化工原理课程教学方法初探

2013-09-05郑建东葛秀涛李永红

宿州学院学报 2013年10期

关键词：课程设计原理化工

郑建东,葛秀涛,李永红

滁州学院材料与化学工程学院,安徽滁州,239000

化工原理课程教学方法初探

郑建东,葛秀涛,李永红

滁州学院材料与化学工程学院,安徽滁州,239000

化工原理课程是化学工程与工艺专业的一门必修专业基础课,是学生掌握各类化工单元操作的基本理论知识以及培养动手能力和创新能力的重要课程。从化工原理课程教学入手,对理论课程、实验教学及课程设计三个重要环节的教学方法进行了探讨,提出了“归纳总结,结合实际案例教学”等教学改革措施,提高学生的学习兴趣,以提高教学质量。

化工原理;理论教学;实践教学;教学方法

当前,随着我国经济的快速发展,应用型人才的需求量飞速上升。许多地方高校已经把应用型人才培养作为自己的办学定位,力求培养大学生的应用能力。针对应用型人才的培养,高校教师需要对过去的传统理论课程教学进行改革[1-3]。对于化学化工类专业来说,就更应该根据现代化工企业对应用型人才的要求,进行教学改革。笔者结合自己多年从事化工原理课程理论与实践教学的经验,谈一些课程教学改革的体会和看法。

1 课堂教学方面

化工原理是一门专业基础课程,学习该课程之前先必修高等数学和物理化学以及化工机械基础等课程。该课程主要讲授化学工业生产中所涉及的各个单元操作,强调用工程学的观点去分析化工生产过程,为学习反应工程等专业课程打下良好基础。它是综合运用数学、物理、化学等基础知识分析和解决化学加工生产中各种物理过程问题的工程学科,承担着工程科学与工程技术的双重教育任务。学生学习化工原理课程,要掌握化工生产过程中各单元操作的工作原理,了解各个单元操作之间所存在的共性,了解连接各个单元操作的“三传理论”,逐步培养利用化工原理的知识看待、分析和解决工程实际问题的能力,并具备工程师的素养。但是,化工原理课程内容较多,而且有许多经验公式和分析方法学生学起来有一定的难度,因此,对于该课程的理论教学,值得每一位任课教师关注。

1.1 对比、归纳、总结,发现各单元操作的共性

化工原理课程主要包括流体流动及输送、沉降分离、搅拌、传热、吸收、蒸发、精馏、干燥及结晶等各种单元操作内容。不同的单元操作之间存在一定的共性,都可以分解为动量传递、热量传递和质量传递。因此,传递过程是联系各个单元操作的一条主线。教师在给学生上课时,一定要学生了解化工原理课程要讲授的内容。告诉他们化工原理课程其实就是讲单元操作,而单元操作又是化工企业所不可或缺的。不同的化工厂、不同的生产工艺过程都会有不同的单元操作。但是所有的单元操作都遵循共同的规律,如能量衡算、物料衡算、过程速率等。任何一个单元操作都严格遵循能量衡算和物料衡算,同时过程进行的速率大小都是取决于过程推动力与阻力的比值。要对学生强调不同的生产工艺可以有自己的特点,例如,古希腊人通过蒸馏,先使海水变成水蒸汽,继而使之变成液体,这样,海水就变成了可饮用水;这个过程是简单的水分离过程,是一个精馏单元操作。相比之下,我国石化行业炼油厂原油加工中的烃类分离,也和前面水分离一样,都是采用精馏过程,但是烃类分离有其自身的特点,要比水分离复杂得多。这两个过程看起来有很多不同的地方,但是归根结底都遵循了质量传递和热量传递过程,只不过是操作条件有所不同。

化工单元操作之间存在着一定的共性和内在联系,往往是两种或两种以上的传递过程同时发生。化工原理课程中的“三传”(质量、动量和热量的传递)既具有相似之处,同时又有不同之处。例如三个重要定律:

比较这三个定律,它们的表达式基本相同,但各自提出了一个新的物性参数:粘度、导热系数和扩散系数。牛顿黏性定律说明了流体相互接触过程中黏性力的大小与速度梯度大小及流体的黏度有关;傅里叶定律说明了温度不同的物体之间的热量传递与温度梯度大小及物体的导热系数有关;而费克定律指明了两个不同组成体系间的物质传递与浓度梯度大小及物质间的扩散系数有关。

流体的流动形态分为层流和湍流。在传热和传质过程中,有对流传热和对流传质,其中两种传递过程的阻力都来自接触面间的层流内层。动量传递速率的大小与热量、质量传递速率之间存在极其相似的规律。其中,大家熟悉的是柯尔本 j因子类似法,具体内容见表 1[4]。

表1 质量传递与热量传递的比较

总之,在化工原理课程讲授过程中,只要教师围绕“三传”,就会发现其间有许多理论和公式颇为相似。因此,教师在课堂上要善于总结和归纳,也可以让学生进行讨论总结,把所有的单元操作串联起来,这样,有利于学生对于各个单元操作知识的掌握,更有利于学生接受新的知识。

1.2 引入生活实例,提高学习兴趣

传统的填鸭式教学是教师讲、学生听,学生被动地学习,学习积极性不高,教学效果不佳。因此,在教学过程中,教师必须想办法提高学生的学习主动性,要让学生自己愿意去学。为此,任课教师必须对学生强调化工原理课程在日常生活中的重要性,让他们了解日常生活中的现象,如为什么冬天盖被子时把鸭绒被贴身盖呢?在炉子上烧水时,水壶壶底温度接近于火温还是水温等,告诉他们这些问题可以用化工原理的知识解决,这样,可以调动学生的学习积极性,从而提高学习兴趣[5]。

在讲授伯努利动力学方程时,笔者问:飞机为什么可以在空中安全地飞行,有的同学认为是空气浮力的作用,也有同学认为是飞机上下压强差的作用。此时,学生带着疑惑,笔者抓住时机,给出正确答案:飞机之所以能起飞,是因为机翼上下形状不同,在运动中上下翼产生的压力不同,下翼压力高于上翼,所以可以起飞。这是伯努利方程的一个典型案例。在传热讲授中,以家庭暖气片为例:从房间内暖气片的换热现象开始,以提问的方式引导学生。首先,介绍换热片的传热原理,引出传热的第一种方式:热传导;接着,假设房间内有空气流动,如风扇强制空气对流,使得传热速率加快,房间里的人很快感受到温度的升高,这就是“热对流”。在给出热对流和热传导的定义后,引出热辐射。在自然界中,热辐射存在于很多地方,例如,太阳对地球的热传递,人能感受到热量,这是由于太阳以热辐射的方式向地球传递热量。这样,三大传热方式的简单原理已解释清楚。另外,在讲侧线采出时,还可以给学生提出这样的问题:如何对三个组分进行分离?大多数同学认为需要两个精馏塔,但使用两个精馏塔需要大量的能耗。因此,笔者不失时机地指出:从塔的某一部位采出中间馏分,便可以降低能耗。在化工原理课堂教学中,根据教学内容引进一些实例,一方面可以提高学生的学习兴趣,另一方面可以促进学生由被动学习转变为主动学习。

2 实践教学方面

2.1 实验教学

化工原理实验教学的基本任务是使学生加深理解和巩固化工原理课程中所学习的理论知识,让学生亲自动手去操作一些化工生产设备,培养学生解决化工生产实际中所出现问题的能力,要求他们在实际操作过程中熟悉实验流程、对实验方案提出有指导性的建议、注意观察一些实验现象,从而提高分析问题和解决问题的能力。特别是在培养学生实际动手能力、创新能力和开发学生智力等方面发挥着重要的作用[6]。

实验之前,教师一定要要求学生认真预习,了解实验的目的,熟悉实验的基本流程。例如,最简单的雷诺实验,理论教学时,讲到流体的流动形态分为层流和湍流,层流的表现形式就是流体流速较低时,流体像一条线一样通过管道,而湍流却是质点的剧烈脉动。学生掌握了理论知识,预习实验讲义,了解实验目的,他们就愿意通过实验,亲自操作调节流速大小,看到流体的流动形态,从而调动学生的实验积极性。

实验教学中,要强调化工原理实验不同于其他基础化学实验,它重在培养动手能力。在课堂上,要给学生讲清楚实验的注意事项以及违规操作会出现的后果。比如,在阻力测定实验中,告诉学生要先打开平衡阀,否则易导致水银冲出。当然,也可以以提问的方式,引导学生思考。结合实验装置给学生进行适当的讲解,让学生对实验装置有一定的感性认识,了解实验步骤和注意事项。在学生实验过程中,要做到放手不放眼,勤于观察,注意各组学生的实验效果,让学生在实验中巩固所学的理论知识。比如,让学生观察、比较孔板流量计的压差和永久压差的大小,以理解孔板流量计的缺点是能量损失大。

为了对实验教学工作进行有效的组织管理,应制定严格的考勤制度、请假制度、成绩考核制度以及学生实践成绩的登记制度。

化工原理实验单独设课,可采取平时成绩和期末成绩综合评定的办法进行考核。其中,平时成绩包括实验考勤、预习情况和实验表现。期末考试时,教师拟题卡,并制定评分标准;试题分两部分:一部分是实验原理等基础理论知识的考核,另一部分是实验现场动手操作考核,考核内容由学生抽签决定。最后,教师将学生平时成绩和期末成绩按一定比例综合评定,给出实验课的最终成绩。这样的考核,不仅能强化学生对理论知识的掌握,而且还能培养学生的实验技能,提高学生的学习兴趣。

2.2 课程设计

化工原理课程设计是理论教学到一定的单元操作之后,根据实际情况开设的一个实践教学环节,一般都是在传热和精馏、吸收这些单元操作进行。课程设计是综合运用化工原理及有关先修课程所学的知识,完成某一化工单元操作(或设备)设计任务的一次基本训练,也是让学生进一步树立工程观点,培养独立工作能力的必要手段。指导教师布置任务,每个学生独立完成一个题目。学生通过课程设计,学会运用化工原理知识分析和解决工程中所遇到的实际问题的基本方法。

在课程设计实践中,题目的设置和教师的指导方式至关重要。教师一定要按照课程设计大纲的要求,考虑设计时间、学生水平和能力等具体情况,合理选题。把生产过程中的主要特点和设计思路告诉学生,让学生自主完成。整个设计要在一或二周内完成。教师要不定期的进行指导、检查,并协助学生查阅参考书和一些物性资料等。对设计方案的确定、工艺参数的选取以及一些经验公式的应用,都要适时地给学生进行讲解。另外,对有关设备的结构设计和附属设备的选型要及时提出指导性意见,让学生在比较中培养和锻炼工程设计能力。以往在布置设计任务时,总是把手工制图看成是化工原理课程设计中一项非常重要的内容,学生为了完成这项任务,花费了大量的时间和精力。为扭转这一局面,笔者在课程设计改革中,大胆尝试,取消了手工制图,改用计算机绘制流程图,并结合工程实际和课件本身的功能,对设计任务书进行全面调整,很多过去笔算的内容由软件来进行计算。这样,学生的设计不仅比笔算全面,而且精确。在时间和空间上给学生以最大的自由,充分调动学生的主观能动性,充分挖掘学生的潜力,给传统的课程设计教学注入了新的生机和活力。