案例分析在《化工原理》教學(xué)中的應(yīng)用

馮 藝 陳慕華 顧曉利 姚建峰

(南京林業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

化工原理是化工類本科生的一門綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課, 它是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)分析和解決化工過程中各種單元操作問題的工程學(xué)科。它為過程工業(yè)(包括化工、輕工、醫(yī)藥、食品、環(huán)境、材料、冶金等工業(yè)部門)提供科學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)化工及相近學(xué)科的發(fā)展起支撐作用[1-3]。化工原理課程主要研究化工生產(chǎn)中單元操作的基本原理及其設(shè)備的設(shè)計(jì)、操作與調(diào)節(jié)，以傳遞過程原理和研究方法論為主線，研究各個(gè)物理加工過程的基本規(guī)律，典型設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，過程的操作和調(diào)節(jié)原理[4-5]。該門課知識(shí)點(diǎn)繁多，運(yùn)用到數(shù)學(xué)、物理、物理化學(xué)等知識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)相對(duì)困難[6]。

本文針對(duì)目前化工原理學(xué)科特點(diǎn)以及在教學(xué)中如何充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)參與性和學(xué)生的興趣的問題，提出“案例設(shè)計(jì)”的教學(xué)方法，即通過一個(gè)案例，讓學(xué)生結(jié)合章節(jié)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，分析問題并提出相應(yīng)的解決方案。

1 案例設(shè)計(jì)與分析

案例設(shè)計(jì)是將具體生活中的問題引入課堂，讓學(xué)生成為“設(shè)計(jì)師”和問題解決“專家”，通過查閱資料，小組討論等，對(duì)問題進(jìn)行分析。下面列舉幾個(gè)具體案例，對(duì)案例分析法理念進(jìn)行闡述。

案例一：一件衣服被雨淋濕，如何將它去濕？(不限任何所需工具)

知識(shí)點(diǎn)：干燥的方式

案例分析：干燥的方法有多種，包括機(jī)械法，吸附法，蒸發(fā)法等。具體到實(shí)際操作有，通過吹風(fēng)機(jī)吹干，暖氣片烤干，洗衣機(jī)甩干，用紙巾擦拭，用紅外燈照射，放入真空裝置抽真空等。教師需根據(jù)學(xué)生的回答，進(jìn)行歸類，并對(duì)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。例如，如果學(xué)生回答是吹風(fēng)機(jī)吹干，其干燥方式是對(duì)流干燥，即干燥介質(zhì)(熱空氣)直接與濕物料接觸，熱能以對(duì)流方式加入物料，產(chǎn)生的蒸汽被干燥介質(zhì)帶走。再比如冷凍干燥，物料冷凍后，將干燥器抽成真空，對(duì)物料提供必要的升華熱。教師應(yīng)當(dāng)注意，在案例分析中，學(xué)生的回答可能在實(shí)際操作中難以實(shí)現(xiàn)，但如果理論上可行，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生這種“腦洞大開”式回答。例如，本人在教學(xué)過程中就曾遇到過“放入微波爐”等在實(shí)際中很少采用的方式，但理論上又可行(介電加熱干燥方式)的答案。在學(xué)生列舉完解決方式后，教師應(yīng)對(duì)所有解決方案(包括學(xué)生未提及的方案)進(jìn)行歸類總結(jié)，并將機(jī)理引入，讓學(xué)生理解該案例與化工原理是如何結(jié)合，以及所提方案所涉及或延伸的化工單元操作。例如，吹風(fēng)機(jī)吹干濕物料可延伸到一些對(duì)流干燥設(shè)備，通過加熱空氣來(lái)達(dá)到干燥濕物料的目的。

案例二：一杯水，如何進(jìn)行保溫？

知識(shí)點(diǎn)：傳熱

案例分析：首先需要學(xué)生了解傳熱的三種方式(熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射)以及三種傳熱方式的機(jī)理。然后鼓勵(lì)學(xué)生通過對(duì)水體本身，儲(chǔ)水容器以及外界等方向進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，對(duì)外界而言，應(yīng)該盡量減少外部空氣流動(dòng)，減少熱對(duì)流產(chǎn)生的熱損失。對(duì)儲(chǔ)水容器而言，可以采用加蓋方式(降低熱對(duì)流損失)，內(nèi)部鍍銀(降低熱輻射熱損失)和加入真空層(降低熱傳導(dǎo)熱損失)等方式。此外，還可以通過在容器外面加保溫套等方式，均可達(dá)到保溫的目的。

案例三：有一臺(tái)泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)，在停泵檢修過程中發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部葉片損壞嚴(yán)重，是什么現(xiàn)象導(dǎo)致泵葉片的損壞，如何防止該類事件發(fā)生？

知識(shí)點(diǎn)：泵的操作與氣蝕

案例分析：首先需要學(xué)生掌握泵的原理，基本操作以及氣縛與氣蝕現(xiàn)象。根據(jù)問題描述可判斷泵發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。教師可先讓學(xué)生思考并回答判斷的依據(jù)，以及相應(yīng)的基本概念(比如，什么是氣蝕現(xiàn)象)，并讓學(xué)生思考產(chǎn)生的原因是什么，例如安裝高度過高，進(jìn)口管路阻力過大或管道過細(xì)，出口閥開度過大，流量過大，輸送介質(zhì)溫度過高，泵的選型不合適等。通過原因分析，可讓學(xué)生提出相應(yīng)的解決途徑，以及分析解決途徑的機(jī)理。

2 案例分析教學(xué)的優(yōu)勢(shì)及方法

案例教學(xué)首先可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓學(xué)生們覺得化工原理知識(shí)就在他們的日常生活中，而不是僅僅存在課本中。其次，案例分析可以激發(fā)學(xué)生的思維，融合學(xué)生所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)來(lái)對(duì)案例進(jìn)行分析，提供解決途徑。此外，通過案例分析，學(xué)生可加深所學(xué)的知識(shí)以及補(bǔ)充未考慮到的知識(shí)點(diǎn)。比如上述的案例一中不同的干燥方式，可以讓學(xué)生了解并掌握他們?nèi)粘Ｉ钪胁⑽唇佑|過的方法，如冷凍干燥法等，擴(kuò)展知識(shí)面。最后，案例分析可以加強(qiáng)學(xué)生們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，通過小組討論，對(duì)某一案例進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作，共同參與并解決問題。

案例分析法雖然有一系列的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)教師教學(xué)也提出更高的要求，為更好的將案例分析教學(xué)融入到課堂，教師應(yīng)當(dāng)：

(1) 平常注意積累并通過大量閱讀設(shè)計(jì)案例，并將案例與化工原理知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合。

(2) 教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生的開放式回答，并鼓勵(lì)學(xué)生勇敢的說(shuō)出“錯(cuò)誤答案”或“腦洞大開”的答案。

(3) 教師應(yīng)針對(duì)學(xué)生的回答進(jìn)行進(jìn)一步的分析，并簡(jiǎn)單闡述其背后的機(jī)理。

(4) 案例分析的最后，教師應(yīng)對(duì)學(xué)生的分析進(jìn)行總結(jié)，包括學(xué)生未考慮到的方案以及由案例分析引出的擴(kuò)展內(nèi)容，如相關(guān)化工單元操作設(shè)備等。

(5) 讓學(xué)生充滿“成就感”。對(duì)學(xué)生的每一個(gè)回答進(jìn)行鼓勵(lì)和表?yè)P(yáng)，讓學(xué)生感受解決問題之后的喜悅感。

3 結(jié)語(yǔ)

化工原理是一門應(yīng)用型學(xué)科，需要學(xué)生掌握化工思維和設(shè)計(jì)理念的同時(shí)，要求學(xué)生能掌握儀器操作和問題解決能力。案例分析教學(xué)可將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有效串聯(lián)，從日常生活中的問題出發(fā)，引出化工原理的知識(shí)點(diǎn)。該方法可提高學(xué)生們的主動(dòng)參與性，讓學(xué)生們感受到化工原理就在身邊。因此，希望在以后的教學(xué)中，教師們可以在合適的章節(jié)講授過程中引入相關(guān)案例，讓學(xué)生們參與其中，以加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握并培養(yǎng)學(xué)生們的化工思維。