強黎明，趙龍濤，董雪茹，胡 捷

(河南工程學院 材料與化學工程系，河南 鄭州 450007)

工科教育的主體是工程教育.當前重視學生工程能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為工程教育的一種必然趨勢.工程教育的特點是它更強調(diào)理論與實踐的結(jié)合，著重培養(yǎng)學生綜合運用所學知識來解決實際工程問題的能力[1].化工原理是化學化工及相近專業(yè)的主干課程，其研究內(nèi)容包括化學工程的原理及過程，是用自然科學的原理考察、解釋和處理工程實際問題，即將物理、化學、數(shù)學等自然科學的基本原理用來研究化工生產(chǎn)中內(nèi)在的共同規(guī)律的學科，研究化工生產(chǎn)過程中各個單元操作的基本原理、設(shè)備及其計算方法[2].它在基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間起著承上啟下、從“化學”到“化工”、由“理”及“工”的橋梁作用.因此，必須在化工原理教學中樹立工程教育的理念[3]，強調(diào)工程觀點和設(shè)計能力的訓練. 學生從自然科學轉(zhuǎn)入到工程技術(shù)科學學習的過程中，對工程的特點及對工程實際問題的處理方法等內(nèi)容還不甚了解，化工原理教學中的實踐性教學環(huán)節(jié)，就是要培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力和分析問題、解決問題的能力，提高學生的綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力.本研究主要從實踐教學環(huán)節(jié)的實驗和課程設(shè)計來分析探討化工原理教學中的工程教育問題.

1 化工實驗教學中的工程教育

化工原理實驗教學是培養(yǎng)學生實踐能力、綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要平臺.相對于課堂理論教學而言，它具有直觀性、綜合性、探索性和啟發(fā)性的特點.對于工科學生，實驗教學對培養(yǎng)學生的知識應用能力和實際動手能力尤為重要.化工原理實驗屬于工程實驗范疇，與其他基礎(chǔ)課實驗的最大區(qū)別是它更接近工程實際[4]，所涉及的研究對象均是復雜的化工過程.

1.1 化工原理實驗的工程性質(zhì)

化工原理實驗具有工程性質(zhì)，即復雜性和多變性.化工原理實驗裝置規(guī)模雖小，但其運行原理和實際生產(chǎn)過程一樣，涉及的變量多、物料千變?nèi)f化，所以化工原理實驗同樣具有工程上的復雜性和多樣性.例如，學生在做最簡單的雷諾實驗的過程中，會遇到雷諾數(shù)Re<2 000 時就發(fā)生湍流的情況，這顯然是和教材中的理論知識相違背的.此例中的實際流型問題可能與外界擾動有關(guān)，既有環(huán)境因素，也有人為的操作因素.這就是化工原理實驗的復雜性和多變性工程性質(zhì)的具體體現(xiàn).在出現(xiàn)這種特殊情況時，可借機引導學生靈活地運用理論知識，讓學生結(jié)合實際情況來分析影響流動形態(tài)的因素，使學生對層流和湍流的本質(zhì)區(qū)別有更深刻的體會.這樣，對拓寬學生的思維方式、增強學生觀察和分析實際問題的能力能起到積極的作用.

1.2 在實驗中引入實際工程問題

在實驗過程中引入實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的工程問題并探討解決方案，是利用化工原理實驗對學生進行工程教育的另一條有效途徑.教師可在實驗講解時或在實驗過程中設(shè)置和生產(chǎn)實際有關(guān)的工程問題，讓學生帶著問題去一步一步地開展實驗，通過實際操作來尋求解決問題的辦法.這樣，使學生對工程問題有了親身的體會，有利于調(diào)動學生學習的積極性，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力.例如,在流體流動阻力測定的實驗中，可引入在工程裝置中怎樣尋找管路堵塞的問題.隨著學習內(nèi)容的深入和實驗次數(shù)的增加，實際工程問題的難度可以逐漸加深.例如,在板式精餾塔塔板效率的測定實驗中，可先提出問題“影響塔板效率的因素有哪些”或“如何提高塔板效率”，讓學生圍繞提高塔板效率的問題去查閱文獻，從而獲得由實驗數(shù)據(jù)到實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的豐富資料.然后,讓學生對文獻資料進行分類、歸納，找出規(guī)律性和特殊性的東西.

上課時,可組織學生針對問題，根據(jù)所查文獻展開討論，鼓勵學生大膽質(zhì)疑.最后,制定出提高塔板效率的措施、方法，在實驗中對所制訂的方案進行實踐驗證.這樣,學生所學的理論知識和實際問題緊密結(jié)合起來，提高了學生分析與解決實際工程問題的能力.實驗中,還有很多類似的問題，如實際吸收操作中常見問題的分析及排除、傳熱過程中傳熱效率的提高途徑等[5-6],經(jīng)過這樣不斷的訓練，使學生在實驗中逐步地接觸實際工程問題，樹立起工程觀念.

2 課程設(shè)計中的工程教育

化工原理課程設(shè)計是化工原理實踐教學的又一重要環(huán)節(jié)，是學生學完化工原理課程后進行的一個具有總結(jié)性、綜合性和實踐性的教學環(huán)節(jié)，是綜合應用所學理論知識、以某一單元操作為主的設(shè)計實踐過程.課程設(shè)計不僅與化工原理課程內(nèi)容緊密相連，而且還與先修的機械制圖、化工設(shè)備機械基礎(chǔ)、物理化學等基礎(chǔ)課程的內(nèi)容密切相關(guān).通過化工原理課程設(shè)計這一實踐環(huán)節(jié)的訓練，可以使學生將以前所學的基礎(chǔ)理論知識有機地結(jié)合起來，共同用于解決一個特定的實際工程問題，初步掌握化工單元過程與設(shè)備設(shè)計的基本程序和方法，具備正確使用有關(guān)技術(shù)資料的能力.課程設(shè)計所要解決的問題都是工程實際問題,在解決這些問題時既要嚴格遵循相關(guān)的基礎(chǔ)理論，還要考慮實際情況，并且對于影響設(shè)備實際運行的一些次要因素也不可忽略.因此,在設(shè)計過程中需要學生從技術(shù)、經(jīng)濟、安全操作等多方面進行綜合分析，這有利于學生工程觀念的樹立和工程能力的培養(yǎng).

通常，開設(shè)化工原理課程設(shè)計的基本內(nèi)容為：(1)設(shè)計方案的確定和論證；(2)主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算；(3)主體設(shè)備結(jié)構(gòu)、接管尺寸的設(shè)計；(4)主要輔助設(shè)備的設(shè)計或選型；(5)將設(shè)計結(jié)果編寫成設(shè)計說明書，并繪制相應的工藝流程圖和主體設(shè)備裝配圖；(6)對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論[7].通過課程設(shè)計教學過程，可使學生掌握化工設(shè)計的基本程序和方法，這是對學生進行工程教育、培養(yǎng)學生工程素質(zhì)的重要教學過程[8].

2.1 基本工程素質(zhì)的系統(tǒng)訓練

課程設(shè)計可對學生進行基本工程技能和素質(zhì)的系統(tǒng)訓練，逐步培養(yǎng)其工程意識.學生在拿到設(shè)計任務(wù)書以后，首先要做的就是去查閱各種設(shè)計資料；然后，根據(jù)自己的設(shè)計題目和掌握的設(shè)計資料逐步建立起自己的設(shè)計思路和方案,通過設(shè)計計算得出設(shè)計結(jié)果；最后，編寫設(shè)計說明書，繪出主體設(shè)備裝配圖和工藝流程圖來表達自己的設(shè)計內(nèi)容.這是一個復雜的學用結(jié)合的過程，為了完成一個系統(tǒng)的課程設(shè)計任務(wù)，僅靠已有的書本知識還遠遠不夠.在這一過程中,學生必須接受作為工程技術(shù)人員所必備的基本工程技能和素質(zhì)等方面的系統(tǒng)訓練，包括工具書、國家標準和規(guī)范的使用，經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)的選擇，設(shè)計成果的分析判斷，用簡明的科技語言描述自己的設(shè)計思想，用清晰的圖表表達自己的設(shè)計成果等.

課程設(shè)計過程可鍛煉學生綜合運用所學工程知識的能力.例如，在畫裝配圖時，由于化工設(shè)備既有一般機械設(shè)備的共性，又有其獨特的結(jié)構(gòu)特點，化工設(shè)備圖需要詳細地反映設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造要求和各零部件裝配連接關(guān)系，清楚地表達出設(shè)備的技術(shù)特性參數(shù)和技術(shù)要求以及對外連接關(guān)系,這就決定了化工制圖有其獨特的表達方法.學生雖然學過機械制圖，但要正確繪制出化工設(shè)備圖，還需要了解化工設(shè)備圖的畫法.課程設(shè)計這個實踐過程可以使學生對有關(guān)化工設(shè)計規(guī)范和標準有一個從抽象理論到具體實踐的深刻體會，學生的工程制圖能力得到全面提高，工程設(shè)計的基本素質(zhì)得到系統(tǒng)訓練.

2.2工程技術(shù)經(jīng)濟觀點的樹立

過程經(jīng)濟性分析是現(xiàn)代化工設(shè)計與生產(chǎn)的基本要求[9],而化工原理課程設(shè)計所涉及的工藝計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計或設(shè)備選型等，可讓學生直接接觸工程經(jīng)濟性問題.因此,課程設(shè)計是對學生進行工程觀念和工程經(jīng)濟意識培養(yǎng)的重要教學環(huán)節(jié).在設(shè)計過程中，操作參數(shù)的合理選取實際上是技術(shù)上的可行性與經(jīng)濟優(yōu)化的結(jié)果，考慮了固定資產(chǎn)投資與日常操作費用的最佳結(jié)合，也就是考慮了設(shè)備與物耗、能耗的相互替代.經(jīng)濟上的優(yōu)化應以總費用最低為目標，工程過程中的經(jīng)濟性分析體現(xiàn)了辯證法思想對工程實際的指導作用[10].

以精餾操作設(shè)計中回流比的選取為例,實際操作回流比應根據(jù)經(jīng)濟核算確定，要達到完成給定任務(wù)所需設(shè)備費用和操作費用的總和為最小.設(shè)備費是指精餾塔、再沸器、冷凝器等設(shè)備的投資費，此項費用主要取決于設(shè)備的尺寸；操作費主要取決于塔底再沸器加熱劑用量及塔頂冷凝器中冷卻劑的用量.隨著回流比的增大，操作費不斷增大，所需塔板數(shù)急劇減少，設(shè)備費減少;當回流比增大至某一值時，由于塔徑增大，再沸器和冷凝器的傳熱面積增加，設(shè)備費又上升.因此，總費用隨回流比的增大先減后增，存在最小值，對應的回流比為適宜回流比，即生產(chǎn)中的操作回流比.

通常情況下，適宜回流比R取最小回流比Rmin的 (1.1～2.0)倍，即R=(1.1～2)Rmin.在實際生產(chǎn)中,操作回流比應視具體情況選擇.對于難分離體系，相對揮發(fā)度接近1，此時應采用較大的回流比，以降低塔高、減少設(shè)備費并保證產(chǎn)品的純度；對于易分離體系，相對揮發(fā)度較大，可采用較小的回流比，以減少加熱蒸氣的消耗量，降低操作費用.從這一例子可以看出,課程設(shè)計中的工程技術(shù)經(jīng)濟性分析需要統(tǒng)籌考慮物料性質(zhì)、設(shè)備、物耗、能耗等各方面因素，是對學生進行工程教育和工程經(jīng)濟意識培養(yǎng)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié).

3 結(jié) 語

可以看出，工程觀念貫穿化工原理課程實踐教學的每一個環(huán)節(jié)，在教學中應用科學的思維方法和工程分析方法來組織教學內(nèi)容，能極大地提高學生學習的主動性，使教學過程成為學生工程思維方法、工程分析能力及工程業(yè)務(wù)素質(zhì)培養(yǎng)的過程，使化工原理實踐教學過程真正起到對工科學生進行理論聯(lián)系實際的工程教育作用.

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