应用型本科的化工原理教学中工程思维的培养初探*

谢　艳,于洪东,虞群博,王彬彬,姚　方

(衢州学院化材学院，浙江　衢州　324000)



应用型本科的化工原理教学中工程思维的培养初探*

谢艳,于洪东,虞群博,王彬彬,姚方

(衢州学院化材学院，浙江衢州324000)

化工原理是一门由理及工的桥梁课程。化工原理的教学含理论教学、实践教学、课程设计三个教学环节。根据应用型本科的办学定位，化工原理的教学应理论与实践并重、设计与应用合一，在各环节中不断渗透培养学生的工程思维。在理论教学中，研究型教学与翻转课堂教学法有机结合，体现工程思维；在实践教学中，多类型的实践环节让学生体验工程思维；在课程设计中，新颖的选题和相关软件的应用让学生体会工程思维。

化工原理；理论教学；实践教学；课程设计；工程思维

《化工原理》是一门重要的由理及工、桥梁作用的专业基础课，既有理论性又有工程性[1]。化工原理的教学含理论教学、实践教学、课程设计三个教学环节。根据应用型本科的办学定位，化工原理的教学应理论与实践并重、设计与应用合一，在各环节中不断渗透培养学生的工程思维。

1　在理论教学中体现工程思维

理论教学是培养学生工程思维的重要途径。通过理论课堂教学要使学生掌握单元操作的基本概念、基本原理及计算方法；典型设备的构造、工作原理、性能操作及其选用。然而这些知识点固然重要，作为工程类入门课程，教学的重点更在应用上。在应用中培养学生理论联系实际，灵活运用所学的能力。基于此，理论课堂教学的基本思路：将实际工业生产问题引入单元操作的开篇教学，描述过程的规律，全面分析影响过程的因素，有目的性的培养学生提出问题、分析问题的能力；提取过程场景中单元操作的精髓问题，从而引出单元操作的基本理论和公式并进行详细讲解；最后讲解例题和习题，强化查图、查表的过程及合理选用经验公式的能力，使学生在例题和习题中反复接受检索工程设计手册和技术资料等工具书的训练。

学以致用，化工原理的理论知识在化工实际生产中具有很强的应用性和针对性。在教学中以生产场景为任务驱动进行化工单元操作的过程设计，是化工原理教学中最有效的方法，是卓越工程师教育最有效的方式。研究性教学的手段应运而生，“研究性教学”以研究项目为依托，将工程的概念和理念灌输于项目研究中进行教学，使学生在研究性教学中不断的培养锻炼工程思维，是教学手段与教学目标的高度统一。[2]然而通过几年的实践，笔者发现由于课时的限制往往导致研究性教学不能很好的深入，将研究性教学与翻转课堂教学法有机结合，可以解决这一问题。

翻转课堂教学法，学生在上课前有目的性的通过观看教师提供的教学视频，自主学习课程知识，在课堂上则通过小组讨论、解决学生课前提出的问题或完成课堂作业等方式实现知识的消化[3]。这种教学模式的优点在于学生可以根据个人的能力和水平来调整自己的学习时间，同时在课堂上学生通过小组活动等方法使被动听课变为主动学习；教师则从重复性授课中解放出来，把更多课堂时间用来帮助学生共同解决问题[4]。

我校“化工原理”的教学曾获得各级精品课程、课堂教学改革的资助，已经录制了多个教学视频，这些教学视频都是翻转课堂的宝贵资源。对一部分相对抽象的概念、内容，如设备的内部结构、工作原理、物流的走向、操作工况等，课前布置任务，利用本校的视频资源或者选取网络资源、仿真软件进行学习。例如:在换热器、塔设备等的学习中，通过各种视频手段学生要求学生学习相关内容。

在课堂上，根据前期的理论学习，以任务型项目设计的方式给学生布置作业，学生经历接受任务、完成工作任务、展示成果的完整“工作过程”。设计项目结合实际生活或生产背景，从简单到复杂，逐步提高项目难度和设计要求。特别是初期，要注意联系学生的实际，激发学生的设计兴趣。如在流体力学，首先要求学生为自己宿舍楼设计选配水管。计算用水高峰期时从水厂到宿舍需要克服多少阻力？自行设计计量方式，并找出影响阻力大小的因素，影响力分别多少？在讲管路计算时，再深入研究问题，提出开水房里打开水难的问题，是不是可以通过简单的增加几个水龙头来解决问题呢？帮助分析，并联管路之间的流量是不是会产生相互影响？如何影响？又怎么消除影响？一步步的启发学生用柏努利方程，对复杂管路等问题进行分析。

通过这些小问题，小设计培养学生灵活运用所学理论知识，让学生体会到学有所用，激发学生学习《化工原理》的积极性同时深化各知识点的掌握。在设计过程中，学生还必须考虑设计的先进性、可行性，设备的开停车和正常操作中的维护、异常现象的判断等等，这对学生培养工程概念，积累工程经验有较强的推动作用。学生自行组队，人数只设上限为3人，每个小组的设计从方案到计算到图纸，都是独立完成。设计大多为开放式的选题，充分尊重学生的个性发展，给学生营造发展空间。经过独立思考、独立选择方案、检索文献图书资料、选择资料信息及相关公式、文档的编辑、图纸的绘制等等，极大的培养了学生创新能力、自学能力和团队协作精神。

在课堂上，组织学生进行小组答辩，要求学生分别阐述设计内容后，教师提出设计中的主要问题，同时鼓励学生之间进行提问，对于难以回答的问题老师帮助共同解决。各组设计方案各有所长各有所短，在答辩中，在提出问题解决问题中，学生们从别的小组的设计里学到不少东西。一些新的设计理念，甚至突破了教材所学。

2　在实践环节中体验工程思维

化工原理实验不同于普通化学实验，要更注重学生处理工程问题能力的培养，教会学生处理工程问题的实验方法。所以在实验的选择上以验证性、仿真性实验、演示性实验础，适当的增加综合性实验，设计性实验。在实验重点培养学生设备及其操作、数据处理、分析实际生产问题的能力。

我校化工原理实验室，拥有精馏塔、吸收塔、萃取等验证性实验设备二十三套，雷诺实验、旋风分离器等演示实验设备四套。配有专用机房一个，备电脑四十台，可供学生进行《化工原理》仿真实验和单元操作DCS仿真实训。同时，我校建有我省首家现代化实训基地， DCS控制中心，中试基地。这些都保障了实验开设的需要。

实验设备均体现了程特点，在各参数的测量中，采用了多种工业上常用的仪器、仪表现代测量及显示技术，以开阔学生的视野。如，流量的测量，在不同的实验设备上分别设计了转子流量计、涡轮流量计、文丘里流量计等流量测试；压强的测量，使用了U型管式压力表、数显式压力表、簧片式电接点压力表等；温度等的显示均采用了数字式显示仪表。

实验过程中及时捕捉实际工程问题、探索解决方案，也不失为建立工程观念的一条有效途径。通过对实验现象的观察，我们引发学生对问题的思考。如:在“吸收实验”中，在同一工艺条件下，分别用2种不同填料如拉西环、700X规整填料进行实验，一般说来规整填料比散装填料具有较好的吸收效果，但实验结果相反。通过这一现象引导学生思考，填料填装的重要性，会大大影响其传质效果，让学生有直接的体会。综合性实验的开展，如：流体力学的实验装置，实际涵盖了流体力学的6个实验的内容:流体力学、流量计及其校核、雷诺实验、离心泵特性曲线测试、局部阻力、直管阻力的测定，把同一类单元操作有关的相关实验综合在一台设备上，有利于学生从整体来分析一个客观工程问题，贴近工业实际，体系了其工程实际的特点。

另外，对现场设备仪表及工艺流程的观察和指导，有利于学生尽快掌握实际工程问题的方法，培养学生的工程观念，增加工程实际的兴趣。

3　在课程设计中体会工程思维

通过课堂教学中小设计的环节，学生其实对一般的常规项目已经有了较清楚认识。简单完成传统的课程设计的课题，已经不能满足一部分优质学生的需求。而且传统的设计题目大多为水-乙醇体系或者苯-甲苯等体系的分离，教材及网络上模板多，不可避免抄袭现象，达不到设计的主要目的。因此，选题非常重要。历年的大学生化工设计大赛给我们作了很好的示范，近年来大学生化工设计大赛，在培养大学生创新能力，提高化工工程设计与实践能力等方面取得了显著的成绩。大赛每年的题目均不同，与生产实际紧密相联。课程设计任务依据当年的竞赛下达，十人为大组，共同确定工艺方案后，将课题拆分成5个小组，分别对各工段如合成工段、精馏工段、重结晶工段等单元操作，按组制定题目，同组同学根据自己所长分别承担不同的设计内容。这样同时也能的激发学生参加大学生化工设计大赛的兴趣，减少大赛指导中的一些重复性工作。

Aspen plus的运算能扩展到三元及三元以上物系，使手工难以完成的项目成为可能，更加贴近实际化工过程。Aspen Plus，可以有效解决混合体系物性参数难以查找的问题，拓宽教师的选题范围。另外，可以利用 Aspen Plus模拟软件优化操作条件和并设备经济核算，如对精馏塔的回流比选择，可以多种物流就几种回流比运用软件进行计算，对比计算结果，让学生体会工程经济要统筹考虑物性、设备、能耗等多方面因素,这些都有利于学生工程思维的培养。因此，在手工计算的基础上鼓励学生在课程设计中运用Aspen plus等化工设计软件。具体操作是一种工况用手工算，多种工况的计算用软件算，这样也有利于学生对比手算和机算的差异，并分析差异的原因，进一步加深理论知识的内化。

工程思维的培养是个系统工程，对学生而言是个新鲜事物，以学生兴趣为根本，化工原理教学系列中，从理论到实践逐步深入、无处不在的渗透工程的理念。

[1]倪献智.化工原理课程教学中突出工程观点和方法教育[J].化工高等教育,2007(3):79-82.

[2]谢艳,姚方.化工原理理论教学的改革[J]. 广州化工,2012,40(10):178-179.

[3]Davies R S, Dean D L, Ball N. Flipping the classroom and instructional technology integration in a college-level information systems spreadsheet course[J]. Educational Technology Research and Development, 2013(4): 563-580.

[4]Herreid C, Schiller N. Case studies and the flipped classroom [J]. Journal of College Science Teaching, 2013(5): 62.

Cultivation of Engineering Thinking in the Teaching of Chemical Engineering Principles of Applied Undergraduate*

XIEYan,YUHong-dong,YUHong-bo,WANGBin-bin,YAOFang

(Department of Chemistry, Quzhou College, Zhejiang Quzhou 324000, China)

Chemical engineering principle is a bridge course for science and engineering. The teaching of chemical engineering principle contains three teaching steps: theory teaching, practice teaching, curriculum design. According to the application oriented undergraduate education, the teaching of chemical engineering principles should be combined with the theory and practice, and the curriculum design and application. To cultivate students’ engineering thinking in the teaching process, in the theoretical teaching, engineering thinking was reflected by the combination of research teaching and flipped classroom teaching method. In the practice teaching, engineering thinking was experienced by many types of practice. In curriculum design, engineering thinking was experienced by the combination of the novel topics and the application of the software.

principles of chemical engineering; theoretical teaching; practice teaching; curriculum design; engineering thinking

衢州学院校级课堂教学改革项目资助 (No: KG201207)；浙江省2013年高等教育课堂教学改革项目 (No: KG2013388)。

谢艳(1977-)，女，副教授，主要从事有机合成及化工原理的教学。

G642

A

1001-9677(2016)02-0158-03