鄭建東,葛秀濤,李永紅

滁州學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院,安徽滁州,239000

化工原理課程教學(xué)方法初探

鄭建東,葛秀濤,李永紅

滁州學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院,安徽滁州,239000

化工原理課程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課,是學(xué)生掌握各類化工單元操作的基本理論知識以及培養(yǎng)動手能力和創(chuàng)新能力的重要課程。從化工原理課程教學(xué)入手,對理論課程、實驗教學(xué)及課程設(shè)計三個重要環(huán)節(jié)的教學(xué)方法進(jìn)行了探討,提出了“歸納總結(jié),結(jié)合實際案例教學(xué)”等教學(xué)改革措施,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,以提高教學(xué)質(zhì)量。

化工原理;理論教學(xué);實踐教學(xué);教學(xué)方法

當(dāng)前,隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,應(yīng)用型人才的需求量飛速上升。許多地方高校已經(jīng)把應(yīng)用型人才培養(yǎng)作為自己的辦學(xué)定位,力求培養(yǎng)大學(xué)生的應(yīng)用能力。針對應(yīng)用型人才的培養(yǎng),高校教師需要對過去的傳統(tǒng)理論課程教學(xué)進(jìn)行改革[1-3]。對于化學(xué)化工類專業(yè)來說,就更應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)代化工企業(yè)對應(yīng)用型人才的要求,進(jìn)行教學(xué)改革。筆者結(jié)合自己多年從事化工原理課程理論與實踐教學(xué)的經(jīng)驗,談一些課程教學(xué)改革的體會和看法。

1 課堂教學(xué)方面

化工原理是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程,學(xué)習(xí)該課程之前先必修高等數(shù)學(xué)和物理化學(xué)以及化工機(jī)械基礎(chǔ)等課程。該課程主要講授化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中所涉及的各個單元操作,強(qiáng)調(diào)用工程學(xué)的觀點(diǎn)去分析化工生產(chǎn)過程,為學(xué)習(xí)反應(yīng)工程等專業(yè)課程打下良好基礎(chǔ)。它是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)知識分析和解決化學(xué)加工生產(chǎn)中各種物理過程問題的工程學(xué)科,承擔(dān)著工程科學(xué)與工程技術(shù)的雙重教育任務(wù)。學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理課程,要掌握化工生產(chǎn)過程中各單元操作的工作原理,了解各個單元操作之間所存在的共性,了解連接各個單元操作的“三傳理論”,逐步培養(yǎng)利用化工原理的知識看待、分析和解決工程實際問題的能力,并具備工程師的素養(yǎng)。但是,化工原理課程內(nèi)容較多,而且有許多經(jīng)驗公式和分析方法學(xué)生學(xué)起來有一定的難度,因此,對于該課程的理論教學(xué),值得每一位任課教師關(guān)注。

1.1 對比、歸納、總結(jié),發(fā)現(xiàn)各單元操作的共性

化工原理課程主要包括流體流動及輸送、沉降分離、攪拌、傳熱、吸收、蒸發(fā)、精餾、干燥及結(jié)晶等各種單元操作內(nèi)容。不同的單元操作之間存在一定的共性,都可以分解為動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。因此,傳遞過程是聯(lián)系各個單元操作的一條主線。教師在給學(xué)生上課時,一定要學(xué)生了解化工原理課程要講授的內(nèi)容。告訴他們化工原理課程其實就是講單元操作,而單元操作又是化工企業(yè)所不可或缺的。不同的化工廠、不同的生產(chǎn)工藝過程都會有不同的單元操作。但是所有的單元操作都遵循共同的規(guī)律,如能量衡算、物料衡算、過程速率等。任何一個單元操作都嚴(yán)格遵循能量衡算和物料衡算,同時過程進(jìn)行的速率大小都是取決于過程推動力與阻力的比值。要對學(xué)生強(qiáng)調(diào)不同的生產(chǎn)工藝可以有自己的特點(diǎn),例如,古希臘人通過蒸餾,先使海水變成水蒸汽,繼而使之變成液體,這樣,海水就變成了可飲用水;這個過程是簡單的水分離過程,是一個精餾單元操作。相比之下,我國石化行業(yè)煉油廠原油加工中的烴類分離,也和前面水分離一樣,都是采用精餾過程,但是烴類分離有其自身的特點(diǎn),要比水分離復(fù)雜得多。這兩個過程看起來有很多不同的地方,但是歸根結(jié)底都遵循了質(zhì)量傳遞和熱量傳遞過程,只不過是操作條件有所不同。

化工單元操作之間存在著一定的共性和內(nèi)在聯(lián)系,往往是兩種或兩種以上的傳遞過程同時發(fā)生。化工原理課程中的“三傳”(質(zhì)量、動量和熱量的傳遞)既具有相似之處,同時又有不同之處。例如三個重要定律:

比較這三個定律,它們的表達(dá)式基本相同,但各自提出了一個新的物性參數(shù):粘度、導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)。牛頓黏性定律說明了流體相互接觸過程中黏性力的大小與速度梯度大小及流體的黏度有關(guān);傅里葉定律說明了溫度不同的物體之間的熱量傳遞與溫度梯度大小及物體的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān);而費(fèi)克定律指明了兩個不同組成體系間的物質(zhì)傳遞與濃度梯度大小及物質(zhì)間的擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。

流體的流動形態(tài)分為層流和湍流。在傳熱和傳質(zhì)過程中,有對流傳熱和對流傳質(zhì),其中兩種傳遞過程的阻力都來自接觸面間的層流內(nèi)層。動量傳遞速率的大小與熱量、質(zhì)量傳遞速率之間存在極其相似的規(guī)律。其中,大家熟悉的是柯爾本 j因子類似法,具體內(nèi)容見表 1[4]。

表1 質(zhì)量傳遞與熱量傳遞的比較

總之,在化工原理課程講授過程中,只要教師圍繞“三傳”,就會發(fā)現(xiàn)其間有許多理論和公式頗為相似。因此,教師在課堂上要善于總結(jié)和歸納,也可以讓學(xué)生進(jìn)行討論總結(jié),把所有的單元操作串聯(lián)起來,這樣,有利于學(xué)生對于各個單元操作知識的掌握,更有利于學(xué)生接受新的知識。

1.2 引入生活實例,提高學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)是教師講、學(xué)生聽,學(xué)生被動地學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)積極性不高,教學(xué)效果不佳。因此,在教學(xué)過程中,教師必須想辦法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性,要讓學(xué)生自己愿意去學(xué)。為此,任課教師必須對學(xué)生強(qiáng)調(diào)化工原理課程在日常生活中的重要性,讓他們了解日常生活中的現(xiàn)象,如為什么冬天蓋被子時把鴨絨被貼身蓋呢?在爐子上燒水時,水壺壺底溫度接近于火溫還是水溫等,告訴他們這些問題可以用化工原理的知識解決,這樣,可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,從而提高學(xué)習(xí)興趣[5]。

在講授伯努利動力學(xué)方程時,筆者問:飛機(jī)為什么可以在空中安全地飛行,有的同學(xué)認(rèn)為是空氣浮力的作用,也有同學(xué)認(rèn)為是飛機(jī)上下壓強(qiáng)差的作用。此時,學(xué)生帶著疑惑,筆者抓住時機(jī),給出正確答案:飛機(jī)之所以能起飛,是因為機(jī)翼上下形狀不同,在運(yùn)動中上下翼產(chǎn)生的壓力不同,下翼壓力高于上翼,所以可以起飛。這是伯努利方程的一個典型案例。在傳熱講授中,以家庭暖氣片為例:從房間內(nèi)暖氣片的換熱現(xiàn)象開始,以提問的方式引導(dǎo)學(xué)生。首先,介紹換熱片的傳熱原理,引出傳熱的第一種方式:熱傳導(dǎo);接著,假設(shè)房間內(nèi)有空氣流動,如風(fēng)扇強(qiáng)制空氣對流,使得傳熱速率加快,房間里的人很快感受到溫度的升高,這就是“熱對流”。在給出熱對流和熱傳導(dǎo)的定義后,引出熱輻射。在自然界中,熱輻射存在于很多地方,例如,太陽對地球的熱傳遞,人能感受到熱量,這是由于太陽以熱輻射的方式向地球傳遞熱量。這樣,三大傳熱方式的簡單原理已解釋清楚。另外,在講側(cè)線采出時,還可以給學(xué)生提出這樣的問題:如何對三個組分進(jìn)行分離?大多數(shù)同學(xué)認(rèn)為需要兩個精餾塔,但使用兩個精餾塔需要大量的能耗。因此,筆者不失時機(jī)地指出:從塔的某一部位采出中間餾分,便可以降低能耗。在化工原理課堂教學(xué)中,根據(jù)教學(xué)內(nèi)容引進(jìn)一些實例,一方面可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,另一方面可以促進(jìn)學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。

2 實踐教學(xué)方面

2.1 實驗教學(xué)

化工原理實驗教學(xué)的基本任務(wù)是使學(xué)生加深理解和鞏固化工原理課程中所學(xué)習(xí)的理論知識,讓學(xué)生親自動手去操作一些化工生產(chǎn)設(shè)備,培養(yǎng)學(xué)生解決化工生產(chǎn)實際中所出現(xiàn)問題的能力,要求他們在實際操作過程中熟悉實驗流程、對實驗方案提出有指導(dǎo)性的建議、注意觀察一些實驗現(xiàn)象,從而提高分析問題和解決問題的能力。特別是在培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力、創(chuàng)新能力和開發(fā)學(xué)生智力等方面發(fā)揮著重要的作用[6]。

實驗之前,教師一定要要求學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí),了解實驗的目的,熟悉實驗的基本流程。例如,最簡單的雷諾實驗,理論教學(xué)時,講到流體的流動形態(tài)分為層流和湍流,層流的表現(xiàn)形式就是流體流速較低時,流體像一條線一樣通過管道,而湍流卻是質(zhì)點(diǎn)的劇烈脈動。學(xué)生掌握了理論知識,預(yù)習(xí)實驗講義,了解實驗?zāi)康?他們就愿意通過實驗,親自操作調(diào)節(jié)流速大小,看到流體的流動形態(tài),從而調(diào)動學(xué)生的實驗積極性。

實驗教學(xué)中,要強(qiáng)調(diào)化工原理實驗不同于其他基礎(chǔ)化學(xué)實驗,它重在培養(yǎng)動手能力。在課堂上,要給學(xué)生講清楚實驗的注意事項以及違規(guī)操作會出現(xiàn)的后果。比如,在阻力測定實驗中,告訴學(xué)生要先打開平衡閥,否則易導(dǎo)致水銀沖出。當(dāng)然,也可以以提問的方式,引導(dǎo)學(xué)生思考。結(jié)合實驗裝置給學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹v解,讓學(xué)生對實驗裝置有一定的感性認(rèn)識,了解實驗步驟和注意事項。在學(xué)生實驗過程中,要做到放手不放眼,勤于觀察,注意各組學(xué)生的實驗效果,讓學(xué)生在實驗中鞏固所學(xué)的理論知識。比如,讓學(xué)生觀察、比較孔板流量計的壓差和永久壓差的大小,以理解孔板流量計的缺點(diǎn)是能量損失大。

為了對實驗教學(xué)工作進(jìn)行有效的組織管理,應(yīng)制定嚴(yán)格的考勤制度、請假制度、成績考核制度以及學(xué)生實踐成績的登記制度。

化工原理實驗單獨(dú)設(shè)課,可采取平時成績和期末成績綜合評定的辦法進(jìn)行考核。其中,平時成績包括實驗考勤、預(yù)習(xí)情況和實驗表現(xiàn)。期末考試時,教師擬題卡,并制定評分標(biāo)準(zhǔn);試題分兩部分:一部分是實驗原理等基礎(chǔ)理論知識的考核,另一部分是實驗現(xiàn)場動手操作考核,考核內(nèi)容由學(xué)生抽簽決定。最后,教師將學(xué)生平時成績和期末成績按一定比例綜合評定,給出實驗課的最終成績。這樣的考核,不僅能強(qiáng)化學(xué)生對理論知識的掌握,而且還能培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 課程設(shè)計

化工原理課程設(shè)計是理論教學(xué)到一定的單元操作之后,根據(jù)實際情況開設(shè)的一個實踐教學(xué)環(huán)節(jié),一般都是在傳熱和精餾、吸收這些單元操作進(jìn)行。課程設(shè)計是綜合運(yùn)用化工原理及有關(guān)先修課程所學(xué)的知識,完成某一化工單元操作(或設(shè)備)設(shè)計任務(wù)的一次基本訓(xùn)練,也是讓學(xué)生進(jìn)一步樹立工程觀點(diǎn),培養(yǎng)獨(dú)立工作能力的必要手段。指導(dǎo)教師布置任務(wù),每個學(xué)生獨(dú)立完成一個題目。學(xué)生通過課程設(shè)計,學(xué)會運(yùn)用化工原理知識分析和解決工程中所遇到的實際問題的基本方法。

在課程設(shè)計實踐中,題目的設(shè)置和教師的指導(dǎo)方式至關(guān)重要。教師一定要按照課程設(shè)計大綱的要求,考慮設(shè)計時間、學(xué)生水平和能力等具體情況,合理選題。把生產(chǎn)過程中的主要特點(diǎn)和設(shè)計思路告訴學(xué)生,讓學(xué)生自主完成。整個設(shè)計要在一或二周內(nèi)完成。教師要不定期的進(jìn)行指導(dǎo)、檢查,并協(xié)助學(xué)生查閱參考書和一些物性資料等。對設(shè)計方案的確定、工藝參數(shù)的選取以及一些經(jīng)驗公式的應(yīng)用,都要適時地給學(xué)生進(jìn)行講解。另外,對有關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和附屬設(shè)備的選型要及時提出指導(dǎo)性意見,讓學(xué)生在比較中培養(yǎng)和鍛煉工程設(shè)計能力。以往在布置設(shè)計任務(wù)時,總是把手工制圖看成是化工原理課程設(shè)計中一項非常重要的內(nèi)容,學(xué)生為了完成這項任務(wù),花費(fèi)了大量的時間和精力。為扭轉(zhuǎn)這一局面,筆者在課程設(shè)計改革中,大膽嘗試,取消了手工制圖,改用計算機(jī)繪制流程圖,并結(jié)合工程實際和課件本身的功能,對設(shè)計任務(wù)書進(jìn)行全面調(diào)整,很多過去筆算的內(nèi)容由軟件來進(jìn)行計算。這樣,學(xué)生的設(shè)計不僅比筆算全面,而且精確。在時間和空間上給學(xué)生以最大的自由,充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性,充分挖掘?qū)W生的潛力,給傳統(tǒng)的課程設(shè)計教學(xué)注入了新的生機(jī)和活力。

3 結(jié)束語

總之,化工原理課程教學(xué)一定要強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合,要強(qiáng)調(diào)化工原理知識的應(yīng)用,以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,從而實現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

[1]杜衛(wèi)剛,周偉.高?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)模式 [J].徐州工程學(xué)院學(xué)報,2006(12):106-108

[2]趙冰梅,趙禮強(qiáng).經(jīng)管類應(yīng)用型人才培養(yǎng)的課程實踐教學(xué)體系 [J].研究實驗技術(shù)與管理,2009,26(5):132-134

[3]王榮德.地方高校工科應(yīng)用型人才培養(yǎng)的研究與實踐 [J].黑龍江教育,2008,11(1):38-39

[4]陳敏恒,叢德滋 ,方圖南,等.化工原理:下冊 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:15

[5]周文君,趙英輝.化工原理課程的教學(xué)改革與實踐 [J].化工時刊,2009(11):73-75

[6]鄭建東.化工原理實驗教學(xué)方法的探討 [J].滁州學(xué)院學(xué)報,2010,12(2):109-111

G642.0

A

1673-2006(2013)10-0083-03

10.3969/j.issn.1673-2006.2013.10.025

2013-08-30

安徽省教育廳教學(xué)研究項目(2012jyxm534);滁州學(xué)院校級重點(diǎn)教研項目(2011jyz007);安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項目(KJ2012A213)。

鄭建東(1971-),河南南陽人 ,博士,副教授,主要從事工業(yè)催化方面研究。

(責(zé)任編輯:劉小陽)