劉建周 孟獻梁 李 曉 江曉鳳

(中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

隨著煤化工和石油化工大規(guī)模化發(fā)展及多種化學品生產(chǎn)工藝的出現(xiàn)，20世紀前半葉，化學工程學科應(yīng)運而生，經(jīng)過幾十年的發(fā)展逐漸走向成熟，并深刻影響著社會、經(jīng)濟，乃至人們的生活。

化學工程作為工科專業(yè)呈現(xiàn)多學科交叉的特點，既以數(shù)、理、化自然學科為基礎(chǔ)，又與生產(chǎn)實踐的具體應(yīng)用緊密聯(lián)系。工業(yè)及信息技術(shù)的快速發(fā)展，一方面為化學工程學科的發(fā)展注入了強大的動力和支持，另一方面也提出了更高的要求。對化工專業(yè)的教育和學生培養(yǎng)的內(nèi)涵與模式提出了新的課題，需要探索、認識和改革。改變傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)多學科交叉的多樣性復(fù)合人才成為共識[1]。改變教學設(shè)置和教學方法，融合信息化技術(shù)[2]。微課、翻轉(zhuǎn)課堂、微視頻等教學形式走進課堂，受到廣泛關(guān)注[3,4]。加強實踐實訓(xùn)環(huán)節(jié)，提高學生探索式學習的積極性。課程教改研究成果及應(yīng)用促進了化工專業(yè)教學質(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”課程的教學經(jīng)驗及教學團隊的研究成果，從教學內(nèi)容的認知、教學方法的實踐、教學效果的評價及教學目標的達成等方面進行了深入細致的研究。

1 “化工原理”課程的教學目標

“化工原理”課程在化學基礎(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)計計算方法(或設(shè)備選型)等。培養(yǎng)學生針對化工工藝的設(shè)計目標，具有分析和設(shè)計化工單元操作的能力，讓學生在分析和解決有關(guān)化工單元操作問題時建立起工程觀念、創(chuàng)新思維和敬業(yè)精神，擁有能夠綜合運用基本理論開展化工生產(chǎn)和設(shè)計工作，創(chuàng)新解決復(fù)雜問題的能力。

2 “化工原理”課程教學的認知

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

單元操作可以歸為“過程”及“設(shè)備”兩方面的內(nèi)容。對“過程”這一觀點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，為教與學提供一種思維方法?！斑^程”可分為3個層面，一個隨時間或空間位置變化的“過程”可切分為若干個“狀態(tài)”，每個“狀態(tài)”由若干個“參數(shù)”表征，即“過程-狀態(tài)-參數(shù)”。如穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)過程的表達，“過程”中“狀態(tài)”的參數(shù)隨“位置”和時間變化的為非穩(wěn)態(tài)過程，參數(shù)隨“位置”變化而不隨時間變化的為穩(wěn)態(tài)過程。

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

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算方法。單元操作“過程”的速率關(guān)系和平衡關(guān)系是設(shè)備設(shè)計及過程參數(shù)計算的基礎(chǔ)。其中以速率的計算為解決單元操作問題的切入點，如沉降、過濾、吸收和干燥速率等。

由于單元操作過程的影響因素復(fù)雜，數(shù)學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，學習難度大。從應(yīng)用的角度看，在繁多的計算式中作出正確選擇和計算相關(guān)參數(shù)時，需要對單元操作基本原理有清晰的認識?！皩W會”單元操作的基本原理，有利于厘清計算式的應(yīng)用對象、前提和條件。“學會”基本原理形成的過程，以及單元操作復(fù)雜問題的研究方法，結(jié)合單元操作的特點形成系統(tǒng)化的理論知識，可使被動地“學會”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”課程教學方法的探索與實踐

課堂教學仍是目前常用的教學形式，如何講解課程內(nèi)容，促成更高的學習效率，加強課程群之間的相互聯(lián)系，是課程教學過程中需要探索和實踐的問題。“化工原理”課程內(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、化工原理實驗或化工基礎(chǔ)實驗，以及畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)所組成的課程群加強了理論與實踐的結(jié)合。課程內(nèi)容的教學順序遵循由點到線，由線到面，達成點-線-面的融會貫通，力求使學習的知識體系化。知識點往往是課程內(nèi)容講解的切入點，包括基本概念、基本原理、模型建立與應(yīng)用，及求解過程參數(shù)的基本方法。預(yù)習-課堂講解-作業(yè)是學生學習的常見過程。教材作為主要參考書，在教材內(nèi)容的引導(dǎo)下，將知識點融入過程原理中提出預(yù)習內(nèi)容。課后作業(yè)包括習題、單元操作設(shè)計、專門問題研討，并提交作業(yè)、報告和設(shè)計說明書。課堂講解時將課后練習、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中出現(xiàn)的問題穿插在課程內(nèi)容中，避免學生出現(xiàn)重復(fù)性錯誤和認知誤區(qū)。清晰認識概念，正確掌握基本原理，正確應(yīng)用解決問題的方法，奠定認識單元操作現(xiàn)象和解決工藝設(shè)計計算復(fù)雜問題的基礎(chǔ)。

工程觀念的培養(yǎng)與形成是課程教學的關(guān)注點，符合工程教育目標。如誤差的概念，應(yīng)用理論模型模擬實際過程時，計算結(jié)果不可避免地存在誤差，但工程的模擬計算應(yīng)符合誤差要求。如計算精餾塔板數(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。對于塔板數(shù)較多的情況，尤其是塔釜內(nèi)的溫度和壓強較高時，計算數(shù)值與實際運行的結(jié)果會產(chǎn)生較大誤差，需要加以核算以符合誤差要求。又如管徑的計算，須結(jié)合國標及市售的管徑規(guī)格對所計算的管徑進行調(diào)整，并核算管內(nèi)流速。再如管路系統(tǒng)設(shè)計時，要求設(shè)計者針對設(shè)計目標進行方案比較，在工藝計算的基礎(chǔ)上結(jié)合經(jīng)濟、節(jié)能環(huán)保等因素優(yōu)化方案。如換熱器設(shè)計中結(jié)合我國地域特點，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)計計算中，在綜合應(yīng)用單元操作完成具體的工藝設(shè)計時，工藝的優(yōu)化、設(shè)備的選擇、經(jīng)濟環(huán)保的要求等都是工程概念的內(nèi)容。

“化工原理實驗”“化工原理課程設(shè)計”乃至畢業(yè)設(shè)計教學環(huán)節(jié)與“化工原理”課程的內(nèi)容緊密關(guān)聯(lián)，也是課程教學反饋問題的渠道。通過反饋的問題，進一步研究課程教學改進的措施。如測定傳熱系數(shù)的實驗，為什么選擇采用蒸汽加熱空氣的傳熱體系？實驗裝置如何建立？實驗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)用及實驗原理的擬定、實驗數(shù)據(jù)的取得與處理方法、對實驗中出現(xiàn)的溫度波動問題的分析和解決，都涉及傳熱單元操作基本原理與實驗研究方法的應(yīng)用，是綜合運用基本理論知識解決實際問題的訓(xùn)練。課程群的相互支持對提高“化工原理”課程教學效果起到了不可或缺的作用。

學生分組研論是一種有效的學習形式，在討論中發(fā)現(xiàn)學習中的誤區(qū)，鞏固基礎(chǔ)知識，理論聯(lián)系實際，可提高學生的學習興趣。如精餾塔操作中塔頂采用全凝器回流，有學生提出了問題，“塔頂回流液與第一塊板上升蒸汽之間傳遞的推動力是什么？”，尋找答案就需要理解傳熱和傳質(zhì)過程的推動力，即對精餾基本原理、溫度組成圖或t-x-y圖的理解和應(yīng)用。通過布置單元操作設(shè)計型作業(yè)(如結(jié)合管道輸送系統(tǒng)的設(shè)計、固液分離系統(tǒng)的設(shè)計)，將課程理論教學應(yīng)用于實際，從中進一步扎實理論基礎(chǔ)，明確理論應(yīng)用于實際的方法和途徑。再結(jié)合市場及技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計算工具和計算軟件輔助解決設(shè)計計算問題，消除學生平時學習時的茫然感覺，增加解決實際問題的興趣和成就感。

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

4 “化工原理”課程教學效果的檢驗與反饋

課程考核不僅考核學生掌握和應(yīng)用知識的情況，也用來檢驗教學的效果。采用平時成績和考試成績相結(jié)合的方式，考核學生掌握和應(yīng)用單元操作基本原理分析化工生產(chǎn)過程中常見問題并提出解決方案的能力?？偨Y(jié)考核的情況與成績分布，反饋改進教學內(nèi)容和方法，圍繞教學目標的達成和教學質(zhì)量的提高采取改進措施。課程達成的目標要求是：(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程中的相應(yīng)條件對模型進行求解；(2)能夠從一個復(fù)雜化工生產(chǎn)系統(tǒng)中識別和表達出所包含的主要單元操作過程，并能夠通過分析從中判別出關(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)計目標對相應(yīng)的單元操作和設(shè)備進行工藝計算、設(shè)備計算和選型，為解決化工生產(chǎn)過程中復(fù)雜工程問題提供基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

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

教學過程中教師需注重加強科學思維的培養(yǎng)，以辯證和哲學的觀點指導(dǎo)學生學習課程內(nèi)容。如“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”，幫助學生理解課程內(nèi)容間的本質(zhì)聯(lián)系，了解化工“過程”基本規(guī)律的研究及描述方法。對于復(fù)雜化工過程的分析，區(qū)分主次影響因素，抓住解決問題的主要矛盾。引導(dǎo)學生理論聯(lián)系實際， 樹立“實踐-理論-實踐”，或“工藝-原理-工藝”的觀點，認識到單元操作基本原理和理論來源于實際工藝中的共性問題，形成的理論又應(yīng)用于新的工藝實踐，并在實踐中得到應(yīng)用和修正。