“化工原理”課程教學的認知與實踐

劉建周 孟獻梁 李 曉 江曉鳳

(中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

隨著煤化工和石油化工大規模化發展及多種化學品生產工藝的出現，20世紀前半葉，化學工程學科應運而生，經過幾十年的發展逐漸走向成熟，并深刻影響著社會、經濟，乃至人們的生活。

化學工程作為工科專業呈現多學科交叉的特點，既以數、理、化自然學科為基礎，又與生產實踐的具體應用緊密聯系。工業及信息技術的快速發展，一方面為化學工程學科的發展注入了強大的動力和支持，另一方面也提出了更高的要求。對化工專業的教育和學生培養的內涵與模式提出了新的課題，需要探索、認識和改革。改變傳統人才培養模式，培養多學科交叉的多樣性復合人才成為共識[1]。改變教學設置和教學方法，融合信息化技術[2]。微課、翻轉課堂、微視頻等教學形式走進課堂，受到廣泛關注[3,4]。加強實踐實訓環節，提高學生探索式學習的積極性。課程教改研究成果及應用促進了化工專業教學質量的提高。

“化工原理”課程是化工專業普遍開設的一門重要的專業基礎課程，如何提高教學效果成為課程教改的重要內容。作者結合“化工原理”課程的教學經驗及教學團隊的研究成果，從教學內容的認知、教學方法的實踐、教學效果的評價及教學目標的達成等方面進行了深入細致的研究。

1 “化工原理”課程的教學目標

“化工原理”課程在化學基礎課和化工專業課之間起著承前啟后、由理及工的橋梁作用。該課程主要講述化工單元操作的基本原理，典型設備的構造、性能及工藝尺寸的設計計算方法(或設備選型)等。培養學生針對化工工藝的設計目標，具有分析和設計化工單元操作的能力，讓學生在分析和解決有關化工單元操作問題時建立起工程觀念、創新思維和敬業精神，擁有能夠綜合運用基本理論開展化工生產和設計工作，創新解決復雜問題的能力。

2 “化工原理”課程教學的認知

化學、化學工藝和化學工程學科關聯緊密，“化工原理”透過繁雜的化學工藝過程將具有共性的操作提煉出來形成單元操作。依據物理定律、定理和化學知識推導出單元操作過程所遵循的基本原理，概括為動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞理論，即“三傳”理論。運用單元操作的基本原理解決新的化學工藝的設計與計算問題。

單元操作可以歸為“過程”及“設備”兩方面的內容。對“過程”這一觀點的把握有助于理解單元操作基本原理的推導、形成及應用，為教與學提供一種思維方法。“過程”可分為3個層面，一個隨時間或空間位置變化的“過程”可切分為若干個“狀態”，每個“狀態”由若干個“參數”表征，即“過程-狀態-參數”。如穩態與非穩態過程的表達，“過程”中“狀態”的參數隨“位置”和時間變化的為非穩態過程，參數隨“位置”變化而不隨時間變化的為穩態過程。

傳遞“過程”亦可從兩個方面理解，一方面是方向與限度，另一方面是“過程”進行的速度。如熱量傳遞從高溫到低溫，質量傳遞從高濃度到低濃度。傳遞過程的速率表示為：速率=推動力/阻力，或速率=系數×推動力。一個“過程”有起點和終點，傳遞過程的終點為平衡狀態，此時“過程”的推動力為零，傳遞速率也為零。實際的單元操作過程難以達到平衡狀態，但平衡狀態可作為推動力計算的參照。

建立在“三傳”理論基礎上，單元操作原理既有統一性又有差別性。單元操作原理的形成有一定的方法可循。單元操作過程遵循質量守恒定理和能量守恒定理，物料衡算和熱量衡算是基本的計算方法。單元操作“過程”的速率關系和平衡關系是設備設計及過程參數計算的基礎。其中以速率的計算為解決單元操作問題的切入點，如沉降、過濾、吸收和干燥速率等。

由于單元操作過程的影響因素復雜，數學模型法和因次分析法是常用的方法，在特定的條件下得出相應的計算式。由此造成普遍的看法是“化工原理”課程公式多，抽象難理解，學習難度大。從應用的角度看，在繁多的計算式中作出正確選擇和計算相關參數時，需要對單元操作基本原理有清晰的認識。“學會”單元操作的基本原理，有利于厘清計算式的應用對象、前提和條件。“學會”基本原理形成的過程，以及單元操作復雜問題的研究方法，結合單元操作的特點形成系統化的理論知識，可使被動地“學會”記憶轉變為正確靈活地解決復雜化工問題的能力。

3 “化工原理”課程教學方法的探索與實踐

課堂教學仍是目前常用的教學形式，如何講解課程內容，促成更高的學習效率，加強課程群之間的相互聯系，是課程教學過程中需要探索和實踐的問題。“化工原理”課程內容已具有了成熟的理論與應用體系，課程體系中設置的“化工原理”課程設計、化工原理實驗或化工基礎實驗，以及畢業設計環節所組成的課程群加強了理論與實踐的結合。課程內容的教學順序遵循由點到線，由線到面，達成點-線-面的融會貫通，力求使學習的知識體系化。知識點往往是課程內容講解的切入點，包括基本概念、基本原理、模型建立與應用，及求解過程參數的基本方法。預習-課堂講解-作業是學生學習的常見過程。教材作為主要參考書，在教材內容的引導下，將知識點融入過程原理中提出預習內容。課后作業包括習題、單元操作設計、專門問題研討，并提交作業、報告和設計說明書。課堂講解時將課后練習、課程設計和畢業設計中出現的問題穿插在課程內容中，避免學生出現重復性錯誤和認知誤區。清晰認識概念，正確掌握基本原理，正確應用解決問題的方法，奠定認識單元操作現象和解決工藝設計計算復雜問題的基礎。

工程觀念的培養與形成是課程教學的關注點，符合工程教育目標。如誤差的概念，應用理論模型模擬實際過程時，計算結果不可避免地存在誤差，但工程的模擬計算應符合誤差要求。如計算精餾塔板數的一般方法是在理論塔板數的基礎上結合塔板效率得出，初算所用的多是常壓條件下的基礎數據，如平衡數據和物性參數等。對于塔板數較多的情況，尤其是塔釜內的溫度和壓強較高時，計算數值與實際運行的結果會產生較大誤差，需要加以核算以符合誤差要求。又如管徑的計算，須結合國標及市售的管徑規格對所計算的管徑進行調整，并核算管內流速。再如管路系統設計時，要求設計者針對設計目標進行方案比較，在工藝計算的基礎上結合經濟、節能環保等因素優化方案。如換熱器設計中結合我國地域特點，合理選擇換熱介質出口溫度，合理利用水資源。類似的諸多設計計算中，在綜合應用單元操作完成具體的工藝設計時，工藝的優化、設備的選擇、經濟環保的要求等都是工程概念的內容。

“化工原理實驗”“化工原理課程設計”乃至畢業設計教學環節與“化工原理”課程的內容緊密關聯，也是課程教學反饋問題的渠道。通過反饋的問題，進一步研究課程教學改進的措施。如測定傳熱系數的實驗，為什么選擇采用蒸汽加熱空氣的傳熱體系？實驗裝置如何建立？實驗包含了哪些單元操作和設備？如何正確操作設備？因次分析法的應用及實驗原理的擬定、實驗數據的取得與處理方法、對實驗中出現的溫度波動問題的分析和解決，都涉及傳熱單元操作基本原理與實驗研究方法的應用，是綜合運用基本理論知識解決實際問題的訓練。課程群的相互支持對提高“化工原理”課程教學效果起到了不可或缺的作用。

學生分組研論是一種有效的學習形式，在討論中發現學習中的誤區，鞏固基礎知識，理論聯系實際，可提高學生的學習興趣。如精餾塔操作中塔頂采用全凝器回流，有學生提出了問題，“塔頂回流液與第一塊板上升蒸汽之間傳遞的推動力是什么？”，尋找答案就需要理解傳熱和傳質過程的推動力，即對精餾基本原理、溫度組成圖或t-x-y圖的理解和應用。通過布置單元操作設計型作業(如結合管道輸送系統的設計、固液分離系統的設計)，將課程理論教學應用于實際，從中進一步扎實理論基礎，明確理論應用于實際的方法和途徑。再結合市場及技術的發展，應用計算工具和計算軟件輔助解決設計計算問題，消除學生平時學習時的茫然感覺，增加解決實際問題的興趣和成就感。

對課程內容系統化的總結是一個“點-線-面”融合的有效形式。每個單元操作的內容都有核心點，以此展開可將基本的知識點聯系起來。如“流體流動”一章可以伯努利方程為核心，將連續性方法、靜力學方程、流動類型及流動阻力計算、流量測量等內容關聯起來。

4 “化工原理”課程教學效果的檢驗與反饋

課程考核不僅考核學生掌握和應用知識的情況，也用來檢驗教學的效果。采用平時成績和考試成績相結合的方式，考核學生掌握和應用單元操作基本原理分析化工生產過程中常見問題并提出解決方案的能力。總結考核的情況與成績分布，反饋改進教學內容和方法，圍繞教學目標的達成和教學質量的提高采取改進措施。課程達成的目標要求是：(1)能夠獲得判別和解決化工問題的優化途徑及方案，利用化工工藝及單元操作過程中的相應條件對模型進行求解；(2)能夠從一個復雜化工生產系統中識別和表達出所包含的主要單元操作過程，并能夠通過分析從中判別出關鍵的單元操作環節并獲取相應的工藝參數；(3)能夠根據設計目標對相應的單元操作和設備進行工藝計算、設備計算和選型，為解決化工生產過程中復雜工程問題提供基礎。

5 結束語

“化工原理”課程對化工新型工科人才的培養具有重要支撐作用，對奠定學生的專業知識和實踐能力有著重要的影響。在新的教學手段的支持下，教師應該探索課程教學內容，創新教學模式，改革考核方法，反饋并改進教學過程，更好地適應快速發展的新形勢對人才培養的需求，使學生在知識與技能、創新思維和工程應用等方面具有良好的素質。教師在教學過程中融入社會責任感和工匠精神，培養愛國愛崗、高素質的化工建設與發展的人才[5]。

教學過程中教師需注重加強科學思維的培養，以辯證和哲學的觀點指導學生學習課程內容。如“透過現象看本質”，幫助學生理解課程內容間的本質聯系，了解化工“過程”基本規律的研究及描述方法。對于復雜化工過程的分析，區分主次影響因素，抓住解決問題的主要矛盾。引導學生理論聯系實際， 樹立“實踐-理論-實踐”，或“工藝-原理-工藝”的觀點，認識到單元操作基本原理和理論來源于實際工藝中的共性問題，形成的理論又應用于新的工藝實踐，并在實踐中得到應用和修正。