新工科背景下化工原理课程教学内容设计探究

韩丁波，王力川，王彩君，王秀玲，梁慧锋

（邢台学院，河北邢台 054001）

新工科的建设是我国工程教育改革的新方向，其内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才，具有战略型、创新性、系统化、开放式的特征[1]。在新工科建设的大背景下，为适应新时代的需要，化工类专业的教育教学应当做出必要的调整，各大院校的化工教育工作者们也都提出了面向新工科的人才培养模式[2-5]，探索新的教育教学改革方案。

化工原理课程是化学工程与工艺、制药工程、应用化学等专业的一门主干课程，主要涉及到化工单元操作过程，是一门既涉及基础理论知识又强调工程技术应用的课程。在化工原理课程的教学中，奋斗在一线教学的教师总结分享了珍贵的教学经验[6-9]。本文在新工科建设的大背景下，提出针对化工原理的教学内容设计方案和教学方式的改进措施，以培养适应新时代变化的多元化工程应用型人才。

一、夯实基础，适当拓展前沿知识

新工科的建设注重新技术、新产业，如新一代信息技术产业、新材料、新能源汽车制造业、新能源与节能环保产业等。但是，建设新工科并不是要摒弃传统的基础知识，而是在熟练掌握基础知识的前提下，适当拓展前沿知识，以开拓学生视野，了解行业新动态、新方向。

化工原理作为化工类专业的基础专业课程，主要介绍了化工过程各个单元操作，包括流体输送、过滤、传热、精馏、吸收、干燥等操作过程，既涉及到一些理论知识，又有丰富的工程经验。比如，在讲解精馏操作过程中，首先要介绍精馏的原理，精馏主要是利用混合物中各组分挥发度不同而将各组分加以分离的，混合物在精馏塔中经过多次的部分汽化和部分液化过程，在塔顶就可以得到较高纯度的轻组分产品，在塔釜可以得到较高纯度的重组分产品。精馏操作在化工分离过程中应用广泛，是非常重要的单元操作过程。因此，在化工原理教学过程中，要用较多的学时讲解精馏过程，以夯实学生基础。但是，精馏操作在工程应用中也存在一些弊端，如能耗较高、设备投资大等。为此，可以向学生拓展前沿知识，介绍一些新的分离操作手段。比如，针对精馏过程能耗高的缺点，可以采用膜分离技术。膜是具有选择性分离功能的材料，利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。其具有高效、节能、环保等特点，已广泛应用于医药、环保、化工、石油、水处理等领域。通过对精馏过程和膜分离过程的对比，阐述各自的优缺点，使学生对前沿知识有了认识，开拓了视野。

再比如，在计算精馏塔理论塔板数时，常用的方法有逐板计算法和作图法，但是当分离的物系较为复杂时，手工计算法就难以满足要求，针对这一问题就要借助计算机进行模拟计算求解。因此，可以向学生拓展计算机模拟计算求解化工问题的相关知识，介绍流程模拟软件如Aspen Plus等。采用Aspen Plus可以较为方便的计算复杂体系的分离过程，利用其中的精馏塔模块，很容易计算出所需的理论塔板数，因此Aspen Plus软件在指导化工设计中发挥了重要作用。督促学生有意识的学习相关化工模拟软件，可以为以后的工程设计应用打下基础。

二、注重应用，理论联系实际

对于应用型本科院校来说，新工科建设应注重理论教学与生产实际的结合。在化工原理理论教学过程中，应该强化“应用”意识，就是在教学过程中，把化工单元操作基础理论知识和化工生产实例及生活中的应用结合起来。

例如，在讲解流体输送泵的选用和安装时，要结合生产实例。比如离心泵结构简单、经济耐用，在工业生产中应用最广泛，主要用于输送低粘度液体。但是，离心泵无自吸能力，使用前需要灌泵，防止气缚现象发生。而一些容积泵，如往复泵、螺杆泵等，本身具有自吸能力，可以应用在一些特殊场合，还可以输送粘稠液体或膏状液体等。再比如，离心泵使用时有安装高度的限制，如果泵的安装高度过高会产生汽蚀现象，引起泵的异常震荡和损坏。因此，工厂使用泵时常将其放置在一楼地面，而不是二楼或更高层的楼层。

在讲解传热过程时，可以举生活中常用的热水保温瓶为例。一般我们认为热量传递有三种基本方式：热传导、对流传热和热辐射，而盛有热水的保温瓶向外界散发热量的过程，刚好涵盖热量传递的三种方式。瓶内热量通过瓶塞散热的方式属于热传导；瓶内的热水与瓶塞在无直接接触的情况下，热水到瓶塞的热量传递方式主要属于对流传热；瓶内胆为真空结构，只能通过热辐射散失热量，内胆镀银可以有效减少向外界的热辐射。而保温瓶内胆的真空结构一旦破坏，内胆夹层进入空气，热量通过内胆壁就会以热传导和对流传热的形式散热，保温瓶的保温效果大幅降低。

通过强化教学内容的“应用”意识，学生不但掌握基本理论知识，而且还了解了这些理论知识在工业生产及日常生活中的应用，让学生的学习更有兴趣。

三、强调过程，教学手段多样化

新工科建设围绕大力发展大数据、云计算、物联网应用、人工智能、虚拟现实、基因工程、新材料等新技术、新产业相关的新兴工科专业，推动现有工科交叉复合、工科与其他学科交叉融合等。因此，在化工原理的教学过程中，可以适当引入信息化技术。例如，引入虚拟现实技术用于实践教学，采用虚拟现实技术构建出化工设备模型，甚至构建出完整的厂区模型，学生只需佩戴上相应智能设备就如同身入其中，可以操作仪表阀门、组装管道等等。由于所有操作都是虚拟的，即使操作失误也不会产生破坏和事故，学生可以大胆尝试，快速学习。因此，将虚拟现实技术引入实践教学具有重大意义。

但是，传统的教学方式也是必不可少的。比如，采用板书教学的方式，可以让学生跟上老师的思路节奏，容易集中注意力。采用多媒体教学的方式，可以提供更丰富的知识，拓展学生的知识面。在讲解设备时，采用视频进行动画播放，让学生能够直观清晰地了解设备的结构和工作原理。例如，在介绍阀门的时候，给学生播放常用的球阀、截止阀、闸阀等各种阀门的动画视频，直观地了解每一种阀门的工作原理。

此外，在教学过程中还可以采用新的教学方式，比如翻转课堂。对于一些较为简单的教学内容，让学生自学、相互讨论，查阅需要的相关材料，让学生通过实践获得更充实的学习，使学生的学习由被动变为主动。这样学生不仅学习了知识，更学会了学习的方法。在新工科的教学中，需要更加注重培养学生自主学习的能力。

四、注重综合素质的培养

化工原理属于工程类课程，现在课堂所学的单元操作过程都是工程经验的浓缩、升华和结晶。在化工原理的教学中，始终要贯彻工程思维观念和安全意识。例如，在布置化工流体输送泵时，往往要一备一用，防止设备出现故障造成生产中断，酿成生产事故。这样，在课堂中有意识的引入工程实例，使学生从工程实例中学到安全意识。

此外，还要强化学生工程技术经济意识。例如在讲解吸收操作时，当吸收剂用量减少，操作费用会降低，但也会引起传质推动力的下降，若要满足工艺要求，只能增加填料层高度，设备投资费用增加；相反，若增大吸收剂用量，操作费用增大、设备投资费用降低。工程经验总结出，在吸收剂用量为最小吸收剂用量的1.1～2.0倍最为合理。再比如，采用换热器可以回收废热节省能源，减少操作费用，但过多使用换热器，投资费用会急剧增加。因此，选择合适数量的换热器，可以使设备投资费用和操作费用最优化。

再者，在新时代及未来的发展中，环境保护问题会越来越重视，因此，在化工原理课程教学中，要注意强调环保意识。比如，在大气污染治理中，工厂烟气排放的处理，就涉及到化工原理中介绍的气体吸收操作单元。在讲解吸收操作时，可以引入烟气吸收的实例，介绍相关的技术。在课程设计时，布置相关任务，如根据烟气污染物含量，设计工业尾气吸收塔等。如此，学生对环保问题会有更深层次的认识，就业更愿意投入环保行业，为环境污染治理做贡献。

总之，化工原理课程承担着从基本理论到实践工程、从基础理论到专业知识的纽带作用。该课程教学效果的好坏直接影响学生的业务素质和工程能力。在新工科建设的大背景下，只有对化工原理的教学内容作出认真思考，逐步改进教学方案，才能顺应新产业、新技术、新经济的发展，培养真正有用的人才。