如何通过化工基础实验提高学生的综合素质*

李学慧 吴正舜 陈义锋 伍强贤

(华中师范大学化学学院 湖北武汉 430079)

化工基础实验教学除传授基本化工知识外，更重要的是教授学生如何用所学的知识解决化工生产过程中的实际问题，培养学生具有从事科学研究和产品开发的初步能力，培养学生的工程意识和技术经济观点，使学生初步掌握一些有关化学工程学的实验研究方法和实验技术[1-2]，这是这门课程的最大特色。本文从化工基础实验的教学目标出发，谈如何通过化工基础实验培养学生从事科学研究工作所具有的基本素质，如数据处理能力，观察事物以及发现问题、分析问题、解决问题的能力，并在此基础上培养学生的创新能力。

1 培养学生的数据处理能力

近几年来，我院化工基础实验设备经过了全面更新，对化工基础实验数据实行了计算机数据采集与监控，学生只需要按几个按钮就可以轻松完成实验，但实验完成后如何进行数据处理却不是容易的事。如有些实验是常规性的验证实验，如流体阻力系数与雷诺数的关系、离心泵特性曲线的测定以及传热系数与雷诺数的关系。在这些实验中，学生通过处理实验数据，一方面可以巩固和加深对课堂所学基本概念和基本原理的理解；另一方面还能提高数据处理能力；同时还能了解常规数据处理软件如Origin、Matlab以及Polymath的应用，为以后从事科学研究打下良好的基础。

在离心泵性能测试实验中，学生通过实验测得了不同流量(Q)下的扬程(H)、功率(W)以及效率(Ita)，由于扬程、功率以及效率之间的数量级关系不同，如要在同一个图中反映它们与流量之间的关系，就要求学生清楚Origin软件的双Y轴画图功能，通过右Y轴的右偏移即可达到上述目的。例见图2的离心泵性能曲线。

图1 阻力系数与雷诺数的关系

图2 离心泵特性曲线的测定

在传热实验中，学生通过实验可得到不同空气流量下，通过蒸汽传热后的进出口温度，并可通过查阅手册、工具书获得相关物性数据，进而算出不同空气流量下光滑传热管与粗糙传热管的努塞尔数(Nu)、雷诺数(Re)以及普朗特数(Pr)；然后在双对数坐标中，通过线性回归分析，可以得到Nu、Re以及Pr之间的关系(图3)。

图3 传热系数与雷诺数的关系

此外，在化工基础实验中，如何分析判断所测定的实验结果正确与否非常重要，但很多实验要经过数据处理后，才能知道实验数据是否正确合理。这就要求学生必须熟练掌握实验所涉及的知识原理。

类似问题还出现在精馏实验中。对于部分回流时，由于实验过程中回流液的温度难以保证刚好在泡点下回流，通常是在过冷液体状态下回流，这样对于塔内真正的回流量要比实际控制的回流比大，即回流入塔的过冷液体会将部分上升的蒸汽冷凝下来，变为液体向下回流，相当于增大了塔内的回流量，使精馏段的操作线远离平衡线，增加了气液相的传质推动力，有利于传质。在相同的塔板数下，此结果将导致塔顶易挥发组分浓度加大。

对于这些问题的分析与讨论，不仅要求学生会做实验，还要求学生从实验中去发现与所学的理论知识表面上看似有矛盾的问题，再通过仔细分析，找到答案。这样不仅能巩固所学的知识，还能在实验过程中提高分析问题与解决问题的能力。

2 加深学生对所学知识的系统认识及其相互联系的了解

化工基础实验单独设课对理工科学生很重要，其目的不仅是传授化工知识，更重要的是改变了传统的实验教学依附于理论教学的模式，不仅能提高学生的动手能力，而且有助于加深对理论课的理解，增加对所学知识的系统认识以及知识间相互联系的了解。如在物理化学课程中，学生已经学习过相图及相律，也做过不少习题，但应用到化工基础精馏实验过程中，大部分学生对于如何利用已学的相图知识来确定对应的塔顶以及塔底的气、液相组成却不是很清楚，其主要原因是缺乏对知识的系统认识。

对于二组分精馏分离，其自由度为2，当操作压力以及对应操作的温度已知时，这个系统应该是唯一确定的。如在蒸馏实验中，若实验过程中塔顶气相温度t1以及塔底液相温度t2为已知温度，操作压力为常压，则利用安托因方程，通过相平衡方程即可确定被分离组分在塔顶气相以及塔底液相的组成(表1)。对于上述系统的计算，实际上就是所谓露点计算和泡点计算问题。

表1 被分离组分的安托因常数

(1)

对于塔顶气相组成的计算可按露点计算进行，因气相温度及操作压力已知，由相平衡方程有：

yi=kixi

(2)

且气、液相组成满足归一方程：

(3)

对于理想体系，相平衡常数为：

(4)

式中p为系统操作压力。代入式(3)有：

(5)

(6)

式中各组分的安托因常数以及操作压力p和对应的塔顶气相温度t1均已知，通过式(6)即可计算出塔顶的气相组成y1，也即馏出液的组成。在实验中，当塔顶温度为80.5℃时，通过Polymath软件计算可得到对应的塔顶馏出液组成为y1=0.9184。

(7)

(8)

式中各组分的安托因常数以及操作压力p和对应的塔底液相温度t2均为已知，通过式(8)即可计算出塔底液相组成x1。在实验中，当塔底温度为86℃时，通过Polymath软件即可计算出对应的塔底组成为x1=0.4498。

3 将计算机引入实验课堂

图4 化工基础吸收仿真实验界面图

由于初涉化学工程领域的学生对化工过程及设备缺乏必要的感性认识，不易理解化工过程的机理、复杂设备的内部结构以及物流的内部状态，更谈不上提高创新能力。而将计算机引入实验课堂，通过改进实验教学方法，采用Flash软件开发的化工基础动画实验软件(图4)，可以在做实验之前，先通过动画实验了解实验的基本原理、认识相关实验装置和掌握实验操作步骤，并对如何处理测定的实验数据有一个初步的了解，从而可减少实物实验过程中因误操作导致的对实验设备的损坏和对实验数据处理的盲目性。此外，引用仿真实验软件，可以利用多媒体技术演示化工设备的工作原理、化工单元操作的工艺流程以及设备的内部结构[3-4]。学生对所学的内容可有身临其境的感觉，有助于调动学生学习化工实验课程的积极性。同时，通过仿真虚拟化工实验还可使学生在做实验前对实验过程中的注意事项,仪器各部分的名称、用途,以及要记录的数据有初步的了解。

另外，将计算机引入实验课堂，还可以使学生在计算机语言课程中所学的计算机语言得以应用。一方面可解决化工基础实验中有些需要编程求解的问题，另一方面，学生在用所学知识解决实际问题的过程中，能尝到成功的滋味，从而进一步激发学习兴趣。

4 培养学生的团结协作能力

由于化工实验设备与普通化学实验设备相比，通常比较昂贵，而且占地面积大，且实验过程中要测定的数据比较多，往往一个学生既要操作实验设备又要记录实验数据，难以同时完成，这就要求学生实验组成员之间分工协作、团结互助来完成实验，通过这个过程，可以培养学生的团队合作精神，这在科研工作中是非常重要的。

5 结论

化工基础实验课是用所学的理论知识解决实际问题的一门实践性与应用性都很强的专业基础课。通过该课程的学习，可以培养学生作图能力、数据处理能力以及观察事物、发现问题、分析和处理问题的能力，为学生以后从事科学研究工作打下坚实的基础。同时，通过该课程的学习，有助于加深对理论课的理解，增加对所学知识的系统认识；此外，通过该课程的学习，学生还能将所学的计算机语言应用于化工基础实验中，并了解目前化工过程中常规的数据采集单元与监控原理。

参 考 文 献

[1] 傅延勋,徐铜文,杨伟华.大学化学,2008,23(1):8

[2] 傅延勋,杨伟华,瞿其曙,等.大学化学,2004,19(1):30

[3] 钱运华,胡涛,吴彩金,等.高教论坛,2007(2):59

[4] 李磊.广东化工,2008,35(3):101