如何通過化工基礎實驗提高學生的綜合素質*

李學慧 吳正舜 陳義鋒 伍強賢

(華中師范大學化學學院 湖北武漢 430079)

化工基礎實驗教學除傳授基本化工知識外，更重要的是教授學生如何用所學的知識解決化工生產過程中的實際問題，培養學生具有從事科學研究和產品開發的初步能力，培養學生的工程意識和技術經濟觀點，使學生初步掌握一些有關化學工程學的實驗研究方法和實驗技術[1-2]，這是這門課程的最大特色。本文從化工基礎實驗的教學目標出發，談如何通過化工基礎實驗培養學生從事科學研究工作所具有的基本素質，如數據處理能力，觀察事物以及發現問題、分析問題、解決問題的能力，并在此基礎上培養學生的創新能力。

1 培養學生的數據處理能力

近幾年來，我院化工基礎實驗設備經過了全面更新，對化工基礎實驗數據實行了計算機數據采集與監控，學生只需要按幾個按鈕就可以輕松完成實驗，但實驗完成后如何進行數據處理卻不是容易的事。如有些實驗是常規性的驗證實驗，如流體阻力系數與雷諾數的關系、離心泵特性曲線的測定以及傳熱系數與雷諾數的關系。在這些實驗中，學生通過處理實驗數據，一方面可以鞏固和加深對課堂所學基本概念和基本原理的理解；另一方面還能提高數據處理能力；同時還能了解常規數據處理軟件如Origin、Matlab以及Polymath的應用，為以后從事科學研究打下良好的基礎。

在離心泵性能測試實驗中，學生通過實驗測得了不同流量(Q)下的揚程(H)、功率(W)以及效率(Ita)，由于揚程、功率以及效率之間的數量級關系不同，如要在同一個圖中反映它們與流量之間的關系，就要求學生清楚Origin軟件的雙Y軸畫圖功能，通過右Y軸的右偏移即可達到上述目的。例見圖2的離心泵性能曲線。

圖1 阻力系數與雷諾數的關系

圖2 離心泵特性曲線的測定

在傳熱實驗中，學生通過實驗可得到不同空氣流量下，通過蒸汽傳熱后的進出口溫度，并可通過查閱手冊、工具書獲得相關物性數據，進而算出不同空氣流量下光滑傳熱管與粗糙傳熱管的努塞爾數(Nu)、雷諾數(Re)以及普朗特數(Pr)；然后在雙對數坐標中，通過線性回歸分析，可以得到Nu、Re以及Pr之間的關系(圖3)。

圖3 傳熱系數與雷諾數的關系

此外，在化工基礎實驗中，如何分析判斷所測定的實驗結果正確與否非常重要，但很多實驗要經過數據處理后，才能知道實驗數據是否正確合理。這就要求學生必須熟練掌握實驗所涉及的知識原理。

類似問題還出現在精餾實驗中。對于部分回流時，由于實驗過程中回流液的溫度難以保證剛好在泡點下回流，通常是在過冷液體狀態下回流，這樣對于塔內真正的回流量要比實際控制的回流比大，即回流入塔的過冷液體會將部分上升的蒸汽冷凝下來，變為液體向下回流，相當于增大了塔內的回流量，使精餾段的操作線遠離平衡線，增加了氣液相的傳質推動力，有利于傳質。在相同的塔板數下，此結果將導致塔頂易揮發組分濃度加大。

對于這些問題的分析與討論，不僅要求學生會做實驗，還要求學生從實驗中去發現與所學的理論知識表面上看似有矛盾的問題，再通過仔細分析，找到答案。這樣不僅能鞏固所學的知識，還能在實驗過程中提高分析問題與解決問題的能力。

2 加深學生對所學知識的系統認識及其相互聯系的了解

化工基礎實驗單獨設課對理工科學生很重要，其目的不僅是傳授化工知識，更重要的是改變了傳統的實驗教學依附于理論教學的模式，不僅能提高學生的動手能力，而且有助于加深對理論課的理解，增加對所學知識的系統認識以及知識間相互聯系的了解。如在物理化學課程中，學生已經學習過相圖及相律，也做過不少習題，但應用到化工基礎精餾實驗過程中，大部分學生對于如何利用已學的相圖知識來確定對應的塔頂以及塔底的氣、液相組成卻不是很清楚，其主要原因是缺乏對知識的系統認識。

對于二組分精餾分離，其自由度為2，當操作壓力以及對應操作的溫度已知時，這個系統應該是唯一確定的。如在蒸餾實驗中，若實驗過程中塔頂氣相溫度t1以及塔底液相溫度t2為已知溫度，操作壓力為常壓，則利用安托因方程，通過相平衡方程即可確定被分離組分在塔頂氣相以及塔底液相的組成(表1)。對于上述系統的計算，實際上就是所謂露點計算和泡點計算問題。

表1 被分離組分的安托因常數

(1)

對于塔頂氣相組成的計算可按露點計算進行，因氣相溫度及操作壓力已知，由相平衡方程有：

yi=kixi

(2)

且氣、液相組成滿足歸一方程：

(3)

對于理想體系，相平衡常數為：

(4)

式中p為系統操作壓力。代入式(3)有：

(5)

(6)

式中各組分的安托因常數以及操作壓力p和對應的塔頂氣相溫度t1均已知，通過式(6)即可計算出塔頂的氣相組成y1，也即餾出液的組成。在實驗中，當塔頂溫度為80.5℃時，通過Polymath軟件計算可得到對應的塔頂餾出液組成為y1=0.9184。

(7)

(8)

式中各組分的安托因常數以及操作壓力p和對應的塔底液相溫度t2均為已知，通過式(8)即可計算出塔底液相組成x1。在實驗中，當塔底溫度為86℃時，通過Polymath軟件即可計算出對應的塔底組成為x1=0.4498。

3 將計算機引入實驗課堂

圖4 化工基礎吸收仿真實驗界面圖

由于初涉化學工程領域的學生對化工過程及設備缺乏必要的感性認識，不易理解化工過程的機理、復雜設備的內部結構以及物流的內部狀態，更談不上提高創新能力。而將計算機引入實驗課堂，通過改進實驗教學方法，采用Flash軟件開發的化工基礎動畫實驗軟件(圖4)，可以在做實驗之前，先通過動畫實驗了解實驗的基本原理、認識相關實驗裝置和掌握實驗操作步驟，并對如何處理測定的實驗數據有一個初步的了解，從而可減少實物實驗過程中因誤操作導致的對實驗設備的損壞和對實驗數據處理的盲目性。此外，引用仿真實驗軟件，可以利用多媒體技術演示化工設備的工作原理、化工單元操作的工藝流程以及設備的內部結構[3-4]。學生對所學的內容可有身臨其境的感覺，有助于調動學生學習化工實驗課程的積極性。同時，通過仿真虛擬化工實驗還可使學生在做實驗前對實驗過程中的注意事項,儀器各部分的名稱、用途,以及要記錄的數據有初步的了解。

另外，將計算機引入實驗課堂，還可以使學生在計算機語言課程中所學的計算機語言得以應用。一方面可解決化工基礎實驗中有些需要編程求解的問題，另一方面，學生在用所學知識解決實際問題的過程中，能嘗到成功的滋味，從而進一步激發學習興趣。

4 培養學生的團結協作能力

由于化工實驗設備與普通化學實驗設備相比，通常比較昂貴，而且占地面積大，且實驗過程中要測定的數據比較多，往往一個學生既要操作實驗設備又要記錄實驗數據，難以同時完成，這就要求學生實驗組成員之間分工協作、團結互助來完成實驗，通過這個過程，可以培養學生的團隊合作精神，這在科研工作中是非常重要的。

5 結論

化工基礎實驗課是用所學的理論知識解決實際問題的一門實踐性與應用性都很強的專業基礎課。通過該課程的學習，可以培養學生作圖能力、數據處理能力以及觀察事物、發現問題、分析和處理問題的能力，為學生以后從事科學研究工作打下堅實的基礎。同時，通過該課程的學習，有助于加深對理論課的理解，增加對所學知識的系統認識；此外，通過該課程的學習，學生還能將所學的計算機語言應用于化工基礎實驗中，并了解目前化工過程中常規的數據采集單元與監控原理。

參 考 文 獻

[1] 傅延勛,徐銅文,楊偉華.大學化學,2008,23(1):8

[2] 傅延勛,楊偉華,瞿其曙,等.大學化學,2004,19(1):30

[3] 錢運華,胡濤,吳彩金,等.高教論壇,2007(2):59

[4] 李磊.廣東化工,2008,35(3):101