從生活到工程：化工原理研究性教學模式的實施

韶暉，孫雪妮，王俊

常州大學石油化工學院，江蘇 常州213164

化工原理是化工類的專業基礎課，是在完成數學、物理、四大化學和計算機技術等先導課程學習后，進入工程專業課學習前的必修課程，承擔著工程科學與工程技術的雙重教育任務。化工原理課程以化工生產中的單元操作為主要內容，分析和解決化工過程中“三傳”理論的基本原理、工藝計算、能量衡算及過程強化，并進行設備的設計和選型。一直以來，化工原理教學強調的是原理的講解、模型的推導、過程的計算和設備的選型。因此，教師在課堂中起著主導作用，而學生的主觀能動性發揮有限。但作為化工類本科生進入工程領域的敲門磚，化工原理具有工程實踐性強、注重應用等特點，在掌握基礎知識的同時，更重要的是培養學生的工程觀念以及分析和解決復雜工程問題的能力。

研究型教學的思想源于洪堡最早提出的“教學與研究相統一”的大學教學原則[1]。1998年，美國博耶委員會在其研究報告中明確指出，要將研究型教學作為本科教學的要求[2]。近年來，研究型教學也受到了我國高等教育界的重視。清華大學汪勁松等[3]認為，實施研究型教學體現的是“研究型教學過程化”。研究型教學采用自主探究的教學方式，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。在教學過程中，學生處于主導地位，自主參與教學活動，教師不再是“圣壇上的講道者”，而變成了真正的“授業解惑者”。將研究型教學和翻轉課堂相結合，提高學生學習的積極性，在思索中發現問題，在探究中尋求答案。

本文從化工原理課程的特點出發，以單元操作為根本，以研究型課題為導入點，學生通過翻轉課堂，由淺入深，從日常生活到生產實踐，呈現對問題的解決過程。并將課程設計融入到其中，提高學生的綜合能力和合作能力。

1 流體流動在生活中的體現

在學習化工原理課程之前，學生較少涉及工程問題。美國教育家杜威主張“教育即生活”，提出了“以生活化和活動教學代替傳統的課堂教學，以切身體驗代替書本知識”的教學方法[4]。針對學生看到“化工”“原理”字眼為難的情緒，在學習第一章“流體流動”單元操作后，我們做了第一個研討課題“流體流動在生活中的現象”。對于這次課題，學生表現出極大的興趣，例舉出的生活實例很豐富。例如：有一組學生做了《伯努利方程在香蕉球中的應用》研究報告。首先，他們以1997年巴西后衛 Carlos一腳 35米任意球遠射，踢出漂亮的香蕉球為背景，提出了“香蕉球是怎么來的呢？”的問題。接著學生通過查閱文獻分析了球受力的作用線(見圖1)，并進行了具體的計算：假設罰球員距球門12 m，球在空中運動時間為2 s。此時，空氣流速約為2 m·s?1，球的轉速設為5 r·s?1，足球重0.45 kg，半徑為0.11 m。由伯努利方程求出香蕉球的橫向漂移量為1.72 m。之后，這組學生將分析和計算過程寫成了一篇論文，并做好PPT，以翻轉課堂的形式進行展示：由實例引出問題，利用伯努利方程解決問題。匯報完后，聽課的同學與講課同學之間進行交流或討論。

圖1 球受力的作用線

再比如學生針對“一米安全線”進行研討。學生設定參數：“復興號”車長439.9 m，車高3.7 m，乘客身高1.8 m，體重70 kg，通過伯努利方程分析得到，當列車以250 km·h?1的速度行駛時，乘客將受到104千克力的作用力將其推向列車。為了保證乘客的安全，才有站臺設置安全線。此外，學生還就“船吸現象”、賽車的“擾流板”、飛機的“翼型升力”、噴水壺等展開了分析。

通過“流體流動在生活中的體現”的研討課題，采用翻轉課堂的教學模式，激發了學生學習化工原理的興趣，讓他們了解化工原理不僅僅存在于化工中，在生活中處處可見。

2 非均相分離在工業中的應用

在第一次研討課的基礎上，我們在“非均相物系的分離”單元操作學完后，設置了第二次的研討課題“非均相分離在工業中的應用”。非均相物系分離的單元操作比較多，書上介紹的有：沉降、過濾和流態化。學生查閱文獻后，呈現的應用較為廣泛。一組學生查閱了碳酸氫銨的生產工藝流程(見圖2)：氨水和二氧化碳在碳化塔中反應，生成含有碳酸氫銨的懸浮液。該過程中采用了三種非均相物質分離的設備：轉鼓式離心機、旋風分離器和袋濾器，進行逐級分離。轉鼓式離心機分離得到的是粗品，旋風分離器得到的是純品，袋濾器是對排出氣體中的碳酸氫銨微小顆粒進行過濾。通過文獻的查閱和工業流程的分析、闡述，臺上和臺下的學生對三種非均相物質分離設備的作用和效果加深了了解。又如，啤酒生產中多處采用液體袋式過濾器，對CIP (Clean in place)用水、糖化用水、洗瓶水、沖瓶水和灌裝機沖洗水等進行過濾，以去除顆粒雜質。還有學生分析在硝酸氧化醇酮合成己二酸的過程中，采用增稠器將己二酸晶漿中部分母液抽出，己二酸顆粒被攔截，為離心機提供合適的進料濃度。此外，餐飲油水的處理，高密度鉆井液中氣液的分離，水力旋流器在煙氣脫硫系統中的應用，濾餅洗滌在檸檬酸生產中的應用，火力發電廠靜電除塵器，凈水器、空氣凈化器等等都有分析。

圖2 碳酸氫銨流程示意圖

“非均相分離在工業中的應用”研討課題，不僅鍛煉了學生查閱文獻的能力，在掌握基礎知識的同時，更主要的是培養學生的工程觀念、了解工程的實踐性。

3 工業流程的分析，課程設計的融入

《化工原理》下冊的學習內容以傳質與分離為主。學生選擇的課題多種多樣，如采用變壓精餾分離四氫呋喃和水、通過分子蒸餾工藝提取較高純度的天然維生素 E、采用變壓吸附技術從甲醇弛放氣中回收氫氣及富碳氣、氯酸鈉真空冷卻結晶工藝、膜分離技術在乳品中的應用等。我們要求學生在分析工業流程時，不僅要說明產品的用途、生產的流程和設備，還將課程設計融合其中，對塔設備進行設計。比如，環丁砜萃取精餾的工藝：以環丁砜為溶劑，通過萃取精餾塔將非芳烴從塔頂分離出來；塔底富溶劑則送入溶劑回收塔，通過減壓精餾進行芳烴與溶劑的分離。回收塔底出來的環丁砜貧溶劑，送入萃取精餾塔頂部循環使用，而塔頂的產品通過精餾塔得到高純的苯和甲苯。結合該工藝流程(圖3)，我們要求學生設計第三個用于分離苯-甲苯的連續篩板式精餾塔。給定設計任務：處理量5萬噸/年，進料苯含量40% (質量分數)；產品要求：塔頂含苯量為98%，塔釜含苯量為2%。再例如，活化熱鉀堿溶液脫除CO2：采用K2CO3為吸收劑，添加活性劑(如二乙醇胺)、緩蝕劑(V2O3)等形成混合吸收劑，通過吸收塔脫除CO2。為了合理利用吸收劑，節約生產成本，吸收塔形成的富液經解吸塔加熱，進行解吸形成貧液，循環利用吸收溶液。學生可以對吸收塔和解吸塔進行設計。

圖3 環丁砜萃取精餾工藝流程

將“塔設備”課程設計融入到化工原理課程的教學中，提高了學生對理論知識的綜合應用能力，對學生工程素質的培養起到了重要的作用。

4 結語

通過翻轉課堂，實施化工原理研討式教學模式，提高學生學習的興趣，鍛煉學生的自主能力、團隊合作和工程應用能力，加深學生對工程過程的多樣性和復雜性的了解，以及對實際化工過程的認識。另外結合課程的特點，將課程設計融入課程學習，深化知識應用、拓展教學內容、對培養學生工程能力起到重要的作用。