化工原理课程设计的教学体会与改革*

2020-03-07湾丽娟

广州化工 2020年11期

湾丽娟

(内蒙古工业大学化工学院，内蒙古呼和浩特 010051)

化工原理是化工及相关专业的一门重要专业基础课，它担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用[1]。化工原理课程设计就是继化工原理课程之后的一个重要的实践教学环节，要求学生在规定的时间内运用化工原理课程所学知识，完成指定的化工单元操作设计任务。通过课程设计教学，一方面可以使学生巩固和加深化工单元操作基本原理，更重要的是使学生能综合运用化工基本原理知识来发现、分析和解决实际工程问题[2]。课程设计是学生对工程实际问题复杂性的初次尝试，对于工科素质和工程能力的培养起着重要的作用[3]。为了更好地适应高校对应用型人才的培养要求，提高课程设计的教学效果，针对以往化工原理课程设计中存在的一些问题，笔者进行了相关的改革和实践。

1 设计任务有别，学生协同合作

做到设计题目相近，一生一题。如果题目完全相同，有些学生就会产生惰性思维。一生一题可以保证每位学生都得到一次全面的工程设计初步训练。如果题目相差很远，学生之间无法交流讨论。对于课程设计，学生与学生，学生与老师的交流非常重要，他们可以在讨论中领悟到很多知识。而且学生在交流讨论中完成设计，不但团结协作能力得到增强，还可以体会到成就感。对于部分学习成绩比较优秀又对化工方面有浓厚兴趣的学生，在征得本人同意后，可以对其进行更高层次的培养。比如鼓励这些学生以小组形式参加各类大学生化工设计竞赛，把竞赛题目引入课程设计等。

2 把控好第一关

对于学生来说，以往做题条件都是已知的，他们已经习惯于在条件齐全的前提下解决问题，但课程设计中任务书给出的条件和数据不是完备的，诸如原料液的比热容、黏度等等都是未知数，而且有的参数直接查物性手册查不到，此时的学生非常迷茫，这就需要老师积极引导学生如何利用现有的条件去获取较为准确的参数数据，并且把好质量关。如果最基础的数据有误，那么后续设计的准确性将无从谈起。因此要把控好第一关——基础数据的获取。

3 传统与现代相结合的设计过程

由于课程设计中公式多，参数多，计算任务繁重，一旦某个参数出错，会导致步步错；而且有些参数需要自己设定，计算过程往往需要试差，一旦校核失败，整个计算过程又要重新来过。这时很多学生会有畏难心理，提出直接编程计算。但编程计算首先要知道计算的先后顺序、设备进出分别是哪些物料以及各种公式的应用条件等，没有手算的历练，就无法编制出正确合理的程序。比如设计换热器时无相变流体在管外强制对流的对流传热系数和蒸汽在水平管束冷凝的对流传热系数的计算中，实践证明不经历手算的同学编程计算时基本都会出错，不是公式用错就是参数使用有误，而历经手算的同学错误率很小。

工程计算不仅需要正确运用计算公式，还要正确选择设计参数，因为设计结果是环环相扣的，每一步设计的基础数据都源于前面的计算结果，所以需要对每一步计算进行验算，这样才能确保结果准确无误，因此课程设计的计算量非常大，而手工计算的准确度往往很难保证[4]。若采用 Excel和Aspen Plus、Cup-Tower等程序和工程软件，可以大大减小计算工作量，提高计算效率和计算精度。例如精馏板式塔的理论板数的计算，若用手算的逐板计算法，需要把气液平衡方程和操作线方程反复交替进行多次运算，才能获得最终结果，如果产量大且分离精度要求较高，理论板数会非常多，手工计算不仅工作量繁重而且属于重复劳动意义不大。若用Cup-Tower软件进行计算，只要输入分离所需要达到的条件，运行软件后可以迅速计算出全塔理论板数和精馏段理论板数，同时加料板的位置也被确定。通过对比可以看出年轻学生对工程软件的学习和使用有着浓厚的兴趣，而且学会使用这些软件也是他们今后从事专业工作必备的工作技能，可以有效地提升学生就业的竞争力。此外，图纸的绘制方面用AutoCAD软件代替传统的手工制图。我校在大一就开设了《机械制图》课程、大二年级开设了《AutoCAD软件运用》，这些内容的学习在化工原理课程设计中得到了充分的应用。制图过程中要求学生结合HG200519制图标准绘制相关的设计图纸。利用AutoCAD软件，图纸出错时修改方便，真正做到了图面清洁、工作高效、设计精准，同时也培养了学生使用现代科学技术解决工程问题的能力[5]。

4 运用经济与工程并重的思想优化设计方案

化工原理课程设计结果不是唯一的，在设计方案校核成功后，可以调整部分参数，使之在合格的基础上性能进一步优化，使设备费用和操作费用最优。如何调整、为什么这样调整？可以适当布置一些问题引导学生展开讨论，比如在换热器的课程设计当中经常会出现这样的情况：学生根据已知条件和参数设计选择出某种型号的换热器，该换热器也通过了管程压降、壳程压降和传热系数的校核，这样的换热器可以认为合格但往往不是最优。此时我们可以从Q=KSΔtm出发，组织学生从这个角度去讨论应该如何强化传热？当管程流速或壳程流速增大时，K值会如何变化？对设备费用有何影响？当ui或uo增大，压降又会如何变化，对操作费用有何影响？怎样实现经济费用最优？这些因素之间往往是相互矛盾的，需要进行反复的计算，并对每次的结果进行综合分析比较后，才能确定适宜的设计方案。实践证明，通过思考和讨论，学生会对做过的课程设计进行梳理，加深对化工原理理论的理解，还可以明确优化的方向，培养了学生工程兼顾经济的思想。

5 成绩评定多元化

课程设计的综合成绩包括过程考核和最终考核两部分，其中过程考核占50%。

真正的课程设计应该是注重设计过程当中的养成教育[6]。而以往的成绩评定一般依据学生上交的一份说明书和相关图纸进行评定，这种方式“重结果、轻过程”，无法体现学生设计过程的思想，使部分学生不安于做设计，不认真思考，甚至有的抄袭上届学生的设计，敷衍了事，老师往往不能及时发现学生在设计过程中出现的问题和错误，学生未能得到应有的训练。对于这些成绩评定的弊病，为了防患于未然，我们将过程考核和最终考核用相应的比例结合起来，及时跟踪学生的设计进度，在不同的设计阶段，制定不同的考核指标。比如收集资料阶段，对基础数据的准确性予以评定；笔算阶段，对计算流程和公式进行检查；软件计算阶段按时间节点上交计算结果等等，通过以上各项给出过程考核成绩。设计过程的检查考核只是手段，重要的是可以发现并向学生反馈其中存在的问题，督促其及时改正。实施该项措施后，班级的课设风气迅速扭转，学生的学习积极性和主动性都有了很大的提高，效果非常显著。

设计说明书是对课程设计过程的全面总结，其内容应包括设计的原理、设计方案的选择与分析、具体设计内容及软件使用水平等。说明书要求学生运用word进行撰写，其中包括公式的编辑以及表格的绘制，可以加强学生对办公软件运用的熟悉度[4]。成绩的评定会考虑诸如说明书和图纸是否正确，格式是否符合要求，学生是否全面分析了所设计的工程以及整体设计方案的可行性和创新性等等。该项成绩也是课程设计成绩的一个重要组成部分。