生活實(shí)例在化工原理課堂教學(xué)中的應(yīng)用

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(滁州學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

化工原理課程的學(xué)習(xí)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、觀察能力、綜合分析和處理問(wèn)題的能力具有重要的應(yīng)用實(shí)際意義，是學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程的重要紐帶。但是由于該課程的與工程實(shí)際聯(lián)系比較緊密，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中就會(huì)覺(jué)得枯燥、難學(xué)，因此導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高。本文針對(duì)化工原理課程學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的普遍問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)合自己在課程教學(xué)中把化工原理在人們生活中的一些實(shí)際應(yīng)用引入課堂中，以充實(shí)課堂教學(xué)內(nèi)容，期望提高學(xué)生積極性[1-3]。

1 化工原理課堂教學(xué)普遍存在問(wèn)題

化工原理課程是在學(xué)完高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理和物理化學(xué)等課程之后才開(kāi)始學(xué)習(xí)的，課程的內(nèi)容都與工程有關(guān)，工程實(shí)踐性較強(qiáng)，課程中關(guān)于三傳一反的原理較難理解，公式特別多。而學(xué)生一般基本沒(méi)有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中缺乏生產(chǎn)實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，很難在短時(shí)間內(nèi)掌握太多知識(shí)，因此普遍反映該課程難學(xué)、抽象、不容易理解等，從而不愿意學(xué)習(xí)，主要存在問(wèn)題如下：

1.1 化工原理課程經(jīng)驗(yàn)公式多

化工原理課程學(xué)習(xí)中有許多知識(shí)點(diǎn)是工程實(shí)踐直接經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來(lái)，而不是推導(dǎo)出來(lái)的，還有一些比較抽象的模型，容易使同學(xué)們覺(jué)得很枯燥無(wú)味。

1.2 學(xué)生缺乏工程經(jīng)驗(yàn)

一般的學(xué)校都是在大二就開(kāi)始學(xué)習(xí)化工原理了，學(xué)生沒(méi)有真正接觸過(guò)工廠是什么樣的，不知道塔是什么樣、反應(yīng)釜什么是樣等等一系列的疑問(wèn)，只有在課堂上聽(tīng)老師一味的講，腦海中不能夠想象出化工設(shè)備是什么樣的，時(shí)間久就容易不感興趣。

1.3 化工原理課程學(xué)時(shí)有所減少

現(xiàn)在好多學(xué)校都在不斷調(diào)整人才培養(yǎng)方案，化工原理課程的課時(shí)也不斷減少，但是化工原理中講授的單元操作仍然還是那么多，教師在授課中只有加快教學(xué)進(jìn)度。因此會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)更加困難。

1.4 教師教學(xué)方法有待于改革

現(xiàn)在大多數(shù)高校普遍都用多媒體教學(xué)，這種教學(xué)方法對(duì)于化工原理教學(xué)尤其是不適應(yīng)的，因?yàn)榛ぴ斫虒W(xué)過(guò)程中既有經(jīng)驗(yàn)公式，還有一些和高等數(shù)學(xué)知識(shí)相關(guān)的模型建立及公式推導(dǎo)，因此需要教師在黑板上板書(shū)，通過(guò)板書(shū)進(jìn)行講解推導(dǎo)一些較難理解知識(shí)點(diǎn)和難點(diǎn)。如果全部用多媒體教學(xué)，教師不板書(shū)，那就是"我念你聽(tīng)"的教學(xué)模式，很難保證教學(xué)質(zhì)量。尤其針對(duì)一些年輕教師，入職以后就開(kāi)始采用PPT進(jìn)行課堂教學(xué)。缺乏教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在課堂教學(xué)過(guò)程很難引入一些具體的、生動(dòng)形象的化工生產(chǎn)及日常生活的實(shí)例，容易導(dǎo)致課堂死氣沉沉，學(xué)生愿意認(rèn)真聽(tīng)講，導(dǎo)致教學(xué)效果差[4-7]。

2 化工原理課堂教學(xué)引入生活例子的重要意義

伴隨著我國(guó)教育體制的改革，大學(xué)生招生數(shù)目明顯增多。尤其對(duì)于一些二本院校，生源相對(duì)來(lái)說(shuō)理科底子較為薄弱，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理這樣的課程積極性不是太高，教師必須想辦法激發(fā)學(xué)生積極性。化工原理課程本身是一門(mén)工程應(yīng)用性比較強(qiáng)的課程，與人們生活是息息相關(guān)的，生活中許多例子都可以用化工原理的知識(shí)來(lái)解釋。如果單純的只講書(shū)本中的單元操作知識(shí)，學(xué)生聽(tīng)起來(lái)感到遙不可及，就容易失去信心學(xué)好這門(mén)課程。如果教師在講授每一個(gè)單元操作之前先把該單元操作的知識(shí)點(diǎn)和生活中的素材、生活中的案例有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，學(xué)生都很容易理解，從而把學(xué)生帶到自己現(xiàn)實(shí)的生活中去，這樣就縮小了書(shū)本知識(shí)和工廠單元操作與日常生活之間的距離，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理課程的興趣。從而可以使學(xué)生感覺(jué)到化工原理課程原來(lái)和我們這么相關(guān)，認(rèn)識(shí)到該課程知識(shí)是較為重要有意義，學(xué)生會(huì)帶著興趣去學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的積極性就提高了。因此，在化工原理課堂教學(xué)中適時(shí)引入我們生活中常遇到的生活例子，一方面可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性，另一方面可以讓他們認(rèn)識(shí)到課程的重要性。縮小工程概念與理論知識(shí)之間的距離，逐步培養(yǎng)學(xué)生用理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)際案例分析，進(jìn)一步解決一些工程實(shí)際問(wèn)題[8-9]。

3 生活例子在化工原理不同單元操作中的應(yīng)用

其實(shí)化工原理主要講授工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的三傳：動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞，根據(jù)單元操作的實(shí)際應(yīng)用大致可以分成幾個(gè)大部分：流體流動(dòng)、傳熱、和傳質(zhì)過(guò)程(包括吸收、精餾等)。化工原理課堂教學(xué)重要的是要提高學(xué)生的興趣，使學(xué)生想學(xué)習(xí)，想辦法提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，使他們對(duì)這門(mén)課程產(chǎn)生興趣，這樣才能有好的效果。本人根據(jù)多年的教學(xué)實(shí)踐，在課堂教學(xué)中不斷探索，注意收集生活中的實(shí)際例子引入化工原理中，課堂教學(xué)中在不同的單元操作可以引入不同的生活實(shí)例，插入圖片以渲染課堂氛圍。讓學(xué)生覺(jué)得學(xué)習(xí)化工原理可以給他們帶來(lái)樂(lè)趣，收到了一定的效果。

3.1 生活實(shí)例在流體流動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)用

隨著我國(guó)的高速列車現(xiàn)在在飛速發(fā)展，大家常見(jiàn)的高鐵在飛行過(guò)程中要產(chǎn)生很大的阻力，根據(jù)流體流動(dòng)原理，為了減小阻力，高鐵列車的頭部都設(shè)計(jì)為流線型。如圖1-a所示的飛機(jī)，在空中飛行時(shí)靠飛機(jī)上下面所產(chǎn)生的壓差。在講流體力學(xué)之前我們可以給學(xué)生解釋飛機(jī)在空中飛行的原理。飛機(jī)的機(jī)翼橫截面一般前端圓鈍、后端尖銳成流線型，上表面拱起、下表面較平。氣流在機(jī)翼前端被分成上、下兩股，在機(jī)翼后端再重新匯合。由于機(jī)翼上表面凸出，空氣在其上面流通的空間相對(duì)較小，因此空氣的流速加快，根據(jù)能力守恒方程我們可以知道機(jī)翼上方的壓力低。而飛機(jī)機(jī)翼下表面比較平坦，空氣的流通空間較大，而且機(jī)翼與水平面有迎角，空氣流通受阻擋，流速減慢，因此壓力增大。于是在機(jī)翼上、下表面出現(xiàn)了壓力差，垂直于氣流方向的壓力差則產(chǎn)生機(jī)翼的升力，從而確保飛機(jī)在空中安全飛行。

我們經(jīng)常看到大雁在天空中飛翔，一般都是排成人字陣或一字斜陣，并定時(shí)交換左右位置。大雁之所以這么飛行實(shí)際上是空氣流動(dòng)所起作用，它們?cè)陲w行中后一只大雁的能夠借助于前一只大雁的翅膀所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力，隨著前一只大雁翅膀的拍打?qū)е驴諝馑查g流動(dòng)產(chǎn)生負(fù)壓，使周邊空氣加速流動(dòng)，從而使后面一只大雁飛起來(lái)省力。

圖1 生活實(shí)例在動(dòng)量傳遞過(guò)程中的應(yīng)用

流體流動(dòng)是化工廠中最基本的現(xiàn)象，但化工產(chǎn)品具體生產(chǎn)過(guò)程對(duì)學(xué)生而言很遙遠(yuǎn)。因此，我們用學(xué)生宿舍樓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為流體流動(dòng)過(guò)程的切入點(diǎn)。可以提出一系列的問(wèn)題，讓同學(xué)們思考，產(chǎn)生疑問(wèn)帶著疑問(wèn)去學(xué)習(xí)。比如可以問(wèn)大家為了保證每個(gè)樓層的同學(xué)都能順利用水，就要維持樓底水管中有一定的水壓，為了維持這個(gè)水壓，水塔就必須建設(shè)成一定的高度，如何把水送到樓上? 還有我們?nèi)绾伪ＷC當(dāng)所有水龍頭都打開(kāi)時(shí)，如何保證每個(gè)不同樓層出水量是一樣? 還有假設(shè)樓底輸送水壓保持不變，采用關(guān)小一樓水龍頭的方法，能否使樓上幾層的出水量增大呢? 要解決以上問(wèn)題，這個(gè)時(shí)候可以告訴同學(xué)們必須要掌握柏努利方程、連續(xù)性方程、管路阻力損失的計(jì)算、離心泵的選用等重要內(nèi)容，從而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。等學(xué)完流體流動(dòng)這一章之后，我們針對(duì)這一問(wèn)題安排了專門(mén)的討論課和同學(xué)一起解決以上各個(gè)問(wèn)題，既對(duì)前面所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)，有提高了學(xué)生的興趣，解決了疑問(wèn)，達(dá)到了真正的學(xué)習(xí)效果。

圖2 生活實(shí)例在流體輸送過(guò)程中的應(yīng)用

圖2-a是家庭常用的抽水泵，同學(xué)們一定很熟悉，但有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)了發(fā)出嗡嗡的響聲，但是水抽不上來(lái)，告訴大家這就是氣縛現(xiàn)象的發(fā)生，如何解決呢，只要打開(kāi)六角螺栓灌水就解決了。圖2-b是我們家用的篩米機(jī)，給同學(xué)們說(shuō)明稻子經(jīng)過(guò)碾壓之后里面既有稻皮又有大米，而大米的比重比稻皮要大，因此經(jīng)過(guò)手搖的風(fēng)機(jī)之后，就可以把大米和稻皮分開(kāi)了，這里面主要利用密度的不同實(shí)現(xiàn)了非均相的分離，屬于物理方法的機(jī)械分離。

3.2 生活實(shí)例在傳熱過(guò)程中的應(yīng)用

熱量傳遞是化工原理三傳中重要的一傳，在化工生產(chǎn)過(guò)程中隨從可見(jiàn)，所有的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都要吸收熱量或者放出熱量，是工程技術(shù)領(lǐng)域中極為普遍的一種能量傳遞現(xiàn)象。在日常生活中的應(yīng)用實(shí)例也非常多，例如燒水煮飯、空調(diào)制冷、火爐取暖、穿衣服、蓋被子等等。在講該單元操作之前可以問(wèn)同學(xué)們一些問(wèn)題。例如：常見(jiàn)的暖氣片是什么形狀的？我們冬天蓋棉被是把新棉絮的被子貼身蓋還是不好的貼身蓋? 爐子燒水中壺底的溫度是接近于火焰的溫度還是水的溫度? 針對(duì)這些問(wèn)題的提出要同學(xué)們進(jìn)行思考，并想想都是為什么。這樣同學(xué)們可以帶著疑問(wèn)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)興趣。

圖3 生活實(shí)例在熱量傳遞過(guò)程中的應(yīng)用

在學(xué)完傳熱單元操作之后，為了強(qiáng)化學(xué)生對(duì)傳熱過(guò)程及強(qiáng)化傳熱手段的理解，我們可以上討論課，對(duì)前面提出問(wèn)題進(jìn)行討論。常見(jiàn)的暖氣一般都做成片狀主要是為了增大散熱面積；冬天蓋棉被，主要是為了防止我們體內(nèi)的熱量散失到周圍環(huán)境，達(dá)到更好的保暖效果，應(yīng)該把保暖性好新棉絮被子蓋在里面，是因?yàn)樾碌拿扌醣厝粚?dǎo)熱系數(shù)小，傳熱效果差，可以避免體內(nèi)的熱量散失。使大家明白一個(gè)生活常識(shí)，將保暖性能好的保溫材料放在內(nèi)層可以取得更好的保溫效果；還有為什么穿同一件衣服，有風(fēng)時(shí)候比沒(méi)有風(fēng)的時(shí)候會(huì)覺(jué)得涼呢，從傳熱的角度解釋，這是因?yàn)轱L(fēng)使衣服周邊的空氣發(fā)生流動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)制熱對(duì)流傳熱，從而使傳熱速率大大增加所致；對(duì)于爐子燒水，大家通過(guò)對(duì)流傳熱知識(shí)的學(xué)習(xí)，很容易知道壺底的溫度是接近于水的溫度，因?yàn)槲覀冎阑鹧鎮(zhèn)鬟f熱量到壺底是靠空氣的自然對(duì)流方式傳熱，而壺內(nèi)的水沸騰傳熱屬于強(qiáng)制對(duì)流傳熱，其傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣自然對(duì)流傳熱系數(shù)，因此在穩(wěn)態(tài)傳熱情況下很容易推導(dǎo)出壺底溫度接近于水溫。討論課之后，學(xué)生們普遍認(rèn)為結(jié)合這些日常生活的例子使課程學(xué)習(xí)學(xué)起來(lái)輕松多了，可以更加深刻的掌握機(jī)械枯燥的化工原理理論。

3.3 生活實(shí)例在傳質(zhì)過(guò)程中的應(yīng)用

化工原理講授的主要是化工生產(chǎn)過(guò)程中的物理過(guò)程，其中化工生產(chǎn)的核心部分是化學(xué)反應(yīng)，化工原理所講授的單元操作是化學(xué)反應(yīng)的前后處理部分。也就是對(duì)于前期原料的凈化和后期產(chǎn)品的分離，因此質(zhì)量傳遞過(guò)程對(duì)于化工過(guò)程來(lái)說(shuō)在分離凈化方面具有重要的意義。而除了生產(chǎn)過(guò)程有質(zhì)量傳遞發(fā)生，在日常生活中也隨處可見(jiàn)。

圖4 生活實(shí)例在質(zhì)量傳遞過(guò)程中的應(yīng)用

在講授質(zhì)量傳遞之前我們可以插入圖片，引入實(shí)例如圖4所示，圖4-a是大家都知道的雨后空氣特別清晰且涼爽，可以告訴同學(xué)們這是因?yàn)樵谟陙?lái)臨時(shí)，空氣中水汽增多，氣壓降低，使人有悶熱的感覺(jué)；下雨時(shí)，因水汽凝結(jié)成水滴要吸收一部分熱量，雨停后，暖空氣過(guò)去，該是冷空氣移過(guò)來(lái)的時(shí)候，所以人們會(huì)感到比較涼快。同時(shí)在下雨過(guò)程中，天空中有很多灰塵雜質(zhì)，當(dāng)要下雨時(shí)，這些灰塵雜質(zhì)都為空中水汽起了凝結(jié)核的作用，水汽粘附在它們上面變成大的水滴而降落到地面。雨滴降落時(shí)，低層空氣中的灰塵雜質(zhì)也會(huì)粘附在上面一同落地。同時(shí)，在雨水降落過(guò)程中會(huì)吸收空氣部分的CO2、SO2和NOx等有害氣體，自然會(huì)使人感到空氣特別新鮮。圖4-b圖是人們常見(jiàn)的打開(kāi)碳酸性飲料時(shí)，會(huì)有泡沫出現(xiàn)，主要是因?yàn)轱嬃显诎l(fā)酵時(shí)產(chǎn)生了大量的二氧化碳，在裝瓶時(shí)又在一定壓力下充入了一定量的二氧化碳。而打開(kāi)瓶蓋的瞬間，壓力降低，溶解度減小發(fā)生了解吸過(guò)程，所以有泡沫出現(xiàn)。圖4-c圖是酒類生產(chǎn)過(guò)程，酒的生產(chǎn)主要是利用蒸餾技術(shù)分離水和酒精，當(dāng)然在酒類生產(chǎn)中，除了提純還有其他的各類工藝的組合應(yīng)用，比如除濁和香分的分離。生產(chǎn)白酒的發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，糧食淀粉分解過(guò)程產(chǎn)生各種有毒的化學(xué)成分，如甲醇、雜醇油等有害物質(zhì)，該類物質(zhì)分子較小，容易揮發(fā)，沸點(diǎn)在60℃左右為多。所以，在蒸餾鍋爐不斷加溫，蒸餾過(guò)程出來(lái)的初始酒液不能喝。蒸餾時(shí)如果初期溫度過(guò)高的話，甲醇、乙醛、乙縮醛、雜醇等成分可能會(huì)大量存在于酒頭中，酒的口感辛辣，感覺(jué)食道都非常刺激．所以白酒蒸餾必須棄去酒頭，

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，生活中應(yīng)用到化工原理的實(shí)際例子很多。在化工原理課程講授過(guò)程中要采用適當(dāng)?shù)姆绞揭肷钪谐Ｒ?jiàn)的貼近我們生活的實(shí)際例子，來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。通過(guò)常見(jiàn)的生活事例講解各種單元操作的基本原理和規(guī)律，為單調(diào)枯燥的理論學(xué)習(xí)注入了活力，學(xué)生愛(ài)聽(tīng)，易懂，記憶深刻，也增加了學(xué)習(xí)興趣。所以，要搞好化工原理的教學(xué)，提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，必須在教學(xué)中多渠道培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使其沿著愿學(xué)、會(huì)學(xué)、學(xué)會(huì)的方向發(fā)展，從而更好地學(xué)好本課程，為后繼專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定牢固的基礎(chǔ)。