生活实例在化工原理课堂教学中的应用

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(滁州学院 材料与化学工程学院，安徽 滁州 239000)

化工原理课程的学习对培养学生动手能力、观察能力、综合分析和处理问题的能力具有重要的应用实际意义，是学习后续专业课程的重要纽带。但是由于该课程的与工程实际联系比较紧密，学生在学习的过程中就会觉得枯燥、难学，因此导致学习兴趣不高。本文针对化工原理课程学习中出现的普遍问题进行分析，结合自己在课程教学中把化工原理在人们生活中的一些实际应用引入课堂中，以充实课堂教学内容，期望提高学生积极性[1-3]。

1 化工原理课堂教学普遍存在问题

化工原理课程是在学完高等数学、大学物理和物理化学等课程之后才开始学习的，课程的内容都与工程有关，工程实践性较强，课程中关于三传一反的原理较难理解，公式特别多。而学生一般基本没有工程实践经验，在学习过程中缺乏生产实践及经验知识，很难在短时间内掌握太多知识，因此普遍反映该课程难学、抽象、不容易理解等，从而不愿意学习，主要存在问题如下：

1.1 化工原理课程经验公式多

化工原理课程学习中有许多知识点是工程实践直接经验总结而来，而不是推导出来的，还有一些比较抽象的模型，容易使同学们觉得很枯燥无味。

1.2 学生缺乏工程经验

一般的学校都是在大二就开始学习化工原理了，学生没有真正接触过工厂是什么样的，不知道塔是什么样、反应釜什么是样等等一系列的疑问，只有在课堂上听老师一味的讲，脑海中不能够想象出化工设备是什么样的，时间久就容易不感兴趣。

1.3 化工原理课程学时有所减少

现在好多学校都在不断调整人才培养方案，化工原理课程的课时也不断减少，但是化工原理中讲授的单元操作仍然还是那么多，教师在授课中只有加快教学进度。因此会导致学生学习起来更加困难。

1.4 教师教学方法有待于改革

现在大多数高校普遍都用多媒体教学，这种教学方法对于化工原理教学尤其是不适应的，因为化工原理教学过程中既有经验公式，还有一些和高等数学知识相关的模型建立及公式推导，因此需要教师在黑板上板书，通过板书进行讲解推导一些较难理解知识点和难点。如果全部用多媒体教学，教师不板书，那就是"我念你听"的教学模式，很难保证教学质量。尤其针对一些年轻教师，入职以后就开始采用PPT进行课堂教学。缺乏教学实践经验，在课堂教学过程很难引入一些具体的、生动形象的化工生产及日常生活的实例，容易导致课堂死气沉沉，学生愿意认真听讲，导致教学效果差[4-7]。

2 化工原理课堂教学引入生活例子的重要意义

伴随着我国教育体制的改革，大学生招生数目明显增多。尤其对于一些二本院校，生源相对来说理科底子较为薄弱，导致学生学习化工原理这样的课程积极性不是太高，教师必须想办法激发学生积极性。化工原理课程本身是一门工程应用性比较强的课程，与人们生活是息息相关的，生活中许多例子都可以用化工原理的知识来解释。如果单纯的只讲书本中的单元操作知识，学生听起来感到遥不可及，就容易失去信心学好这门课程。如果教师在讲授每一个单元操作之前先把该单元操作的知识点和生活中的素材、生活中的案例有机地结合起来，学生都很容易理解，从而把学生带到自己现实的生活中去，这样就缩小了书本知识和工厂单元操作与日常生活之间的距离，提高了学生学习化工原理课程的兴趣。从而可以使学生感觉到化工原理课程原来和我们这么相关，认识到该课程知识是较为重要有意义，学生会带着兴趣去学习，学习的积极性就提高了。因此，在化工原理课堂教学中适时引入我们生活中常遇到的生活例子，一方面可以提高学生学习课程的积极性，另一方面可以让他们认识到课程的重要性。缩小工程概念与理论知识之间的距离，逐步培养学生用理论知识进行实际案例分析，进一步解决一些工程实际问题[8-9]。

3 生活例子在化工原理不同单元操作中的应用

其实化工原理主要讲授工业生产过程中的三传：动量、热量、质量传递，根据单元操作的实际应用大致可以分成几个大部分：流体流动、传热、和传质过程(包括吸收、精馏等)。化工原理课堂教学重要的是要提高学生的兴趣，使学生想学习，想办法提高学生学习的主动性，使他们对这门课程产生兴趣，这样才能有好的效果。本人根据多年的教学实践，在课堂教学中不断探索，注意收集生活中的实际例子引入化工原理中，课堂教学中在不同的单元操作可以引入不同的生活实例，插入图片以渲染课堂氛围。让学生觉得学习化工原理可以给他们带来乐趣，收到了一定的效果。

3.1 生活实例在流体流动过程中的应用

随着我国的高速列车现在在飞速发展，大家常见的高铁在飞行过程中要产生很大的阻力，根据流体流动原理，为了减小阻力，高铁列车的头部都设计为流线型。如图1-a所示的飞机，在空中飞行时靠飞机上下面所产生的压差。在讲流体力学之前我们可以给学生解释飞机在空中飞行的原理。飞机的机翼横截面一般前端圆钝、后端尖锐成流线型，上表面拱起、下表面较平。气流在机翼前端被分成上、下两股，在机翼后端再重新汇合。由于机翼上表面凸出，空气在其上面流通的空间相对较小，因此空气的流速加快，根据能力守恒方程我们可以知道机翼上方的压力低。而飞机机翼下表面比较平坦，空气的流通空间较大，而且机翼与水平面有迎角，空气流通受阻挡，流速减慢，因此压力增大。于是在机翼上、下表面出现了压力差，垂直于气流方向的压力差则产生机翼的升力，从而确保飞机在空中安全飞行。

我们经常看到大雁在天空中飞翔，一般都是排成人字阵或一字斜阵，并定时交换左右位置。大雁之所以这么飞行实际上是空气流动所起作用，它们在飞行中后一只大雁的能够借助于前一只大雁的翅膀所产生的空气动力，随着前一只大雁翅膀的拍打导致空气瞬间流动产生负压，使周边空气加速流动，从而使后面一只大雁飞起来省力。

图1 生活实例在动量传递过程中的应用

流体流动是化工厂中最基本的现象，但化工产品具体生产过程对学生而言很遥远。因此，我们用学生宿舍楼供水系统的设计作为流体流动过程的切入点。可以提出一系列的问题，让同学们思考，产生疑问带着疑问去学习。比如可以问大家为了保证每个楼层的同学都能顺利用水，就要维持楼底水管中有一定的水压，为了维持这个水压，水塔就必须建设成一定的高度，如何把水送到楼上? 还有我们如何保证当所有水龙头都打开时，如何保证每个不同楼层出水量是一样? 还有假设楼底输送水压保持不变，采用关小一楼水龙头的方法，能否使楼上几层的出水量增大呢? 要解决以上问题，这个时候可以告诉同学们必须要掌握柏努利方程、连续性方程、管路阻力损失的计算、离心泵的选用等重要内容，从而提高了学生学习的积极性。等学完流体流动这一章之后，我们针对这一问题安排了专门的讨论课和同学一起解决以上各个问题，既对前面所学的知识进行了复习，有提高了学生的兴趣，解决了疑问，达到了真正的学习效果。

图2 生活实例在流体输送过程中的应用

图2-a是家庭常用的抽水泵，同学们一定很熟悉，但有时候会出现电机启动了发出嗡嗡的响声，但是水抽不上来，告诉大家这就是气缚现象的发生，如何解决呢，只要打开六角螺栓灌水就解决了。图2-b是我们家用的筛米机，给同学们说明稻子经过碾压之后里面既有稻皮又有大米，而大米的比重比稻皮要大，因此经过手摇的风机之后，就可以把大米和稻皮分开了，这里面主要利用密度的不同实现了非均相的分离，属于物理方法的机械分离。

3.2 生活实例在传热过程中的应用

热量传递是化工原理三传中重要的一传，在化工生产过程中随从可见，所有的化学反应过程都要吸收热量或者放出热量，是工程技术领域中极为普遍的一种能量传递现象。在日常生活中的应用实例也非常多，例如烧水煮饭、空调制冷、火炉取暖、穿衣服、盖被子等等。在讲该单元操作之前可以问同学们一些问题。例如：常见的暖气片是什么形状的？我们冬天盖棉被是把新棉絮的被子贴身盖还是不好的贴身盖? 炉子烧水中壶底的温度是接近于火焰的温度还是水的温度? 针对这些问题的提出要同学们进行思考，并想想都是为什么。这样同学们可以带着疑问学习，提高学习兴趣。

图3 生活实例在热量传递过程中的应用

在学完传热单元操作之后，为了强化学生对传热过程及强化传热手段的理解，我们可以上讨论课，对前面提出问题进行讨论。常见的暖气一般都做成片状主要是为了增大散热面积；冬天盖棉被，主要是为了防止我们体内的热量散失到周围环境，达到更好的保暖效果，应该把保暖性好新棉絮被子盖在里面，是因为新的棉絮必然导热系数小，传热效果差，可以避免体内的热量散失。使大家明白一个生活常识，将保暖性能好的保温材料放在内层可以取得更好的保温效果；还有为什么穿同一件衣服，有风时候比没有风的时候会觉得凉呢，从传热的角度解释，这是因为风使衣服周边的空气发生流动，产生强制热对流传热，从而使传热速率大大增加所致；对于炉子烧水，大家通过对流传热知识的学习，很容易知道壶底的温度是接近于水的温度，因为我们知道火焰传递热量到壶底是靠空气的自然对流方式传热，而壶内的水沸腾传热属于强制对流传热，其传热系数远大于空气自然对流传热系数，因此在稳态传热情况下很容易推导出壶底温度接近于水温。讨论课之后，学生们普遍认为结合这些日常生活的例子使课程学习学起来轻松多了，可以更加深刻的掌握机械枯燥的化工原理理论。

3.3 生活实例在传质过程中的应用

化工原理讲授的主要是化工生产过程中的物理过程，其中化工生产的核心部分是化学反应，化工原理所讲授的单元操作是化学反应的前后处理部分。也就是对于前期原料的净化和后期产品的分离，因此质量传递过程对于化工过程来说在分离净化方面具有重要的意义。而除了生产过程有质量传递发生，在日常生活中也随处可见。

图4 生活实例在质量传递过程中的应用

在讲授质量传递之前我们可以插入图片，引入实例如图4所示，图4-a是大家都知道的雨后空气特别清晰且凉爽，可以告诉同学们这是因为在雨来临时，空气中水汽增多，气压降低，使人有闷热的感觉；下雨时，因水汽凝结成水滴要吸收一部分热量，雨停后，暖空气过去，该是冷空气移过来的时候，所以人们会感到比较凉快。同时在下雨过程中，天空中有很多灰尘杂质，当要下雨时，这些灰尘杂质都为空中水汽起了凝结核的作用，水汽粘附在它们上面变成大的水滴而降落到地面。雨滴降落时，低层空气中的灰尘杂质也会粘附在上面一同落地。同时，在雨水降落过程中会吸收空气部分的CO2、SO2和NOx等有害气体，自然会使人感到空气特别新鲜。图4-b图是人们常见的打开碳酸性饮料时，会有泡沫出现，主要是因为饮料在发酵时产生了大量的二氧化碳，在装瓶时又在一定压力下充入了一定量的二氧化碳。而打开瓶盖的瞬间，压力降低，溶解度减小发生了解吸过程，所以有泡沫出现。图4-c图是酒类生产过程，酒的生产主要是利用蒸馏技术分离水和酒精，当然在酒类生产中，除了提纯还有其他的各类工艺的组合应用，比如除浊和香分的分离。生产白酒的发酵过程是一个很复杂的过程，粮食淀粉分解过程产生各种有毒的化学成分，如甲醇、杂醇油等有害物质，该类物质分子较小，容易挥发，沸点在60℃左右为多。所以，在蒸馏锅炉不断加温，蒸馏过程出来的初始酒液不能喝。蒸馏时如果初期温度过高的话，甲醇、乙醛、乙缩醛、杂醇等成分可能会大量存在于酒头中，酒的口感辛辣，感觉食道都非常刺激．所以白酒蒸馏必须弃去酒头，

4 结束语

总之，生活中应用到化工原理的实际例子很多。在化工原理课程讲授过程中要采用适当的方式引入生活中常见的贴近我们生活的实际例子，来提高学生的学习兴趣，促进学生主动学习。通过常见的生活事例讲解各种单元操作的基本原理和规律，为单调枯燥的理论学习注入了活力，学生爱听，易懂，记忆深刻，也增加了学习兴趣。所以，要搞好化工原理的教学，提高教学效果和教学质量，必须在教学中多渠道培养学生的学习兴趣，充分调动学生的学习积极性，使其沿着愿学、会学、学会的方向发展，从而更好地学好本课程，为后继专业课的学习奠定牢固的基础。