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(mén)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(wèn)題、解決工程問(wèn)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(guò)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(guò)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(lèi)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(mén)“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(guò)程中的紐帶與橋梁。近20年來(lái)，全國(guó)許多工科高校包括一些林業(yè)院校紛紛開(kāi)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(kāi)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(mén)以典型的單元操作為主要內(nèi)容，以傳遞過(guò)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(jiǎn)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(wèn)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(jiǎn)單的問(wèn)題可采用數(shù)學(xué)解析法以外，大多數(shù)問(wèn)題需要依靠理論指導(dǎo)下的工程化方法來(lái)解決?！盎ぴ怼睂?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(shū)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(shù)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(wèn)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(lái)探討學(xué)生工程觀念培養(yǎng)的問(wèn)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(guò)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(lái)分析解決工程實(shí)際問(wèn)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(wèn)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(lái)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(wèn)題來(lái)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(wèn)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(guò)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(lái)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(guò)程中的熱損失等相關(guān)的工程實(shí)際問(wèn)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(wèn)題有充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，將復(fù)雜的問(wèn)題作合理又不過(guò)于失真的簡(jiǎn)化，提出一個(gè)近似實(shí)際過(guò)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(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)并測(cè)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(wèn)題的求解也可采用建模來(lái)解決。例如，在講授非均相體系分離中的沉降過(guò)程時(shí)，以求取流體通過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)解決。即，將床層中復(fù)雜的不規(guī)則的通道簡(jiǎn)化成許多管徑為d。、長(zhǎng)度為L(zhǎng)。的平行細(xì)管，簡(jiǎn)化后的模型通過(guò)引入模型參數(shù)結(jié)合范寧公式計(jì)算阻力，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)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(wèn)題簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的流體流動(dòng)問(wèn)題。學(xué)生在其中經(jīng)歷了提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)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(wèn)題解決方法。(三)因次分析法許多工程的實(shí)際問(wèn)題，涉及的變量較多，過(guò)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(guò)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(guò)程的主要變量，通過(guò)無(wú)因次化減少變量的數(shù)目，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定具體的函數(shù)關(guān)系。因次分析法用無(wú)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(guò)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(zhǎng)1、液體黏度u、液體密度p、流速u(mài)、管壁粗糙度等6個(gè)因素有關(guān)，但無(wú)法寫(xiě)出具體的函數(shù)表達(dá)式。將問(wèn)題寫(xiě)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(wú)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(lái)考察7個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系減少為4個(gè)無(wú)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(guò)無(wú)因次數(shù)群類(lèi)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(wú)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(lèi)似的實(shí)際問(wèn)題，就可大膽地應(yīng)用已學(xué)過(guò)工程方法，達(dá)到解決問(wèn)題的目的。(四)近似估算法一般來(lái)說(shuō)，影響工程問(wèn)題的因素眾多，在處理工程實(shí)際問(wèn)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(wèn)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)。可以看出，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?jiàn)，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(guò)程中，應(yīng)經(jīng)常穿插一些工程實(shí)際問(wèn)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(wèn)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(guò)程分解法在處理工程實(shí)際問(wèn)題時(shí)，將一個(gè)復(fù)雜的過(guò)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(guò)程(或子系統(tǒng))，分別研究各子過(guò)程(或子系統(tǒng))的特有規(guī)律，然后將各個(gè)子過(guò)程(或子系統(tǒng))聯(lián)系起來(lái)，探求各子過(guò)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(guò)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(lái)只是變量的分離和合并，但實(shí)質(zhì)上卻是對(duì)過(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)單地引入NOG、NOL及HOG、HOL等符號(hào)的定義，還要說(shuō)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(guò)程(或參數(shù))代替另一個(gè)較為復(fù)雜的待定過(guò)程或參數(shù)，使該事物在過(guò)程特征的某一方面與另一較為簡(jiǎn)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(wèn)題的例子很多，例如：通過(guò)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(zhǎng)度計(jì)算管件、閥門(mén)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(jiǎn)”的處理手段，可直接解決工程中很多復(fù)雜的問(wèn)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(guò)長(zhǎng)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(gòu)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(xiě)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(shì)，大膽地進(jìn)行了新的教學(xué)模式的探索，實(shí)行開(kāi)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(kāi)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(guò)程僅提供一些指導(dǎo)性意見(jiàn)。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(guò)程中遇到的問(wèn)題比以前更多，但在處理這些問(wèn)題過(guò)程中，學(xué)生分析和解決問(wèn)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(wèn)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(guò)選題、資料的準(zhǔn)備、化工單元過(guò)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(wèn)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(guò)課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，營(yíng)造學(xué)生模擬解決實(shí)際工程問(wèn)題的場(chǎng)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(guò)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(guò)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(wèn)題即為設(shè)備選擇。在確定了過(guò)程和設(shè)備之后，就要進(jìn)行過(guò)程的計(jì)算和設(shè)備的設(shè)計(jì)。在這個(gè)過(guò)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(guò)程通過(guò)各種物性數(shù)據(jù)手冊(cè)和化工手冊(cè)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(wèn)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(chǎng)合可能出現(xiàn)的各種設(shè)計(jì)型問(wèn)題和操作型問(wèn)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(shuō)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(guò)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)