化工原理融合創(chuàng)新理論教學(xué)實(shí)踐的應(yīng)用探索*

盧 俊，盧慶華

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

2019年7月10日，教育部印發(fā)《國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃管理辦法》，積極引導(dǎo)各地各高校深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力培養(yǎng)，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。2018年12月8日，教育部高教司司長(zhǎng)吳巖指出，創(chuàng)新是高等教育與生俱來的DNA，也是全球高等教育發(fā)展的時(shí)代命題，正在引發(fā)、重塑、顛覆、重構(gòu)、改變我國(guó)高等教育。《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》指出，深入推進(jìn)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃工作，深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，提高大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力，培養(yǎng)造就創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)生力軍。《化工原理》是化工類專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，也是工科相關(guān)專業(yè)(食品科學(xué)工程、生物工程、環(huán)境工程等)的必修課程，比如環(huán)境工程、生物工程、食品科學(xué)工程等，甚至在很多高校的化學(xué)類專業(yè)中也是必修課程之一。所以是一門非常重要的主干課程。課程主要研究化學(xué)工業(yè)中從原料加工成半成品及成品的物理加工單元過程[1-2]。通過對(duì)化工原理課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握基本化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)單元操作的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決化學(xué)工程實(shí)踐生產(chǎn)的能力，即發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決工程實(shí)踐問題的能力，并積累一些能夠運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)過程中的一些操作技能，以清楚及正確地表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)進(jìn)行技術(shù)交流、團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作的能力；培養(yǎng)科學(xué)的思維方法、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)作風(fēng)，掌握新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)。Triz理論意為發(fā)明問題解決理論，該理論是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒在研究世界各地250萬份大量的專利基礎(chǔ)上，總結(jié)及發(fā)展出的基于知識(shí)的、面向人的解決發(fā)明問題的系統(tǒng)化方法學(xué)[3-4]。Triz理論對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，養(yǎng)成良好的創(chuàng)新思維有著重要的意義，為大學(xué)生“雙創(chuàng)”實(shí)踐能力的提高提供了一種重要的方法和工具。

1 課程融合創(chuàng)新理論的意義

在化工原理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求中，需要學(xué)生掌握流體流動(dòng)、流體輸送機(jī)械、傳熱、蒸發(fā)、吸收、蒸餾、干燥等生產(chǎn)實(shí)踐基本內(nèi)容，即“三傳一反”內(nèi)容[5]。筆者長(zhǎng)期任教化學(xué)化工類專業(yè)課程，依據(jù)歷屆學(xué)生對(duì)該課程的實(shí)際掌握情況，得出初學(xué)者對(duì)于化工原理課程的理解掌握有一定的難度，其中包括公式繁多、計(jì)算復(fù)雜、內(nèi)容抽象等原因。針對(duì)以上情況，筆者在開展本門課程的教學(xué)中，逐漸將Triz理論滲透到課程內(nèi)容講授的教學(xué)過程中，不斷探索化工原理融合創(chuàng)新理論在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用，尤其對(duì)于難點(diǎn)的突破與重點(diǎn)的突出有著一定的意義。

2 化工原理融合創(chuàng)新理論的教學(xué)實(shí)踐

2.1 發(fā)明原理融合課程的教學(xué)實(shí)踐

Triz理論的作者是基于對(duì)大量發(fā)明專利的分析與總結(jié)，梳理出對(duì)同類工程問題的解決方案所使用的大多數(shù)發(fā)明原理都是相似的。創(chuàng)始人把這些專利中所使用的相似方案分別進(jìn)行歸納和總結(jié)，獲得了40個(gè)基本的解決方法，也就是創(chuàng)新理論中的40個(gè)發(fā)明原理，這些發(fā)明原理涉及了物理及化學(xué)等多個(gè)工程領(lǐng)域[4]。化工原理是一門典型的工科學(xué)科課程，有著很強(qiáng)的工程實(shí)用性[5-6]。在化工原理課程的學(xué)習(xí)中，倘若將發(fā)明原理引入，可以極大地幫助學(xué)生們更好的掌握與理解本門課程，更重要的是還可以開拓大學(xué)生的創(chuàng)新思維，強(qiáng)化大學(xué)生雙創(chuàng)實(shí)踐能力的培養(yǎng)，促進(jìn)大學(xué)生全面發(fā)展。比如在學(xué)習(xí)流體輸送機(jī)械內(nèi)容時(shí)，介紹在實(shí)際生產(chǎn)中，利用離心泵的串并聯(lián)可以解決單臺(tái)泵不能滿足流體輸送任務(wù)要求的問題，就可以引用發(fā)明原理中的組合原理來進(jìn)行解釋說明。Triz理論中組合原理是把相關(guān)的功能、特性、部分、操作等集成在一起，實(shí)現(xiàn)功能多樣、節(jié)約資源、降低成本的目的，從而提升系統(tǒng)的整體性能[4]，組合原理是發(fā)明原理中被廣泛使用的一種。通過引導(dǎo)學(xué)生，在把組合原理與離心泵相結(jié)合學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步遷移到往復(fù)泵的學(xué)習(xí)中，利用這一原理也能夠很好的解釋了在化學(xué)工業(yè)中廣泛使用的三柱塞泵的緣由，那就是通過組合三臺(tái)往復(fù)泵解決了單臺(tái)泵流量的不均勻性及排液間斷的問題。再則，在傳熱章節(jié)的學(xué)習(xí)過程中，就間壁式換熱器的理解而言，也可以引入發(fā)明原理。間壁式換熱器實(shí)際彌補(bǔ)了直接式和蓄熱式傳熱兩種冷熱流體直接接觸的缺陷，是利用了嵌套這一發(fā)明原理，比如說列管、套管及夾套換熱器。此外，精餾塔的操作中設(shè)置預(yù)熱器與再沸器是利用了預(yù)先作用原理，這一操作是為了提高精餾系統(tǒng)的工作效率，節(jié)省能源消耗，是順利完成精餾操作必需的條件。

2.2 矛盾分析法在課程中的實(shí)踐運(yùn)用

圖1 干燥熱敏感物質(zhì)的物場(chǎng)模型

Triz理論提出了技術(shù)系統(tǒng)存在的兩大矛盾，即技術(shù)矛盾與物理矛盾。技術(shù)矛盾與物理矛盾是Triz理論的經(jīng)典內(nèi)容之一，也是實(shí)際工程問題解決的主要方法之一[4]。技術(shù)矛盾是指為了改善技術(shù)系統(tǒng)中的某一具體參數(shù)，導(dǎo)致該技術(shù)系統(tǒng)的其它參數(shù)發(fā)生惡化。物理矛盾是技術(shù)系統(tǒng)中一個(gè)參數(shù)無法滿足系統(tǒng)內(nèi)相互排斥的需求。解決技術(shù)與物理矛盾，需要使用39個(gè)工程技術(shù)參數(shù)，結(jié)合40個(gè)發(fā)明原理來求得解決方案。在管內(nèi)流體流動(dòng)中，流量通常是由生產(chǎn)任務(wù)給定的，關(guān)鍵在管道設(shè)計(jì)選取的過程中需要計(jì)算管道內(nèi)徑以及流速，若流速選得太大，管徑雖然可以減小，但流體流過管道的阻力增大，消耗的動(dòng)力就大，操作費(fèi)隨之增加；若流速選得太小，操作費(fèi)可以相應(yīng)減少，但管徑增大，管路的基建費(fèi)隨之增加。因此經(jīng)過結(jié)合創(chuàng)新理論分析，可以把流速當(dāng)成典型的物理矛盾來處理。從總費(fèi)用的角度來考慮既要大的流速，又要選擇小的流速。按照基于條件的分離，嘗試選擇發(fā)明原理36相變來進(jìn)行改進(jìn)，比如將天然氣液化可以壓縮體積便于減少輸送費(fèi)用等。因此，不管是技術(shù)矛盾還是物理矛盾，在該課程的學(xué)習(xí)中靈活運(yùn)用，舉一反三，達(dá)到融會(huì)貫通。

圖2 化工原理與創(chuàng)新理論融合教學(xué)方案

2.3 資源分析、裁剪及物場(chǎng)模型與課程的實(shí)踐融合

資源分析、裁剪及物場(chǎng)模型也是Triz理論解決工程問題的精華部分。特別是物場(chǎng)模型的運(yùn)用，在學(xué)習(xí)化工原理課程中傳質(zhì)部分的時(shí)候，針對(duì)于吸收與蒸餾，熱場(chǎng)屬于有用功能。但是對(duì)于干燥與蒸發(fā)，尤其針對(duì)加熱食品當(dāng)中熱敏感物料時(shí)，熱場(chǎng)就體現(xiàn)出了一定的有害作用，此時(shí)應(yīng)該消除有害的物質(zhì)或場(chǎng)，見圖1。使用物場(chǎng)模型進(jìn)行分析，得出熱場(chǎng)是有害的場(chǎng)。通過標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)行分析研判，對(duì)于干燥來說，增加熱場(chǎng)(降溫)不利于熱敏感物質(zhì)的干燥，即冷凍干燥就成為干燥單元操作中一種重要的補(bǔ)充。裁剪同樣可以用來解釋冷凍干燥在干燥過程中的重要性，對(duì)于熱敏感的物質(zhì)，加熱空氣是一種有害的功能，如果將之裁剪掉，必須把加熱空氣原有有用的功能轉(zhuǎn)移到新的組件或者原有的組件中，干燥的目的主要是脫水，所以通過水發(fā)生相變成冰再分離去除也可以達(dá)到除去水份的目的，于是產(chǎn)生新的組件功能就是降溫相變，即冷凍干燥。其實(shí)化工原理很多內(nèi)容可以和Triz理論結(jié)合起來，使得內(nèi)容容易理解并能提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。化工原理與Triz結(jié)合的方案詳見圖2。

3 結(jié) 論

化工原理課程與Triz創(chuàng)新方法相互融合的教學(xué)模式，有助于加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，可以切實(shí)提升學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)綜合能力。并且通過選拔和指導(dǎo)學(xué)生參加國(guó)家及省部級(jí)等各類創(chuàng)新方法大賽，強(qiáng)化對(duì)大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力的培養(yǎng)。同時(shí)，夯實(shí)學(xué)生的科技創(chuàng)新思維能力，為培養(yǎng)出應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)，也為大學(xué)生科技創(chuàng)新和就業(yè)等方面提供支撐。另外，可以為化學(xué)化工類專業(yè)課程與創(chuàng)新教育的有效融合提供借鑒。