化工原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革與實(shí)踐*

靳苗苗，陳桂娥，劉吉波，毛海舫

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201418)

化工原理屬于技術(shù)基礎(chǔ)課，主要介紹了化工、醫(yī)藥、輕工、精細(xì)等工業(yè)中具有共同特點(diǎn)的單元操作的基本原理、計(jì)算方法及典型設(shè)備，為學(xué)生畢業(yè)后從事化工大類生產(chǎn)工作提供化工單元操作的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。它主要由理論、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)成。化工原理課程設(shè)計(jì)是繼化工原理理論課程之后的一個(gè)綜合性設(shè)計(jì)課程，學(xué)生需綜合運(yùn)用化工原理理論知識(shí)和相關(guān)先修課程所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立完成以典型單元設(shè)備為主的一個(gè)實(shí)際裝置的設(shè)計(jì)。通過(guò)該門課程實(shí)踐，使學(xué)生掌握化工單元設(shè)計(jì)的基本程序和方法，并在查閱技術(shù)資料、選用公式和數(shù)據(jù)、闡述與表達(dá)、化工制圖和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面的能力得到鍛煉[1]。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)態(tài)度。

化工原理課程設(shè)計(jì)主要教學(xué)對(duì)象為醫(yī)藥、輕工、精細(xì)等化工大類專業(yè)大三學(xué)生，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)為一周。以往設(shè)計(jì)任務(wù)一般以換熱器或精餾塔單個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)為主。教學(xué)過(guò)程仍以“填鴨式”教學(xué)為主：教師逐步講解計(jì)算過(guò)程——學(xué)生設(shè)計(jì)計(jì)算——編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書。學(xué)生往往按步驟機(jī)械完成設(shè)計(jì)任務(wù)，對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程并不了解，缺乏積極主動(dòng)性，課程教學(xué)過(guò)程沒有很好地培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和創(chuàng)新意識(shí)。

為了更好地適應(yīng)高校對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求，提高化工原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)效果，本文以《化工單元操作課程設(shè)計(jì)》[2]教材中的換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)為例，針對(duì)以往化工原理課程設(shè)計(jì)中存在的一些問(wèn)題，進(jìn)行了相關(guān)的改革和實(shí)踐。本文教學(xué)實(shí)踐與改革經(jīng)驗(yàn)也可為其他設(shè)計(jì)實(shí)踐課程提供參考和借鑒。

1 化工原理課程設(shè)計(jì)傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題

化工原理課程設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)教學(xué)中主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：(1)設(shè)計(jì)多采用一生一題獨(dú)立開展設(shè)計(jì)，師生之間交流較少；(2)設(shè)計(jì)題目相近，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程中同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，學(xué)生容易抄襲，設(shè)計(jì)積極性不高；(3)學(xué)生往往依照模板進(jìn)行計(jì)算，沒有真正理解公式的物理意義、適用條件，缺少工程觀念，對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)知識(shí)的掌握比較膚淺，設(shè)計(jì)過(guò)程沒有很好地培養(yǎng)學(xué)生的工程思維；(4)設(shè)計(jì)過(guò)程還采用傳統(tǒng)手算，與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系不夠緊密，而實(shí)際工程公司設(shè)計(jì)過(guò)程與學(xué)生設(shè)計(jì)過(guò)程相差較大；(5)沒有很好的挖掘課程思政育人功能。針對(duì)上述情況，筆者在指導(dǎo)化工原理課程設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了一系列新的嘗試，教學(xué)效果顯著提升，學(xué)生收獲增多。

2 教學(xué)改革與實(shí)踐

2.1 協(xié)同合作與自主設(shè)計(jì)并重

以往采取的教學(xué)過(guò)程一般為教師講解設(shè)計(jì)過(guò)程，布置設(shè)計(jì)題目，一生一題獨(dú)立開展設(shè)計(jì)，學(xué)生之間交流討論很少。作為一門實(shí)踐課，學(xué)生與學(xué)生，學(xué)生與教師之間的交流非常重要。而且課程設(shè)計(jì)只有一個(gè)星期，時(shí)間較短，僅僅靠一個(gè)人完成設(shè)計(jì)任務(wù)工作量過(guò)大。之前也嘗試過(guò)3～4人一組完成一個(gè)設(shè)計(jì)題目，但往往會(huì)導(dǎo)致組內(nèi)一些同學(xué)只對(duì)自己負(fù)責(zé)的部分內(nèi)容清楚，缺乏整體設(shè)計(jì)的大局觀，另外也無(wú)法遏制部分同學(xué)“渾水摸魚”的現(xiàn)象。

目前教學(xué)過(guò)程采取“協(xié)同合作+自主設(shè)計(jì)”結(jié)合的路線，具體實(shí)施過(guò)程為：鼓勵(lì)學(xué)生以3～4人為一組的形式，進(jìn)行換熱設(shè)計(jì)前期文獻(xiàn)調(diào)研。調(diào)研內(nèi)容包括：不同類型換熱器形式，不同換熱器適應(yīng)工況以及優(yōu)缺點(diǎn)，流動(dòng)空間選擇原則，常見換熱器材質(zhì)，化工常用加熱劑、冷卻劑等共性的設(shè)計(jì)問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)成員相互合作，各展所能，形成書面成果，并以個(gè)人或團(tuán)體的形式展示，自主完成前期調(diào)研任務(wù)[3]。在前期調(diào)研過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生查閱圖書、期刊、知名化工專業(yè)論壇、CNKI等各大電子資源庫(kù)搜集所需資料，豐富課程設(shè)計(jì)資源。同時(shí)，通過(guò)分組調(diào)研答辯，不僅能發(fā)揮團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)了組內(nèi)成員協(xié)同合作、互幫互助的精神；在展示答辯之后，教師和學(xué)生還可以進(jìn)行提問(wèn)，對(duì)質(zhì)疑點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)討論解決，教師在討論過(guò)程中應(yīng)起到引導(dǎo)的作用，引導(dǎo)學(xué)生去查閱文獻(xiàn)解決問(wèn)題。

整個(gè)分組調(diào)研和匯報(bào)答辯過(guò)程也即為一個(gè)完整的設(shè)計(jì)前期調(diào)研過(guò)程，通過(guò)上述過(guò)程全班同學(xué)對(duì)換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程有了一個(gè)整體的了解，學(xué)生能夠很快地實(shí)現(xiàn)換熱器類別、材質(zhì)、流動(dòng)空間、流速等的選擇。后期換熱器設(shè)計(jì)選型仍以個(gè)人為單位進(jìn)行，但是通過(guò)改變換熱物系、介質(zhì)、操作條件、換熱設(shè)備形式等使每位學(xué)生均有獨(dú)立任務(wù)，避免設(shè)計(jì)題目的同質(zhì)化。這樣，雖然做的題目均為換熱器，學(xué)生可以相互討論一些換熱器共性問(wèn)題，但是每個(gè)人題目不同，可參考內(nèi)容較少，學(xué)生積極主動(dòng)性提高，有效遏制了部分同學(xué)“渾水摸魚”現(xiàn)象，避免了抄襲。

2.2 注重工程思維的培養(yǎng)

化工原理課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，用到的知識(shí)，主要還是化工原理的知識(shí)。但是在化工原理理論教學(xué)過(guò)程中，授課教師主要講解化工原理基本原理及計(jì)算等，缺乏實(shí)際應(yīng)用方面的教學(xué)內(nèi)容?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)與理論教學(xué)脫節(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致許多學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算、公式適用范圍、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)等一知半解，甚至完全脫離國(guó)標(biāo)規(guī)范[4]。比如設(shè)計(jì)說(shuō)明書中學(xué)生任意選擇換熱管長(zhǎng)度、換熱器殼體內(nèi)徑、換熱管程數(shù)等，而完全不考慮國(guó)標(biāo)規(guī)范。意識(shí)到上述問(wèn)題，筆者著重引導(dǎo)學(xué)生參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)引發(fā)學(xué)生思考其內(nèi)涵，讓學(xué)生不僅知其然，并且知其所以然，有效培養(yǎng)了學(xué)生的工程思維。

比如換熱器雖為非標(biāo)設(shè)備，但是一般用在比較固定的工藝流程裝置中的換熱器可以按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的生產(chǎn)制造都是標(biāo)準(zhǔn)化的，生產(chǎn)成本也比較低，如果非要做成一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備，制造的時(shí)間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、設(shè)備造價(jià)較高。所以在換熱器設(shè)備選型時(shí)，能做標(biāo)準(zhǔn)化的，盡量做標(biāo)準(zhǔn)化。為什么換熱器管長(zhǎng)不能隨意選擇？因?yàn)槭袌?chǎng)上的管子是有規(guī)格的，隨意的長(zhǎng)度帶來(lái)的是材料利用率的降低，導(dǎo)致成本的增加。因此目前換熱管常用長(zhǎng)度尺寸有1500、2000、3000、6000 mm等。

根據(jù)管殼式換熱器殼體直徑大小的區(qū)別，殼體一般有卷制圓筒和鋼管制圓筒兩種形式。在表述管殼式換熱器殼體公稱直徑時(shí)，需要看其是卷制的還是鋼管制的，卷制圓筒的以圓筒內(nèi)直徑為換熱器公稱直徑，鋼管制圓筒以鋼管外徑為換熱器工程直徑。例如鋼管制系列直徑(外徑)有219、273、325、377、426、516 mm等，卷制系列直徑(內(nèi)徑)有200、250、300、350、400、450、500、600、700、800、900、1000 mm等。在教師強(qiáng)化工程實(shí)際過(guò)程、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并引導(dǎo)學(xué)生探尋其內(nèi)涵之后，學(xué)生的設(shè)計(jì)說(shuō)明書有了很大改善。

2.3 現(xiàn)代模擬計(jì)算軟件的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，現(xiàn)在一般都依靠計(jì)算機(jī)來(lái)輔助完成設(shè)計(jì)任務(wù)，摒棄了傳統(tǒng)復(fù)雜的人工手算。目前課程設(shè)計(jì)過(guò)程仍以手工計(jì)算為主，但是在設(shè)計(jì)中很多參數(shù)需要自行選擇，比如換熱管長(zhǎng)度，換熱管程數(shù)，殼體直徑等。為了獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)果，在換熱器校核階段需要反復(fù)修改參數(shù)。手工計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性無(wú)法保證，而工藝尺寸反復(fù)試算又導(dǎo)致計(jì)算工作量非常大。因此，在化工原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中引入模擬計(jì)算軟件是十分有必要的，鼓勵(lì)學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中使用Excel、AutoCAD、Aspen Plus等軟件。

針對(duì)換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算，傳統(tǒng)的換熱器計(jì)算方法非常復(fù)雜，軟件設(shè)計(jì)計(jì)算已逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)手算方法，成為化工工程設(shè)計(jì)人員的主要設(shè)計(jì)手段。目前，國(guó)內(nèi)大部分工程公司采用Aspen EDR[5]或HTRI[6]做換熱器的工藝計(jì)算。換熱器模擬計(jì)算軟件的應(yīng)用會(huì)極大降低試差計(jì)算的難度，但是在模擬軟件中需要知道計(jì)算的先后順序、設(shè)備進(jìn)出口物料、管程殼程物流以及各類公式的適用范圍，如果沒有經(jīng)過(guò)手算的歷練，學(xué)生并不能準(zhǔn)確理解軟件模塊中各個(gè)參數(shù)的具體含義及取值范圍。因此，模擬設(shè)計(jì)軟件的引入不能完全替代手算，應(yīng)該在手算基礎(chǔ)上引入模擬軟件，手算和模擬軟件計(jì)算并重。

同時(shí)，工程公司換熱器設(shè)計(jì)思路與學(xué)校教學(xué)設(shè)計(jì)思路有很大區(qū)別。工程公司進(jìn)行換熱設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，一般選擇模擬軟件中的換熱器校核模式，給定一個(gè)換熱器的型號(hào)，把換熱器型號(hào)規(guī)格等信息輸入軟件，通過(guò)計(jì)算得到結(jié)果，判斷結(jié)果是否合理，對(duì)不合理的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，直到調(diào)整得到一個(gè)合適的換熱器為止。比如如果管程壓降比較大，可以相應(yīng)的把管程數(shù)減少，比如換熱面積不夠，可以增大換熱器的殼徑。通過(guò)引入換熱器模擬軟件，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且增強(qiáng)了學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。而且學(xué)習(xí)使用這些軟件也是學(xué)生們今后從事專業(yè)相關(guān)工作的必備技能，可以有效提高學(xué)生就業(yè)擇業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[7]。同時(shí)鼓勵(lì)特別優(yōu)秀的學(xué)生，繼續(xù)深入學(xué)習(xí)化工流程模擬軟件Aspen Plus，將其應(yīng)用到離心泵、精餾塔、吸收塔等設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)代模擬設(shè)計(jì)軟件的熱情，為化工設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等后修課程打下基礎(chǔ)。

2.4 深入發(fā)掘課程思政育人元素

課程都有育人功能。在化工原理課程設(shè)計(jì)中開展課程思政，可以在潛移默化中對(duì)學(xué)生進(jìn)行思政教育，培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀。而工程案例教學(xué)法是一種常見的課程思政引入方式。工程案例教學(xué)法，是在教學(xué)過(guò)程中，引入工程實(shí)際案例，供學(xué)生進(jìn)行分析討論，可以培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，提高學(xué)生綜合能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力[8]。

比如換熱器內(nèi)部流體流速的選擇。流速是實(shí)際設(shè)計(jì)中變化較為復(fù)雜的一個(gè)參數(shù)。一般情況下我們希望盡可能地提高換熱器內(nèi)流體流速，因?yàn)榱魉俚奶嵘軌蛱嵘齻鳠嵯禂?shù)，進(jìn)而有效降低傳熱面積，在換熱器選型時(shí)就可以選用面積較小的換熱器，減少換熱器設(shè)備費(fèi)用。同時(shí)流速的提升也能夠減少污垢的產(chǎn)生。但流速提升也會(huì)影響到流體流動(dòng)阻力與動(dòng)力消耗，流動(dòng)阻力增大有一定的范圍，超過(guò)一定范圍可能會(huì)引起換熱器泄露，而動(dòng)力消耗主要是機(jī)械能的輸入，進(jìn)而增加設(shè)備操作費(fèi)用。因此在分析結(jié)果時(shí)就需要綜合上述各種情況進(jìn)行分析，并將設(shè)備結(jié)構(gòu)要求也考慮在內(nèi)。通過(guò)換熱器內(nèi)部流體流速的選擇，引入設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用的概念，引導(dǎo)學(xué)生在選取流速時(shí)要綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全、制造等方面的因素。

再比如污垢熱阻，一般工程手冊(cè)中，污垢熱阻往往很小，在化工原理理論課上，計(jì)算傳熱系數(shù)有時(shí)甚至?xí)雎晕酃笩嶙?。而在工業(yè)應(yīng)用中，污垢熱阻是不可忽視的。換熱器常用冷卻介質(zhì)有冷卻水，其占工業(yè)用水總量的70%～80%。節(jié)約冷卻水是工業(yè)節(jié)水的關(guān)鍵，將冷卻水循環(huán)利用并提高設(shè)計(jì)濃縮倍數(shù)，是節(jié)水的關(guān)鍵措施。但濃縮倍數(shù)的提高會(huì)引起嚴(yán)重的水質(zhì)問(wèn)題，其中結(jié)垢是世界性難題，如不進(jìn)行有效治理，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行，并造成能耗的大量增加。換熱器污垢如何處理呢？在前期可采用加裝除污器、過(guò)濾器、凈水裝置等以減緩結(jié)垢；換熱器結(jié)垢后可采用清洗劑清洗，高壓水槍沖洗等等。通過(guò)上述入工程案例教學(xué)法的引入，可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念，提高學(xué)生的綜合能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3 教學(xué)實(shí)踐成效與展望

通過(guò)對(duì)化工原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式、設(shè)計(jì)選題、設(shè)計(jì)手段和課程思政等方面進(jìn)行改革，學(xué)生能夠主動(dòng)查閱相關(guān)資料和國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，掌握化工單元操作的基本設(shè)計(jì)流程，正確選用公式并運(yùn)用模擬計(jì)算軟件。培養(yǎng)了學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)運(yùn)用到解決實(shí)際工程問(wèn)題中的實(shí)踐能力。同時(shí)在教學(xué)過(guò)程中注重培養(yǎng)學(xué)生工程安全及經(jīng)濟(jì)意識(shí)，以及實(shí)事求是的學(xué)習(xí)態(tài)度和認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。