《化工原理》課程啟發(fā)性教學(xué)方法改革*
——以蒸餾為例

毛恒洋，章智潔，嚴(yán)玉波，陳獻(xiàn)富，李梅生，周守勇**

(1.淮陰師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 淮安 223300; 2.南京工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 南京 211816)

化工原理是化工類專業(yè)的重要基礎(chǔ)性課程，該課程以各單元操作為主要內(nèi)容，通過綜合運用數(shù)學(xué)、化學(xué)和物理等基礎(chǔ)理論知識來闡述單元操作的基本原理，進(jìn)而計算及設(shè)計各單元操作對應(yīng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸及工藝參數(shù)，并指導(dǎo)整個化工過程的設(shè)備選型和操作優(yōu)化。化工原理課程的特點在于涉及到的理論多，有較多的新概念，單元操作關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)設(shè)備種類多，系統(tǒng)性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實用性和工程性[1-2]。并且計算過程中應(yīng)用大量的經(jīng)驗及半經(jīng)驗公式，計算步驟復(fù)雜且計算量較大，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程中缺乏對化工過程和設(shè)備的感性認(rèn)識，難以有效掌握并厘清其中各物理量的含義及關(guān)聯(lián)性，從而產(chǎn)生抵觸情緒，學(xué)習(xí)興趣不高。因此，如何帶動學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理的積極性，改變學(xué)生由被動接受轉(zhuǎn)向為主動學(xué)習(xí)，是提高化工原理教學(xué)效果的關(guān)鍵[3]。近年來，我校鼓勵教師教學(xué)改革，包括以微課競賽的形式促進(jìn)教師教學(xué)質(zhì)量及教學(xué)課件的提升。本文基于化工原理課程教學(xué)中存在的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，結(jié)合作者對化工原理蒸餾課程微課的思考與實踐，將更易引起學(xué)生們興趣的生活案例及典故引入到課堂中，以拓寬課堂教學(xué)的廣度，豐富教學(xué)內(nèi)容的趣味性，期望激發(fā)學(xué)生們主動學(xué)習(xí)的熱情。

1 化工原理課程教學(xué)存在的挑戰(zhàn)

化工原理課程是在眾多基礎(chǔ)理論課程之后開設(shè)的化工專業(yè)課，學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程中需要靈活運用先前所學(xué)的理論知識，包括高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、大學(xué)物理等相關(guān)內(nèi)容。課程每個章節(jié)介紹不同典型單元操作，各單元操作之間均可以通過三傳一反的原理進(jìn)行剖析。然而，由于化工原理工程性強(qiáng)，所包含的公式多且復(fù)雜，在教學(xué)過程中不乏半經(jīng)驗半理論公式，其推導(dǎo)過程不僅對學(xué)生的基本理論知識有較高的要求，同時部分知識點是由工程實踐經(jīng)驗總結(jié)得到的，也對學(xué)生的接受能力提出較大要求。并且在大多數(shù)公式的介紹過程中會涉及到一些模型，容易使學(xué)生感覺抽象枯燥。其次，這門課程一般設(shè)置在大二開始，該階段的學(xué)生往往習(xí)慣純理論知識的學(xué)習(xí)，欠缺工程實踐經(jīng)驗，學(xué)生們沒有進(jìn)入過化工廠生產(chǎn)線，沒有見過種類繁多的塔、釜、罐、化工管路等設(shè)備，通過教師單方面的講解，難以形成深刻印象，久而久之學(xué)生的興趣會明顯下降，最終導(dǎo)致課堂學(xué)習(xí)效率低下。除了課程內(nèi)容難度大，學(xué)生知識儲備欠缺外，教師的教學(xué)方法對學(xué)生的學(xué)習(xí)效率也起著重要影響?，F(xiàn)在大多數(shù)教學(xué)使用多媒體，在化工原理課程講解過程中，當(dāng)涉及到經(jīng)驗公式相關(guān)的數(shù)學(xué)建模及公式推導(dǎo)時，由于相關(guān)內(nèi)容難點多，知識點密集，教師單方面的介紹公式難以引起學(xué)生們的共鳴，極易導(dǎo)致課堂沉悶，對課堂教學(xué)效果提出了極大地挑戰(zhàn)[4]。

2 啟發(fā)性教學(xué)對提高課堂質(zhì)量的重要意義

課堂教學(xué)的受眾是學(xué)生，要提高課堂質(zhì)量必須要學(xué)生的主動參與。要帶動學(xué)生的積極性，就需要教師多打磨課件，從學(xué)生的興趣點著手針對課堂內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計。激發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)化工原理課程知識的興趣，是提高教學(xué)效果的有效方法。高校教師在授課過程中更應(yīng)偏向?qū)W(xué)生思維的引導(dǎo)和啟迪，廣泛借鑒先進(jìn)的教學(xué)方法和手段，挖掘?qū)W生內(nèi)心深處對探求真理的渴望，促使他們自發(fā)的預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)和鞏固，并能以化工原理課程學(xué)習(xí)的成功經(jīng)驗推廣到其它化工專業(yè)課的學(xué)習(xí)，最終達(dá)到高校教書育人的目的。

在高校教學(xué)中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以提高課堂教學(xué)質(zhì)量已經(jīng)成為了眾多教師的共識，而如何能夠真正達(dá)到這一效果仍有待積極探索與實踐[5-7]。作者曾對化工專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行過調(diào)查，學(xué)生們認(rèn)為學(xué)習(xí)化工原理興趣不高的主要原因除了課程本身具有難度以外，還包括課程的背景導(dǎo)入與學(xué)生現(xiàn)實生活及對未來的發(fā)展規(guī)劃相去較遠(yuǎn)，常規(guī)教學(xué)形式在學(xué)生心中留下的印象比較模糊，在應(yīng)付完考試后極易被遺忘等。因此，在化工原理課件設(shè)計時需要提高教學(xué)的趣味性，以學(xué)生感興趣、有共鳴的切入點著手開啟課程內(nèi)容講解。許多高校教師對化工原理課程啟發(fā)性教學(xué)方法進(jìn)行了有益的探索，提出將生活案例或文藝作品與教學(xué)設(shè)計相結(jié)合[8-9]。通過這一方法，既可以使得學(xué)生認(rèn)為課程內(nèi)容與生活息息相關(guān)，又可以加深學(xué)生對相關(guān)知識點的理解與印象，有效地調(diào)動了學(xué)生的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散性思維和實踐能力。

3 啟發(fā)性教學(xué)在蒸餾課程微課教學(xué)中的應(yīng)用實踐

作者對化工原理啟發(fā)性教學(xué)開展了探索與嘗試。以微課的形式，在天津大學(xué)版化工原理第九章蒸餾課程教學(xué)中嘗試融入相關(guān)的生活案例及文學(xué)作品，取得了一定的效果。課程教學(xué)內(nèi)容具體如下：

3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)對比

蒸餾是最早實現(xiàn)工業(yè)化的典型單元操作，通過加熱液體混合物形成氣液兩相，利用揮發(fā)度的差異實現(xiàn)混合物的分離。將混合物經(jīng)過多級蒸餾，可以實現(xiàn)精餾操作。而在給學(xué)生們講解精餾塔時，由于對塔內(nèi)部組成缺乏直觀認(rèn)識，在涉及到過程分析和計算時學(xué)生往往難以理解塔內(nèi)各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性。在日常生活中，有個設(shè)備的結(jié)構(gòu)和精餾塔較為相似，并且使用過程中也需要采用底部加熱的形式來運行，這就是蒸籠。所以，作者將微課命名為“從廚房塔設(shè)備到化工精餾塔”，將蒸籠形容為廚房塔設(shè)備，再與精餾塔相關(guān)聯(lián)，以此來引起學(xué)生們的好奇心，并使他們意識到，這一章的內(nèi)容與日常生活可能也是有關(guān)聯(lián)的，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

在教學(xué)背景導(dǎo)入時，教師首先介紹蒸籠的由來、功能及結(jié)構(gòu)特點，這些是學(xué)生們比較熟悉的。蒸籠是由一層層的籠屜組成的，加熱底部的水分產(chǎn)生水蒸氣，可以烹飪食物。通過這個介紹，學(xué)生們基本會聯(lián)想到，蒸籠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一層一層的竹板，水蒸氣從底部向上移動穿透竹板進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱。此時，再講到在化工生產(chǎn)中，也會采用一種和蒸籠結(jié)構(gòu)頗為類似的塔設(shè)備，就是精餾塔，從而過渡到教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合精餾塔的外觀結(jié)構(gòu)，學(xué)生們對其內(nèi)部構(gòu)造已經(jīng)有了初步的印象。進(jìn)而，這一課程的內(nèi)容就可以通過對照分析的方法，從學(xué)生們已經(jīng)較為熟悉的蒸籠入手，展開對精餾塔的介紹。

3.2 過程傳質(zhì)對比

化工原理蒸餾中涉及液相混合物的分離，微課從傳質(zhì)和傳熱兩個角度對蒸籠和精餾塔進(jìn)行對比介紹。首先給學(xué)生們介紹蒸籠，蒸籠是傳熱設(shè)備，對食品的烹飪是通過水蒸氣的傳熱來完成的，所以從傳質(zhì)角度而言可以認(rèn)為在蒸籠中不同位置的氣體組成均為水蒸氣。接下來，可以通過和蒸籠對照來分析精餾塔，精餾塔是一種分離設(shè)備，它在二十世紀(jì)二十年代開始應(yīng)用于煉油工業(yè)，它的發(fā)展對化學(xué)工程起到了重大的推動作用。其中，蒸餾技術(shù)是最典型、最重要的物質(zhì)分離過程，占化工廠建設(shè)投資的70%左右比重，讓同學(xué)們意識到這一章內(nèi)容的重要性。緊接著告訴學(xué)生們，在精餾塔中，不同部位可以采出不同種類的物質(zhì)，塔中組成是隨著位置而改變的。然后設(shè)置疑問，精餾塔中的組成有什么變化規(guī)律呢？讓學(xué)生們進(jìn)行思考和討論，發(fā)揮主觀能動性。

教師不直接告訴學(xué)生答案，而是先例舉兩個例子。蒸餾是初中物理涉及到的知識，通過加熱液體混合物形成揮發(fā)度不同的兩相實現(xiàn)分離。學(xué)生們熟悉的地表水循環(huán)和蒸餾水的制備就是蒸餾技術(shù)的典型案例。在這兩個過程中，海水或鹽水中的水分受熱揮發(fā)，然后冷凝得到純水，而鹽分無法揮發(fā)留在原液相中，實現(xiàn)了鹽和水的分離。因此，很合理的提出在蒸餾過程中需要引入一個參數(shù)來描述物質(zhì)揮發(fā)的難易程度，就是物質(zhì)的相平衡常數(shù)(K)。由于鹽水中鹽分無法揮發(fā)，所以可以換一個組分均可揮發(fā)的雙組份液相體系進(jìn)行分析。以半瓶白酒為例，酒瓶中包括氣液兩相，如果是一瓶體積分?jǐn)?shù)為50%的白酒，則其液相中乙醇的質(zhì)量含量約為44.4%，水質(zhì)量含量為55.6%，兩者比值約為0.8。打開瓶蓋后，可以聞到酒味，說明氣相中也存在乙醇。此時可以設(shè)問，與液相相比，氣相中乙醇和水的含量如何變化？乙醇比水易揮發(fā)屬于生活常識，所以氣相中乙醇含量相對增加，乙醇與水的比值大于0.8，學(xué)生們可以容易的接受這一觀點。此時用相平衡常數(shù)則可以表述為，K乙醇大于K水，因此乙醇在氣相中富集。如此，學(xué)生們對簡單蒸發(fā)過程中難易揮發(fā)組分的分布便有了較為直觀的印象。

精餾是多級蒸餾過程，學(xué)生理解了相平衡常數(shù)及其意義后可以在蒸餾的基礎(chǔ)上進(jìn)一步講解精餾過程。向精餾塔中加入待分離的AB混合物，液體受熱部分汽化向上移動，剩余液體向下移動。氣體在塔頂冷凝液化回流至塔內(nèi)，液體在塔底受熱部分汽化回塔內(nèi)形成循環(huán)。對精餾塔中一塊板進(jìn)行分析，學(xué)生們會發(fā)現(xiàn)這塊板的狀態(tài)和半瓶白酒是一樣的。包括氣液兩相，易揮發(fā)組分A在氣相中富集。然而，一次分離效果有限，需要使分離更徹底，還需要進(jìn)入下一塊板對A繼續(xù)提純，最終在塔頂?shù)玫礁呒傾組分。同理，在塔底得到高純B組分。所以在精餾塔中，塔頂易揮發(fā)組分濃度高，塔底難揮發(fā)組分濃度高。

圖1(a)水的相圖，(b)某企業(yè)精餾塔工段各塔板溫度分布

3.3 過程傳熱對比

在學(xué)生們理解了精餾塔中各組分的傳質(zhì)機(jī)理后，繼續(xù)分析塔內(nèi)的傳熱現(xiàn)象。同樣與蒸籠作對比，啟發(fā)學(xué)生思考蒸籠和精餾塔中各層塔板上的傳熱效果區(qū)別。從生活中容易遇到的知識誤區(qū)入手，提問在蒸籠蒸東西的時候，是上層的包子先熟還是下層包子先熟呢？此時，可以剪輯播放西游記中的一則短視頻，唐僧師徒被妖怪抓住后放在蒸籠中，妖怪把唐僧放在蒸籠的最下層，孫悟空嘲笑妖怪不懂做飯，認(rèn)為蒸東西上層先熟，引起學(xué)生興趣，思考蒸籠中的傳熱行為。

關(guān)于蒸籠蒸包子哪一層先熟的問題，可以先把結(jié)果告訴學(xué)生，蒸包子應(yīng)該是下層的包子先熟。配合水的相圖進(jìn)行解釋，從圖1a可以看出水蒸氣的溫度與其壓強(qiáng)相關(guān)，壓強(qiáng)越高水蒸氣的溫度也越高。而蒸籠的密封性不強(qiáng)，可以認(rèn)為蒸籠與大氣是連通的，因此蒸籠中各層水蒸氣對應(yīng)的壓強(qiáng)均為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，所以其穩(wěn)定溫度都是 100 ℃。而對于下層蒸籠來說，其距離熱源近，會率先達(dá)到 100 ℃，因此底層的包子比上層先熟。通過這一分析，學(xué)生們理解了當(dāng)氣壓相等時，氣體溫度是與蒸汽組成相關(guān)的。然后再引入到精餾塔當(dāng)中，在前面精餾塔內(nèi)傳質(zhì)的介紹中已經(jīng)給學(xué)生證明了精餾塔內(nèi)下層重組分濃度高，上層輕組分濃度高。在此基礎(chǔ)上，精餾塔內(nèi)的傳熱可以結(jié)合氣體混合物的組成與溫度的關(guān)系圖進(jìn)行分析。從氣體組成與溫度的關(guān)系式可以發(fā)現(xiàn)，混合物中重組分含量越高，其對應(yīng)的蒸汽溫度越高，而在精餾塔內(nèi)則對應(yīng)位于下層的塔板(圖1b)溫度更高。與教師的單方面講解相比，學(xué)生的主動參與可以讓他們對精餾塔內(nèi)的傳熱行為理解更加透徹。

3.4 課后鞏固提升

微課可以作為學(xué)生課前的預(yù)習(xí)視頻，讓學(xué)生們在課堂教學(xué)前對蒸餾的知識有個初步了解，并激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。而在微課的最后，可以給出兩個課后拓展題，讓學(xué)生們通過查找資料，以理論和實踐相結(jié)合的方式解決問題。拓展題一為：包子店如何讓蒸籠中每層包子受熱均勻？拓展題二：蒸餾技術(shù)如何高效分離相平衡常數(shù)相近的物質(zhì)？教師在下一節(jié)課堂內(nèi)容開始前與學(xué)生交流討論，考察學(xué)生對微課內(nèi)容掌握的情況，起到鞏固的效果。

4 結(jié)語

化工原理的知識涉及到生活的方方面面，應(yīng)用到課程知識點的例子數(shù)不勝數(shù)。授課教師將生動的案例與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，可以讓化工原理課堂更加貼近生活，激發(fā)學(xué)生對課程的興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動思考和學(xué)習(xí)原本枯燥難懂的公式和概念，能夠有效強(qiáng)化學(xué)生對相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的印象，從而在復(fù)習(xí)和回顧課程知識點的時候達(dá)到快速鞏固的效果。在化工原理教學(xué)中理性的引入學(xué)生感興趣的案例可以給理論學(xué)習(xí)注入活力，充分調(diào)動學(xué)生積極性，為化工專業(yè)相關(guān)理論課程的改革提供了有益的參考。