工程教育背景下化工原理课程萃取教学的研究与实践

摘要：化工原理课程是化工及其他化学加工过程类专业的一门应用基础课，是培养学生工程能力的重要一环。文章分析了化工原理课程教学的现状与弊端，并针对化工原理课程中的萃取单元操作部分提出了调动学生积极性、夯实学生理论基础、加强学生工程能力培养的一系列措施。

关键词：化工原理;萃取;工程教育;教学改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）16-0176-02

化工原理是化工及其他化学加工过程类专业的一门重要的技术基础课。根据历年的授课情况，我们发现学生对萃取过程的掌握程度通常不如精馏与吸收过程，这说明在授课过程中将理论与实际相结合不仅能够培养学生的工程意识，同样也有助于学生的理论学习。因此，笔者从萃取过程入手，通过对教学方法进行改进，力图在夯实理论基础的前提下，更好地培养学生的工程意识。

一、萃取章节教学方法改革的措施与建议

1.采用案例式引入，激发学生的学习兴趣。化工原理是与实际工业过程紧密联系的应用基础课程，萃取操作是应用广泛的液—液分离操作，并且与同样多用于液—液分离的精馏操作各有优势与劣势。在学生已经掌握了精馏操作的原理后，如果能以一个工业上典型的萃取分离体系为例，引导学生思考精馏分离存在的局限性，以及可能存在的替代分离方法，从而引出萃取原理，将会更容易引起学生的兴趣，并且比起直接文字介绍萃取分离的定义与原理要更容易理解，教学效果更好。笔者在授课时常用“从发酵液中提取青霉素”的实例说明精馏方法在分离热敏性物質方面存在局限，用“醋酸水溶液分离”的实例说明精馏方法对于分离轻组分含量高、潜热大的体系存在能耗高的缺点，用“铂重整装置中芳烃与非芳烃分离”的实例说明精馏方法对于分离相对挥发度小的体系存在局限。通过这些例子，自然而然能够让学生理解化学工业对除精馏外的分离方法的迫切需求，使学生对萃取过程的学习产生兴趣。

2.发挥多媒体教学的优势，强化基础理论教学。萃取过程的理论计算是萃取章节的重点，而萃取体系相较精馏与吸收体系有其复杂性，这直接表现在萃取体系至少是一个三元体系，同时稀释剂与萃取剂之间可能具有一定的互溶度。当稀释剂与萃取剂部分互溶时，体系的平衡关系需要用三角形相图表示，萃取过程的分析也需要通过在三角形相图上作图进行。三角形相图对于学生来说较为陌生，而多级萃取过程，尤其是多级逆流萃取过程在三角形相图上的作图较为复杂，学生掌握起来困难较大。过去教师课堂讲授该部分内容通常是在黑板上作图讲解，然而根据笔者的经验，在黑板上进行复杂作图不够清晰，学生较难理解，过程耗费时间也较长。近年来多媒体技术广泛应用于课堂教学中，将此类作图过程用多媒体方式展示将更加清晰、准确、易于理解。此外，将萃取流程图、萃取设备运行图等制作成多媒体动画，同样能够帮助学生理解，提高教学效果。

3.面向工程与创新能力培养，优化教学内容。化工原理课程是与生产实际紧密联系的桥梁型课程，然而，长期以来在课堂教学中都以理论教学为主，学生往往感到抽象，无法真正感受到所学理论与实践中的联系。究其原因，还是在于教学中缺乏实践体验与工程实例的环节。为改善这一问题，授课教师搭建了可视化可拆卸的萃取设备模型，在典型的可视化萃取设备内拍摄了多个高清萃取实验视频，并针对所做实验进行计算流体力学（CFD）模拟，得到设备内的流场与浓度场分布图。在授课过程中向学生展示上述设备、实验视频以及模拟结果，让学生亲身感受设备的结构，通过观察可视化的设备运行过程，并辅助以CFD模拟结果，了解萃取过程中流体的流动、传质、分散以及分相过程，加深对所学理论知识的理解，初步接触到工艺流程与设备结构的设计理念。笔者在授课时会根据自身学术研究的背景，为学生介绍微尺度下萃取过程的特点以及微萃取器的设计与运行等学科前沿动态。化工过程的微型化与集成化是化学工业发展的一个重要方向，对该方向的了解能够使学生在传统工业过程的基础上，进一步完善对化工过程的理解。此外，微尺度与宏观尺度萃取过程的区别主要在于传质、传热距离的缩短，使得传质、传热系数在数量级上获得提高。强化传质是分离操作的本质要求。

4.邀请企业专家进行交流，弥补校内教师授课的不足。在教师授课之外，我们邀请了企业中相关方面的专家举办讲座交流。专业课程的授课教师，其理论功底一般较为深厚，而目前多数高校教师由于身兼科研任务，因此对于学术前沿动态了解也较深入。然而高校教师，尤其是青年教师，多数是博士毕业或博士后出站后直接进入高校工作，这种从校园到校园的模式，使高校青年教师普遍没有企业工作经历，工程经验有所欠缺。邀请企业专家举办讲座交流可以弥补这一不足。在前期授课中学生已经对萃取过程的基本原理、萃取设备型式与强化传质的设计理念有了一定的了解，在此基础上，邀请企业专家对行业大势进行简单的介绍，并对一两个典型的工程案例进行剖析，介绍工艺流程与设备设计需要考量的各方面因素，包括但不限于流程与设备设计过程中需要遵循的规范，如何能够优化系统实现最高效的生产，如何能够兼顾产能与环保之间的平衡等问题，启发学生进行更深层次的思考并为学生解答疑惑。这样，一方面能够拓宽学生的视野，让学生有机会对化学工业有一个整体性的了解;另一方面，能够培养学生解决复杂工程问题的能力，同时在专业技术之外，向学生传递工程技术人员所应具有的工程伦理意识和社会责任感。通过对教学方法和教学内容的调整和优化，能够夯实萃取章节的理论教学基础，并将理论与应用相结合，一方面培养学生运用工程的观点对典型单元操作进行分析并解决工程实际问题的能力，初步建立起系统工程的理念，探索过程强化的方向及设备改进的途径;另一方面与时俱进，拓宽学生视野，培养其创新能力与科研兴趣。最后，从化工专业知识领域向外延伸，培养学生的工程伦理意识和社会责任感。

二、考核评价方式改革的措施与建议

作为教学的一个重要环节，考核评价对于学生能力培养同样起着重要的作用。考核评价的内容为学生提供导向作用，往往考核的重点内容学生掌握得也会最好，而仅在课程中讲授却不参与考核的内容通常只有极少数学生能够掌握。因此，在教学方法与内容调整后，考核评价方式同样需要进行相应的调整，才能实现最好的教学效果。传统的化工原理课程考核评价主要采用多次笔试加平时成绩的方法进行。其中笔试主要包括填空与计算题，考核学生的基本概念、基础理论、设计型命题的基本计算方法、操作型命题分析等，平时成绩主要参考出勤率与作业成绩。平时作业的考核点通常与笔试相同，侧重于基础理论与计算。现有的考核评价方式在学生工程意识方面的体现还不够，这会使学生对工程意识的培养环节缺乏积极性，极大地影响上述教学改革措施的成效。因此，可以首先在平时作业部分引入一些工程案例的调研报告或相关的小论文，一方面引起学生对相关授课内容的重视并调动起学习的积极性，另一方面辅助课堂内容，培养学生相关能力。报告或论文可以采用分组完成、集中答辩的形式进行，从而锻炼学生的团队合作能力、语言表达能力等。此外，也可以在笔试部分适当引入论述题，对学生分析复杂工程问题的能力进行考查。最后，目前北京市大学生化工原理竞赛与全国大学生化工实验大赛都非常注重对参赛学生解决复杂工程问题的能力、动手能力、团队协作能力等的考核，根据笔者过往的经验，参加过此类竞赛的学生普遍反映参赛经历不仅帮助他们夯实了基础理论知识，更全方位地促进了其设计、开发、协作能力的提高以及视野的开阔。因此，可以鼓励学生参加此类竞赛，并视完成情况减免平时所需完成的课业任务，折合部分平时成绩，以此提高学生的积极性。

三、结束语

化工原理课程是连接理论与应用的一条纽带，在工程化教育背景下，承担着培养学生工程意识与工程实践能力的任务。本文针对目前化工原理授课方式与内容中所存在的不足，从萃取单元操作教学入手，提出了教学方法、教学内容以及考核评价方式的改革方式，力图提高教学水平，完善化工原理的教学内容，培养基础扎实、能够从事工程设计与科学研究、具有团队意识与社会责任感的化工专业技术人才。

参考文献：

[1]孟祥海，周亚松，蓝兴英，刘梦溪.工科专业大学生工程能力培养探索与实践[J].石油教育，2015，（3）：51-54.

[2]陈勇.应用型大学化工原理课程教学中的工程素养教育[J].化工高等教育，2017，（6）：75-78.

[3]张伟光，李金龙，邢进，邸凯，辛杨，佟白，赵国君.新工科理念下化工原理教学模式的探讨[J].化工时刊，2018，（9）：53-55.

The Study and Practice of Extraction Teaching in the Course of Principle of Chemical Engineering under the Background of Engineering Education

LAN Wen-jie

（China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China）

Abstract：Principle of chemical engineering is an applied basic course for chemical engineering and other chemical processing specialties.It is significant for the engineering ability training.In this study，the drawbacks of current course teaching were analyzed.Especially for the extraction chapter，a series of measures were proposed to arouse the students'initiative，consolidate their theoretical foundation and intensify the training of engineering ability.

Key words：Principle of chemical engineering;extraction;engineering education;educational reform

收稿日期：2019-05-24

基金項目：中国石油大学（北京）本科教学工程资助，“化工原理”课程教学方法改革与学生工程素质培养，编号2018-119

作者简介：兰文杰（1986-），女，副教授，博士。