化工原理实践课教学中的工程教育

2010-04-11强黎明赵龙涛董雪茹

河南工程学院学报(自然科学版) 2010年2期

强黎明，赵龙涛，董雪茹，胡捷

(河南工程学院材料与化学工程系，河南郑州 450007)

工科教育的主体是工程教育.当前重视学生工程能力的培养已经成为工程教育的一种必然趋势.工程教育的特点是它更强调理论与实践的结合，着重培养学生综合运用所学知识来解决实际工程问题的能力[1].化工原理是化学化工及相近专业的主干课程，其研究内容包括化学工程的原理及过程，是用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题，即将物理、化学、数学等自然科学的基本原理用来研究化工生产中内在的共同规律的学科，研究化工生产过程中各个单元操作的基本原理、设备及其计算方法[2].它在基础课与专业课之间起着承上启下、从“化学”到“化工”、由“理”及“工”的桥梁作用.因此，必须在化工原理教学中树立工程教育的理念[3]，强调工程观点和设计能力的训练. 学生从自然科学转入到工程技术科学学习的过程中，对工程的特点及对工程实际问题的处理方法等内容还不甚了解，化工原理教学中的实践性教学环节，就是要培养学生理论联系实际的能力和分析问题、解决问题的能力，提高学生的综合素质与创新能力.本研究主要从实践教学环节的实验和课程设计来分析探讨化工原理教学中的工程教育问题.

1 化工实验教学中的工程教育

化工原理实验教学是培养学生实践能力、综合素质和创新能力的重要平台.相对于课堂理论教学而言，它具有直观性、综合性、探索性和启发性的特点.对于工科学生，实验教学对培养学生的知识应用能力和实际动手能力尤为重要.化工原理实验属于工程实验范畴，与其他基础课实验的最大区别是它更接近工程实际[4]，所涉及的研究对象均是复杂的化工过程.

1.1 化工原理实验的工程性质

化工原理实验具有工程性质，即复杂性和多变性.化工原理实验装置规模虽小，但其运行原理和实际生产过程一样，涉及的变量多、物料千变万化，所以化工原理实验同样具有工程上的复杂性和多样性.例如，学生在做最简单的雷诺实验的过程中，会遇到雷诺数Re<2 000 时就发生湍流的情况，这显然是和教材中的理论知识相违背的.此例中的实际流型问题可能与外界扰动有关，既有环境因素，也有人为的操作因素.这就是化工原理实验的复杂性和多变性工程性质的具体体现.在出现这种特殊情况时，可借机引导学生灵活地运用理论知识，让学生结合实际情况来分析影响流动形态的因素，使学生对层流和湍流的本质区别有更深刻的体会.这样，对拓宽学生的思维方式、增强学生观察和分析实际问题的能力能起到积极的作用.

1.2 在实验中引入实际工程问题

在实验过程中引入实际生产中出现的工程问题并探讨解决方案，是利用化工原理实验对学生进行工程教育的另一条有效途径.教师可在实验讲解时或在实验过程中设置和生产实际有关的工程问题，让学生带着问题去一步一步地开展实验，通过实际操作来寻求解决问题的办法.这样，使学生对工程问题有了亲身的体会，有利于调动学生学习的积极性，培养学生解决实际问题的能力.例如,在流体流动阻力测定的实验中，可引入在工程装置中怎样寻找管路堵塞的问题.随着学习内容的深入和实验次数的增加，实际工程问题的难度可以逐渐加深.例如,在板式精馏塔塔板效率的测定实验中，可先提出问题“影响塔板效率的因素有哪些”或“如何提高塔板效率”，让学生围绕提高塔板效率的问题去查阅文献，从而获得由实验数据到实际生产数据的丰富资料.然后,让学生对文献资料进行分类、归纳，找出规律性和特殊性的东西.

上课时,可组织学生针对问题，根据所查文献展开讨论，鼓励学生大胆质疑.最后,制定出提高塔板效率的措施、方法，在实验中对所制订的方案进行实践验证.这样,学生所学的理论知识和实际问题紧密结合起来，提高了学生分析与解决实际工程问题的能力.实验中,还有很多类似的问题，如实际吸收操作中常见问题的分析及排除、传热过程中传热效率的提高途径等[5-6],经过这样不断的训练，使学生在实验中逐步地接触实际工程问题，树立起工程观念.

2 课程设计中的工程教育

化工原理课程设计是化工原理实践教学的又一重要环节，是学生学完化工原理课程后进行的一个具有总结性、综合性和实践性的教学环节，是综合应用所学理论知识、以某一单元操作为主的设计实践过程.课程设计不仅与化工原理课程内容紧密相连，而且还与先修的机械制图、化工设备机械基础、物理化学等基础课程的内容密切相关.通过化工原理课程设计这一实践环节的训练，可以使学生将以前所学的基础理论知识有机地结合起来，共同用于解决一个特定的实际工程问题，初步掌握化工单元过程与设备设计的基本程序和方法，具备正确使用有关技术资料的能力.课程设计所要解决的问题都是工程实际问题,在解决这些问题时既要严格遵循相关的基础理论，还要考虑实际情况，并且对于影响设备实际运行的一些次要因素也不可忽略.因此,在设计过程中需要学生从技术、经济、安全操作等多方面进行综合分析，这有利于学生工程观念的树立和工程能力的培养.

通常，开设化工原理课程设计的基本内容为：(1)设计方案的确定和论证；(2)主要设备的工艺设计计算；(3)主体设备结构、接管尺寸的设计；(4)主要辅助设备的设计或选型；(5)将设计结果编写成设计说明书，并绘制相应的工艺流程图和主体设备装配图；(6)对设计过程的评述和有关问题的讨论[7].通过课程设计教学过程，可使学生掌握化工设计的基本程序和方法，这是对学生进行工程教育、培养学生工程素质的重要教学过程[8].

2.1 基本工程素质的系统训练

课程设计可对学生进行基本工程技能和素质的系统训练，逐步培养其工程意识.学生在拿到设计任务书以后，首先要做的就是去查阅各种设计资料；然后，根据自己的设计题目和掌握的设计资料逐步建立起自己的设计思路和方案,通过设计计算得出设计结果；最后，编写设计说明书，绘出主体设备装配图和工艺流程图来表达自己的设计内容.这是一个复杂的学用结合的过程，为了完成一个系统的课程设计任务，仅靠已有的书本知识还远远不够.在这一过程中,学生必须接受作为工程技术人员所必备的基本工程技能和素质等方面的系统训练，包括工具书、国家标准和规范的使用，经验公式和经验数据的选择，设计成果的分析判断，用简明的科技语言描述自己的设计思想，用清晰的图表表达自己的设计成果等.

课程设计过程可锻炼学生综合运用所学工程知识的能力.例如，在画装配图时，由于化工设备既有一般机械设备的共性，又有其独特的结构特点，化工设备图需要详细地反映设备结构、制造要求和各零部件装配连接关系，清楚地表达出设备的技术特性参数和技术要求以及对外连接关系,这就决定了化工制图有其独特的表达方法.学生虽然学过机械制图，但要正确绘制出化工设备图，还需要了解化工设备图的画法.课程设计这个实践过程可以使学生对有关化工设计规范和标准有一个从抽象理论到具体实践的深刻体会，学生的工程制图能力得到全面提高，工程设计的基本素质得到系统训练.

2.2工程技术经济观点的树立

过程经济性分析是现代化工设计与生产的基本要求[9],而化工原理课程设计所涉及的工艺计算和结构设计或设备选型等，可让学生直接接触工程经济性问题.因此,课程设计是对学生进行工程观念和工程经济意识培养的重要教学环节.在设计过程中，操作参数的合理选取实际上是技术上的可行性与经济优化的结果，考虑了固定资产投资与日常操作费用的最佳结合，也就是考虑了设备与物耗、能耗的相互替代.经济上的优化应以总费用最低为目标，工程过程中的经济性分析体现了辩证法思想对工程实际的指导作用[10].

以精馏操作设计中回流比的选取为例,实际操作回流比应根据经济核算确定，要达到完成给定任务所需设备费用和操作费用的总和为最小.设备费是指精馏塔、再沸器、冷凝器等设备的投资费，此项费用主要取决于设备的尺寸；操作费主要取决于塔底再沸器加热剂用量及塔顶冷凝器中冷却剂的用量.随着回流比的增大，操作费不断增大，所需塔板数急剧减少，设备费减少;当回流比增大至某一值时，由于塔径增大，再沸器和冷凝器的传热面积增加，设备费又上升.因此，总费用随回流比的增大先减后增，存在最小值，对应的回流比为适宜回流比，即生产中的操作回流比.

通常情况下，适宜回流比R取最小回流比Rmin的 (1.1～2.0)倍，即R=(1.1～2)Rmin.在实际生产中,操作回流比应视具体情况选择.对于难分离体系，相对挥发度接近1，此时应采用较大的回流比，以降低塔高、减少设备费并保证产品的纯度；对于易分离体系，相对挥发度较大，可采用较小的回流比，以减少加热蒸气的消耗量，降低操作费用.从这一例子可以看出,课程设计中的工程技术经济性分析需要统筹考虑物料性质、设备、物耗、能耗等各方面因素，是对学生进行工程教育和工程经济意识培养的一个关键环节.