職業(yè)教育論文-“化工原理”教學(xué)應(yīng)重視工程觀念的培養(yǎng)摘要：“化工原理”是一門實(shí)踐性、工程性很強(qiáng)的應(yīng)用課程。在教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和工程意識(shí)，提高分析工程問題、解決工程問題的能力。該文總結(jié)了六種教學(xué)中涉及的工程研究方法：聯(lián)系實(shí)際法、數(shù)學(xué)模型法、因次分析法、近似估算法、過程分解法、當(dāng)量處理法；并結(jié)合課堂講授、例題與習(xí)題的訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的鞏固、化工單元過程的課程設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)，提出了在教學(xué)中提煉工程觀念、在實(shí)驗(yàn)中確定工程觀念、在設(shè)計(jì)中實(shí)踐工程觀念的觀點(diǎn)，充分探討和論證了該課程對(duì)培養(yǎng)與強(qiáng)化學(xué)生工程觀念的重要作用。關(guān)鍵詞：化工原理；教學(xué)；工程觀念“化工原理”課程包括教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)三個(gè)環(huán)節(jié)，是化工類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課之一，是學(xué)生專業(yè)知識(shí)構(gòu)建中的一門“承前啟后”的重要課程，也是學(xué)生從“化學(xué)”到“化工”認(rèn)知過程中的紐帶與橋梁。近20年來，全國許多工科高校包括一些林業(yè)院校紛紛開設(shè)了“化工原理”課程。由于“化工原理”課程涉及范圍廣、內(nèi)容多，加上相關(guān)實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和計(jì)算能力的要求較高，因此如何與專業(yè)發(fā)展方向相銜接開展教學(xué)，是一項(xiàng)非常重要、難度頗大的研究課題?！盎ぴ怼笔且婚T以典型的單元操作為主要內(nèi)容，以傳遞過程和研究方法論為主線的工程技術(shù)基礎(chǔ)課。它不同于物理和化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，因?yàn)榛A(chǔ)學(xué)科以簡單的、理想的模型為研究對(duì)象，采用的是嚴(yán)密的數(shù)學(xué)分析法；而工程學(xué)科面臨著真實(shí)、復(fù)雜的實(shí)際生產(chǎn)問題，加上待處理物系千變?nèi)f化、影響因素多而復(fù)雜、操作條件各不相同，除了少數(shù)簡單的問題可采用數(shù)學(xué)解析法以外，大多數(shù)問題需要依靠理論指導(dǎo)下的工程化方法來解決。“化工原理”實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)更是強(qiáng)調(diào)學(xué)生運(yùn)用工程方法和工程手段將書本知識(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的環(huán)節(jié)，即是強(qiáng)化學(xué)生將理論的感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，達(dá)到“學(xué)以致用”的目的。這就要求學(xué)生盡早建立工程意識(shí)，樹立工程觀念，培養(yǎng)工程思維，最終能用工程觀念分析、解決工程實(shí)際問題。本文擬從“化工原理”理論教學(xué)、課后實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)三個(gè)角度來探討學(xué)生工程觀念培養(yǎng)的問題。一、教學(xué)中提煉工程觀念教學(xué)活動(dòng)是在教師指導(dǎo)下學(xué)生積極參與學(xué)習(xí)的過程，其中教師的引導(dǎo)顯得非常重要和關(guān)鍵。教學(xué)中應(yīng)有意識(shí)地讓學(xué)生建立起一種工程意識(shí)，用工程的價(jià)值觀念來分析解決工程實(shí)際問題。其中，注意引入一些有效的工程應(yīng)用方法，可達(dá)到事半功倍的效果。(一)聯(lián)系實(shí)際法在課堂教學(xué)中，可以采用集體討論、教師點(diǎn)評(píng)等形式，調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與意識(shí)，盡量選擇一些與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、生活聯(lián)系緊密的工程問題進(jìn)行引導(dǎo)、分析、討論和歸納總結(jié)。例如，在流體流動(dòng)章節(jié)的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生留心觀察宿舍在用水高峰期與非高峰期出水量的大小來理解分支管路中流量分配的特征，并可結(jié)合家庭裝修中如何合理選擇和鋪設(shè)水管等具體問題來理解流體流動(dòng)阻力的概念，深入淺出地加以引導(dǎo)和啟發(fā)。每次討論時(shí)，要注意引導(dǎo)學(xué)生從生產(chǎn)技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)合理性方面進(jìn)行系統(tǒng)的“工程”考慮，要對(duì)不同的方案進(jìn)行“工程”比擬，深入剖析問題，得出結(jié)論，從中提煉工程意識(shí)，形成工程觀點(diǎn)，強(qiáng)化工程思想。再比如，在傳熱學(xué)的教學(xué)過程中，可就家庭熱水器的安裝和熱水管的布置，家用電暖爐的工作原理、傳熱方式等與人們密切相關(guān)的生活事例來分析傳熱的原理，討論如何有效地傳熱以及如何防止在傳熱過程中的熱損失等相關(guān)的工程實(shí)際問題。這不僅能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的洞察、想象和思維能力，強(qiáng)化對(duì)工程觀念的檢驗(yàn)和應(yīng)用，同時(shí)也能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)“化工原理”課程的興趣，有利于工程觀念的建立和提升。(二)數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型法是在對(duì)研究的問題有充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，將復(fù)雜的問題作合理又不過于失真的簡化，提出一個(gè)近似實(shí)際過程且易于用數(shù)學(xué)方程式描述的物理模型，并對(duì)所得到的物理模型通過物料衡算、熱量衡算、平衡計(jì)算等找出模型參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而建立數(shù)學(xué)模型，然后確定該方程的初始條件和邊界條件，求解方程，最終通過實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)并測定模型參數(shù)。在“化工原理”課程中，最著名、最實(shí)用的模型當(dāng)屬膜模型，它普遍適用于動(dòng)量、熱量和質(zhì)量三種傳遞。此外，還有許多其它問題的求解也可采用建模來解決。例如，在講授非均相體系分離中的沉降過程時(shí)，以求取流體通過固定床的壓降為例，可用實(shí)物圖片告知學(xué)生固定床中顆粒間的空隙形成許多可供流體通過的細(xì)小通道，這些通道是曲折的而且是互相交聯(lián)的，同時(shí)，這些通道的截面和形狀又是很不規(guī)則的，流體通過如此復(fù)雜的通道時(shí)的壓降自然很難進(jìn)行理論計(jì)算，引導(dǎo)學(xué)生借用數(shù)學(xué)模型法來解決。即，將床層中復(fù)雜的不規(guī)則的通道簡化成許多管徑為d。、長度為L。的平行細(xì)管，簡化后的模型通過引入模型參數(shù)結(jié)合范寧公式計(jì)算阻力，最后通過實(shí)驗(yàn)來確定模型參數(shù)和檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的有效性。這樣，就把一個(gè)復(fù)雜的實(shí)際工程問題簡化為一個(gè)簡單的流體流動(dòng)問題。學(xué)生在其中經(jīng)歷了提出問題、分析問題、解決問題的過程，既加深了對(duì)公式的理解和認(rèn)識(shí)，又掌握了一種實(shí)用的工程問題解決方法。(三)因次分析法許多工程的實(shí)際問題，涉及的變量較多，過程較復(fù)雜，一般很難從理論上進(jìn)行描述，通常采用因次分析法。該法不需要對(duì)過程機(jī)理有深入的理解，只需盡可能地分析并正確列出影響過程的主要變量，通過無因次化減少變量的數(shù)目，再通過實(shí)驗(yàn)確定具體的函數(shù)關(guān)系。因次分析法用無因次數(shù)群代替單個(gè)變量，大大地減少了實(shí)驗(yàn)的工作量，并且實(shí)驗(yàn)中不需要采用真實(shí)的物料、真實(shí)的流體或?qū)嶋H的設(shè)備尺寸，只需借助模擬物料，由一些預(yù)備性的實(shí)驗(yàn)或理性的推斷得出過程的影響因素，進(jìn)而加以歸納和概括，形成經(jīng)驗(yàn)方程。以流體流動(dòng)章節(jié)中獲得流體在管內(nèi)流動(dòng)的阻力和摩擦系數(shù)入的關(guān)系式為例。根據(jù)摩擦阻力的性質(zhì)和有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，得知由于流體內(nèi)摩擦而出現(xiàn)的壓力降Pf與管徑d、管長1、液體黏度u、液體密度p、流速u、管壁粗糙度等6個(gè)因素有關(guān)，但無法寫出具體的函數(shù)表達(dá)式。將問題寫明擺在學(xué)生面前，并適時(shí)地傳授給學(xué)生一種實(shí)用的工程方法因次分析法，即根據(jù)因次一致性原則和白金漢的7c定理，引導(dǎo)學(xué)生將上述6個(gè)參數(shù)對(duì)壓降A(chǔ)pf的影響轉(zhuǎn)化為dupu(雷諾數(shù))、1d、d3個(gè)無因次數(shù)群對(duì)Pfpu2(歐拉數(shù))的影響，使得實(shí)驗(yàn)研究可從原來考察7個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系減少為4個(gè)無因次數(shù)群之間的關(guān)系，大大減少了實(shí)驗(yàn)的工作量，讓學(xué)生切身體會(huì)到該法的方便性與實(shí)用性。因次分析法另一個(gè)重要的特性是，可將水、空氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過無因次數(shù)群類比法推廣應(yīng)用于其它流體，將小尺寸模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于大型實(shí)驗(yàn)裝置。讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)前的無因次化工作是規(guī)劃實(shí)驗(yàn)的一種有效手段，在化工中應(yīng)用廣泛。這樣，學(xué)生今后遇到類似的實(shí)際問題，就可大膽地應(yīng)用已學(xué)過工程方法，達(dá)到解決問題的目的。(四)近似估算法一般來說，影響工程問題的因素眾多，在處理工程實(shí)際問題時(shí)考慮所有影響因素是很難的，所以在處理實(shí)際工程問題時(shí)只要保證結(jié)果在允許的誤差范圍內(nèi)，工程上是可以接受的。因此，學(xué)生有必要掌握工程上近似處理、近似計(jì)算的思想和方法。例如，在傳熱計(jì)算中總傳熱系數(shù)K是評(píng)價(jià)換熱器性能的一個(gè)重要參數(shù)，也是換熱器的傳熱計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)。在忽略換熱器污垢熱阻的前提下，K的表達(dá)式為：1K。=1ao+(b)(dodm)+(1ai)(dodi)?？梢钥闯?，總傳熱系數(shù)的倒數(shù)，即總熱阻由三部分組成：管外傳熱熱阻、管壁導(dǎo)熱熱阻、管內(nèi)傳熱熱阻。當(dāng)aoao時(shí)，Ko=ai成立。即，總熱阻是由熱阻大的那一側(cè)的對(duì)流傳熱所控制。而在工業(yè)上換熱操作中，通常都是由飽和熱蒸汽加熱冷流體，其中水蒸氣的對(duì)流傳熱系數(shù)ao相當(dāng)大，因此可將總傳熱系數(shù)K作近似處理，其值約等于冷流體的對(duì)流傳熱系數(shù)ai值。同時(shí)在實(shí)際操作中，欲提高K值，關(guān)鍵在于提高對(duì)流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的a?？梢?，在教學(xué)中應(yīng)讓學(xué)生逐步掌握工程上近似處理的思想和方法。在課堂上的例題與習(xí)題講授過程中，應(yīng)經(jīng)常穿插一些工程實(shí)際問題，要求學(xué)生大膽快速地進(jìn)行近似估算。這樣，不僅能使學(xué)生深化對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)，而且還可使學(xué)生做到舉一個(gè)“例題習(xí)題”而反思三個(gè)“工程問題”，進(jìn)一步完善對(duì)工程意識(shí)的建立，鞏固工程觀念。(五)過程分解法在處理工程實(shí)際問題時(shí)，將一個(gè)復(fù)雜的過程(或系統(tǒng))分解為聯(lián)系較少或相對(duì)獨(dú)立的若干個(gè)子過程(或子系統(tǒng))，分別研究各子過程(或子系統(tǒng))的特有規(guī)律，然后將各個(gè)子過程(或子系統(tǒng))聯(lián)系起來，探求各子過程(或子系統(tǒng))之間的相互影響及總體效應(yīng)，再分別采取各自合適的研究方法，這就是過程分解法。例如，在設(shè)計(jì)填料塔時(shí)，把填料層高度計(jì)算公式表示為傳質(zhì)單元高度HOG或HOL和傳質(zhì)單元數(shù)NOG或NOL之積，表面上看起來只是變量的分離和合并，但實(shí)質(zhì)上卻是對(duì)過程的分解。NOG、NOL與物系的相平衡及進(jìn)、出口濃度有關(guān)，受工藝條件控制，反映了吸收過程進(jìn)行的難易程度；而HOG、HOL則與設(shè)備形式及設(shè)備的操作條件有關(guān)，反映了設(shè)備效能的高低。這樣，在選擇設(shè)備之前，可以根據(jù)給定的分離任務(wù)，計(jì)算出NOG或NOL，如果NOG或NOL太大，則表明吸收劑性能太差或分離要求過高，必須選擇高效設(shè)備去適應(yīng)。因此，在講授填料層高度計(jì)算時(shí)，不能簡單地引入NOG、NOL及HOG、HOL等符號(hào)的定義，還要說明這樣處理的優(yōu)點(diǎn)，讓學(xué)生了解如此分解的內(nèi)在含義。(六)當(dāng)量處理法當(dāng)量處理法是指用一個(gè)已知的過程(或參數(shù))代替另一個(gè)較為復(fù)雜的待定過程或參數(shù)，使該事物在過程特征的某一方面與另一較為簡單的已知事物等價(jià)。在“化工原理”課程中，用當(dāng)量法處理工程問題的例子很多，例如：通過引入當(dāng)量直徑將圓管內(nèi)流動(dòng)的研究結(jié)果推廣于非圓管；引入當(dāng)量長度計(jì)算管件、閥門的局部阻力；引入當(dāng)量濾餅厚度(或當(dāng)量濾液量)計(jì)算濾布阻力；引入體積當(dāng)量直徑和形狀系數(shù)表征非球形顆粒等。這種“化繁入簡”的處理手段，可直接解決工程中很多復(fù)雜的問題，應(yīng)用廣泛。二、實(shí)驗(yàn)中確定工程觀念化工原理是人們通過長期實(shí)驗(yàn)總結(jié)和工程實(shí)踐驗(yàn)證了的實(shí)驗(yàn)學(xué)科。我校先后從天津大學(xué)、浙江大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)購入全套化工單元實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)備先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，實(shí)驗(yàn)硬、軟件條件齊備。我校的化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)中心于2004年獲中央與地方共建高?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的資助，2005年被授予“江蘇省基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)示范點(diǎn)”。以往“化工原理”實(shí)驗(yàn)一般采納的是“學(xué)生預(yù)習(xí)教師講解學(xué)生操作寫報(bào)告”的教學(xué)模式，這種模式教學(xué)方法單一，其任務(wù)只是驗(yàn)證理論知識(shí)中的一些現(xiàn)象、結(jié)論，在這種教學(xué)模式下學(xué)生缺乏創(chuàng)造性，對(duì)其工程觀念的培養(yǎng)幫助并不大。因此，我們利用實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)勢，大膽地進(jìn)行了新的教學(xué)模式的探索，實(shí)行開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。其根本目的就是真正體現(xiàn)以學(xué)生為教學(xué)的主體，將更多的主動(dòng)權(quán)和選擇權(quán)交給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供一個(gè)平臺(tái)。在開放式的教學(xué)模式下，教師不再對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟、儀器使用等進(jìn)行詳細(xì)的講解，這些內(nèi)容由學(xué)生自己去學(xué)習(xí)，教師只起到督導(dǎo)的作用，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程僅提供一些指導(dǎo)性意見。為了很好地完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生必須做好實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料。這樣，就調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，效果明顯優(yōu)于以前。雖然學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題比以前更多，但在處理這些問題過程中，學(xué)生分析和解決問題的能力得到了實(shí)際的鍛煉，這正是我們所期待的，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力。三、設(shè)計(jì)中實(shí)踐工程觀念“化工原理”課程設(shè)計(jì)是一個(gè)總結(jié)性的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用本課程及其它相關(guān)課程的基本知識(shí)，獨(dú)立完成某單元操作設(shè)計(jì)的訓(xùn)練。通過選題、資料的準(zhǔn)備、化工單元過程設(shè)計(jì)和總結(jié)等相關(guān)程序，使學(xué)生真正體驗(yàn)解決工程問題的思路和方法，切實(shí)地感受理論知識(shí)與工程觀念的結(jié)合和應(yīng)用。通過課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，營造學(xué)生模擬解決實(shí)際工程問題的場景，以達(dá)到對(duì)整個(gè)“化工原理”課程知識(shí)認(rèn)識(shí)上的升華。例如，學(xué)生做“苯一甲苯混合體系的分離”設(shè)計(jì)時(shí)，首先面臨過程的選擇，可以選擇蒸餾或萃取這兩種化工單元操作，也可選擇一些新型的化工單元操作，如膜分離等。在一般情況下，首先考慮采用蒸餾，它最適合于分離大部分的液體混合物，尤其適合于大規(guī)模、自動(dòng)化控制的工業(yè)分離。只有不適宜用蒸餾分離的物系，才考慮用其它的分離手段。在過程確定以后，就必須進(jìn)行設(shè)備的選擇。如果確定用板式塔，則還要確定用什么樣的塔板。如果確定用填料塔，則還要確定用整裝填料，還是用散裝填料，用什么材質(zhì)，等等。這些問題即為設(shè)備選擇。在確定了過程和設(shè)備之后，就要進(jìn)行過程的計(jì)算和設(shè)備的設(shè)計(jì)。在這個(gè)過程中，通常必須利用物料衡算方程、熱量衡算方程、操作線方程、熱力學(xué)方程、傳熱速率方程、傳質(zhì)速率方程等關(guān)系式，根據(jù)所處理物系的性質(zhì)和操作條件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算過程通過各種物性數(shù)據(jù)手冊和化工手冊查取所需的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，且經(jīng)常采用一些適用的經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算有關(guān)參數(shù)值。在缺乏數(shù)據(jù)的情況下，有時(shí)候則要組織實(shí)驗(yàn)以取得必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。這樣，既鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力，也使學(xué)生掌握了遇到實(shí)際工程問題時(shí)可以采用的各種方法。課程設(shè)計(jì)完成后，讓學(xué)生模擬面對(duì)實(shí)際的工業(yè)場合可能出現(xiàn)的各種設(shè)計(jì)型問題和操作型問題進(jìn)行答辯。前者主要就設(shè)備參數(shù)條件選擇的依據(jù)給出合理詳盡的解釋說明；而后者的一般表現(xiàn)方式是：當(dāng)某一個(gè)操作參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，通過分析判斷，該參數(shù)的變化將會(huì)引起其他哪些參數(shù)發(fā)生變化以及變化的方向(變大還是變小)、變化程度的大小。只要參數(shù)變化在允許的范圍內(nèi)，操作仍可視為正常。而參數(shù)變化超出允許的范圍時(shí)