)地域特點(diǎn)，合理選擇換熱介質(zhì)出口溫度，合理利用水資源。類似的諸多設(shè)計(jì)計(jì)算中，在綜合應(yīng)用單元操作完成具體的工藝設(shè)計(jì)時(shí)，工藝的優(yōu)化、設(shè)備的選擇、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的要求等都是工程概念的內(nèi)容。

“化工原理實(shí)驗(yàn)”“化工原理課程設(shè)計(jì)”乃至畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)與“化工原理”課程的內(nèi)容緊密關(guān)聯(lián)，也是課程教學(xué)反饋問題的渠道。通過(guò)反饋的問題，進(jìn)一步研究課程教學(xué)改進(jìn)的措施。如測(cè)定傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)，為什么選擇采用蒸汽加熱空氣的傳熱體系？實(shí)驗(yàn)裝置如何建立？實(shí)驗(yàn)包含了哪些單元操作和設(shè)備？如何正確操作設(shè)備？因次分析法的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)原理的擬定、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的取得與處理方法、對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的溫度波動(dòng)問題的分析和解決，都涉及傳熱單元操作基本原理與實(shí)驗(yàn)研究方法的應(yīng)用，是綜合運(yùn)用基本理論知識(shí)解決實(shí)際問題的訓(xùn)練。課程群的相互支持對(duì)提高“化工原理”課程教學(xué)效果起到了不可或缺的作用。

學(xué)生分組研論是一種有效的學(xué)習(xí)形式，在討論中發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)中的誤區(qū)，鞏固基礎(chǔ)知識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如精餾塔操作中塔頂采用全凝器回流，有學(xué)生提出了問題，“塔頂回流液與第一塊板上升蒸汽之間傳遞的推動(dòng)力是什么？”，尋找答案就需要理解傳熱和傳質(zhì)過(guò)程的推動(dòng)力，即對(duì)精餾基本原理、溫度組成圖或t-x-y圖的理解和應(yīng)用。通過(guò)布置單元操作設(shè)計(jì)型作業(yè)(如結(jié)合管道輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、固液分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì))，將課程理論教學(xué)應(yīng)用于實(shí)際，從中進(jìn)一步扎實(shí)理論基礎(chǔ)，明確理論應(yīng)用于實(shí)際的方法和途徑。再結(jié)合市場(chǎng)及技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算工具和計(jì)算軟件輔助解決設(shè)計(jì)計(jì)算問題，消除學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)時(shí)的茫然感覺，增加解決實(shí)際問題的興趣和成就感。

對(duì)課程內(nèi)容系統(tǒng)化的總結(jié)是一個(gè)“點(diǎn)-線-面”融合的有效形式。每個(gè)單元操作的內(nèi)容都有核心點(diǎn)，以此展開可將基本的知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。如“流體流動(dòng)”一章可以伯努利方程為核心，將連續(xù)性方法、靜力學(xué)方程、流動(dòng)類型及流動(dòng)阻力計(jì)算、流量測(cè)量等內(nèi)容關(guān)聯(lián)起來(lái)。

4 “化工原理”課程教學(xué)效果的檢驗(yàn)與反饋

課程考核不僅考核學(xué)生掌握和應(yīng)用知識(shí)的情況，也用來(lái)檢驗(yàn)教學(xué)的效果。采用平時(shí)成績(jī)和考試成績(jī)相結(jié)合的方式，考核學(xué)生掌握和應(yīng)用單元操作基本原理分析化工生產(chǎn)過(guò)程中常見問題并提出解決方案的能力。總結(jié)考核的情況與成績(jī)分布，反饋改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和方法，圍繞教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成和教學(xué)質(zhì)量的提高采取改進(jìn)措施。課程達(dá)成的目標(biāo)要求是：(1)能夠獲得判別和解決化工問題的優(yōu)化途徑及方案，利用化工工藝及單元操作過(guò)程中的相應(yīng)條件對(duì)模型進(jìn)行求解；(2)能夠從一個(gè)復(fù)雜化工生產(chǎn)系統(tǒng)中識(shí)別和表達(dá)出所包含的主要單元操作過(guò)程，并能夠通過(guò)分析從中判別出關(guān)鍵的單元操作環(huán)節(jié)并獲取相應(yīng)的工藝參數(shù)；(3)能夠根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)相應(yīng)的單元操作和設(shè)備進(jìn)行工藝計(jì)算、設(shè)備計(jì)算和選型，為解決化工生產(chǎn)過(guò)程中復(fù)雜工程問題提供基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

“化工原理”課程對(duì)化工新型工科人才的培養(yǎng)具有重要支撐作用，對(duì)奠定學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力有著重要的影響。在新的教學(xué)手段的支持下，教師應(yīng)該探索課程教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)模式，改革考核方法，反饋并改進(jìn)教學(xué)過(guò)程，更好地適應(yīng)快速發(fā)展的新形勢(shì)對(duì)人才培養(yǎng)的需求，使學(xué)生在知識(shí)與技能、創(chuàng)新思維和工程應(yīng)用等方面具有良好的素質(zhì)。教師在教學(xué)過(guò)程中融入社會(huì)責(zé)任感和工匠精神，培養(yǎng)愛國(guó)愛崗、高素質(zhì)的化工建設(shè)與發(fā)展的人才[5]。

教學(xué)過(guò)程中教師需注重加強(qiáng)科學(xué)思維的培養(yǎng)，以辯證和哲學(xué)的觀點(diǎn)指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)課程內(nèi)容。如“透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)”，幫助學(xué)生理解課程內(nèi)容間的本質(zhì)聯(lián)系，了解化工“過(guò)程”基本規(guī)律的研究及描述方法。對(duì)于復(fù)雜化工過(guò)程的分析，區(qū)分主次影響因素，抓住解決問題的主要矛盾。引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際， 樹立“實(shí)踐-理論-實(shí)踐”，或“工藝-原理-工藝”的觀點(diǎn)，認(rèn)識(shí)到單元操作基本原理和理論來(lái)源于實(shí)際工藝中的共性問題，形成的理論又應(yīng)用于新的工藝實(shí)踐，并在實(shí)踐中得到應(yīng)用和修正。