化工原理课程“生活案例一理论教学一工程案例”教学模式研究

叶长燊　李玲　邱挺

[摘要]未来化工产业需要的是工程实践能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才，为加强工程实践教育，在化工原理课程教学中构筑并实施“生活案例一理论教学一工程案例”教学模式，应用引探、类比、启发等教学方法将生活案例、理论教学、工程案例有机结合形成三位一体的教学模式，有助于激发学生的学习兴趣，强化工程实践教育、提高学生应用理论知识解决工程实际问题的能力和工程知识的灵活应用能力。

[关键词]化工原理;生活案例;工程案例;教学模式

[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2019）11-0085-03

化工原理课程的中心任务是向学生传授化工单元操作的基本原理、单元操作设备结构及设计方法等理论知识，然而化工原理作为一门实践性很强的课程，其来自于实践又应用于实践，书本知识对于学生来说并非直接的工程经验。因此，化工原理课程的教学应当特别注意理论联系实际。案例教学[1-4]是理论联系实际的一种有效手段，更是一种巧妙的教学艺术，恰到好处的案例是帮助学生理解知识、启发思维、激发兴趣的“催化剂”。

一、“生活案例一理论教学一工程案例”教学模式

化工原理是化学工程与工艺、过程装备与控制、化工制药、环境科学与工程等相关专业的专业基础课，具有很强的工程性与实践性特点。它既是基础课与专业课的纽带，又是理论与实践的桥梁，是培养学生工程能力的重要课程。但是，化工原理课程涉及的单元操作类型多、影响因素千差万别，单元设备结构与设计计算方法复杂多样，学生在学习过程中普遍反映课程难度较大。著名心理学家皮亚杰指出“所有智力方面的工作都需要依赖于兴趣”，可见，兴趣在学习过程中具有积极的作用。如图l所示，在各单元操作理论教学开始之前，采用凤头式教学方法引入生活案例并提出问题，以此吸引学生的注意力，激发学生的探知欲望，在此基础上开展课堂理论教学;通过理论知识的学习，使学生自然而然地发现生活案例中的本质原理，从而加深对理论知识的掌握;最后再通过工程案例的豹尾式教学，使学生所学理论知识能够与工程实际问题联系起来，提高理论知识在分析解决工程实际问题中应用的能力。如此开展“生活案例一理论教学一工程案例”课堂教学实践，有利于激发学生的学习兴趣，提高课堂教学质量，实现掌握理论知识、培养工程能力的目的，构筑从理论知识通往工程能力的桥梁。

二、“生活案例一理论教学一工程案例”教学案例

（一）流体流动教学案例

凤头式教学导人生活案例：课堂中有一个漂亮、吸引人的开始，既能吸引学生的注意力，又可激发其求知欲。在分支管路的教学中用生活案例导入法设置如下情境：我们在使用自来水时会遇到如图2所示的情形，在并联两个水龙头的管路中，左侧水龙头关闭時，右侧水龙头可正常出水，而当左侧水龙头打开后，则右侧水龙头的出口流量突然减小，反之亦然。这现象是什么原因引起的呢？这样的分支管路是否适合生活和生产需要呢？若要避免出现这种现象，该如何设计分支管路呢？

引探式[5]理论教学：通过上述生活案例，提出问题，激发学生探索分支管路的特性，引出分支管路的学习目标，在上述问题情景下，通过分支管路结构、原理、特点等内容的教学，逐渐明确上述问题属于分支管路问题，引导学生应用流体流动和分支管路的相关知识解释上述现象。图2中的两水龙头连接于同一主水管，在右侧水龙头打开正常出水情况下打开左侧水龙头，此时主管中的水将有一部分流入左侧分支管路，若右侧管路中水的流量不变，则主管中水的流量与左侧水龙头打开之前相比必然增大，所以主管流动阻力增大，在主管进入分支管路的节点上的机械能将下降，而水龙头出口的机械能不变，导致分支管路中上下游的机械能差下降，从而使其流量下降。

豹尾式教学分析工程案例：在分支管路理论教学的基础上，应用工程案例强化学生对理论知识的掌握，同时建立理论与工程实际问题联系的桥梁，提高学生的工程实践能力。如图3所示的居民楼供水分支管路系统，当分支管路2上的阀门开大后，对支路1的流量会有什么影响呢？为避免各支路间的相互影响，该供水分支管路系统该如何设计？

根据图3分支管路分别在0截面至2截面、0截面至N截面和N截面至1截面间列伯努利方程可得：

当支路2上的阀门开大时，局部阻力∑leN2减小，由式（1）可知μON、μN2增大;由式（2）可知分支管路节点N处压力pN下降，根据式（3）可知pN下降将导致μN1减小，所以出现开大支路2阀门时，支路1流量下降的现象。根据上述分析，支路1流量的变化根源是分支点压力pN的变化，因此，要避免该现象的出现，要尽可能减小pN的变化。但支路2阀门开大后，μON的变化不可避免，根据式（2）可知在μON变化的情况下，若pN的变化足够小，则不会引起支路l流速N1μ的变化，通过式（2）和式（3）分析，当较小，而较大时，支路2阀门开度的变化对pN的影响很小，从而对支路l的流量也未能产生明显的影响。很明显这种管路的主管路阻力较小，而支管阻力较大。居民楼供水管路应具备该特点，方能避免各支路之间的相互影响。由此，学生能确立正确的管路工程设计原则与方法。

（二）机械分离教学案例

凤头式教学导人生活案例：豆腐的手工制作包括“大豆挑选、浸泡、磨浆、滤渣、煮浆、点卤（石膏悬浮液）、压榨成型”等过程。如图4所示，其中滤渣过程中将一块滤布用两十字交叉的木条或竹条支撑形成容器，研磨后的粗豆浆置于其中，通过不断的摇晃和滤布孔隙的作用使粗豆浆中的豆渣截留于滤布上，粗豆浆中液体部分则通过滤布，使制作的豆腐口感更加细腻;过滤后的豆浆经过点卤后产生絮凝沉淀，豆浆逐渐稀稠起来，形成糊状或块状的豆腐花;将此豆腐花装在一定的模具中进行压榨，脱除多余的水分，成型为块状豆腐。通过豆腐的制作过程，提出其中的过滤、压榨单元操作，并设置“豆浆过滤过程中如何提高过滤速度？”“如何制作老豆腐和嫩豆腐？”等问题，促进学生主动思考。

类比式[6]理論教学：过滤单元操作是利用过滤介质在一定的推动力如压力作用下，使悬浮液中的固体颗粒截留于过滤介质表面，而液体由过滤介质的孔道穿过得到不含固体颗粒的澄清滤液，从而实现悬浮液中固液的分离。在过滤过程中，固体颗粒在过滤介质表面不断累积形成滤饼，使得过滤阻力增大，过滤速率随过滤时间逐渐下降。因此，滤饼是过滤过程主要的过滤阻力，要提高过滤速率，根本方法是要减小滤饼的厚度或减缓滤饼的形成。而滤饼是由固体颗粒堆积而成，具有丰富的孔道结构，具有可压缩性，当过滤推动力增大时，固体颗粒在曳力作用下，颗粒堆积更加紧密以及颗粒变形导致滤饼孔道缩小，孔隙率降低，过滤阻力增大，过滤得到的滤饼含水量降低。上述过滤单元操作与豆腐制作过程中的滤渣、成型等过程极其相似，十分有利于两者进行对比教学，将豆腐的制作过程与过滤单元操作从概念、原理、强化等各方面进行类比，能更形象地向学生展示过滤单元操作过程。大豆经过浸泡磨浆后得到含有细小固体颗粒的粗豆浆，其性状与悬浮液类似，将此悬浮液置于上述滤布和十字竹条所形成的容器中，在豆浆自身重力推动作用下，液体通过滤布获得不含固体颗粒的豆浆，而截留于滤布表面的豆渣形成滤饼或滤渣。在豆渣过滤过程中，还需不断顺时针和逆时针交替旋转兜着豆浆的滤布，其目的在于过滤过程中豆渣会在滤布表面形成滤饼而增加过滤阻力。通过这种旋转让豆浆悬浮液能够流动起来，减缓滤布表面滤饼的形成，降低滤饼厚度，从而提高过滤速率，这也就是动态过滤的雏形。

豹尾式教学分析工程案例：通过以上对过滤单元操作过程的理论学习，可知滤饼是过滤过程的主要阻力，改善滤饼结构或降低滤饼层厚度是提高过滤速率的主要方法。由此引入工程案例——青霉素发酵液预处理。青霉素是青霉菌培养液中提制的一种能破坏细菌细胞壁并在细菌细胞繁殖期起杀菌作用的一类抗生素，工业上多采用溶媒萃取法从发酵液中提取。然而发酵液中存在大量的菌丝、菌体代谢物、剩余培养基等，故在离子交换前必须过滤去除发酵液中的固体杂质。这些物质在过滤过程中形成的滤饼孔隙率小、可压缩性强，导致过滤阻力大、过滤速率下降明显，过滤操作困难。根据上述对比学习，引导学生将生活案例和理论学习中掌握的知识应用于解决工程实际问题。在豆浆中添加卤水使豆浆絮凝成豆腐花促进压榨成型，与之类似，在青霉素发酵液中亦可添加有机或无机絮凝剂使菌丝、菌体代谢物等物质絮凝沉淀，促进这些固体杂质形成大颗粒提高由其堆积而成的滤饼的孔隙率，从而提高过滤速率。另外，与豆浆过滤过程类似，不断摇晃滤布减缓滤饼表面豆渣的堆积，降低过滤滤饼阻力。对青霉素发酵液过滤也可采取同样的方法提高过滤速率，但是在工业应用中，不可能使滤布进行周期性运动，那么如何降低滤布表面滤饼的形成速度呢？能否采用机械方法将滤布表面形成的滤饼刮除呢？由此可激发学生联想到利用搅拌桨叶在靠近滤布表面处进行搅拌，即可阻止滤饼的形成，达到提高过滤速率的目的，从而掌握动态过滤这一过滤强化技术。

（三）传热教学案例

凤头式教学导人生活案例：柴火灶是利用晒干后的木柴或者植物秸秆作为燃料，加热铸铁锅煮饭烧菜。由于灶内空间有限，木柴或秸秆等物质燃烧不完全而产生积碳，长期使用会在铁锅底部黏附一层厚厚的锅灰。它的存在会导致煮饭烧菜时食物煮熟的时间变长，影响食物的口感，同时也使煮饭烧菜比较废柴，即烧煮同样的食物需要更多的木柴。因此，铁锅经过一段时间使用后，都要将其取出倒扣于地上，使用工具将锅底厚厚的锅灰清除干净。

启发式[7]理论教学：根据上述对柴火灶和铁锅的使用和维护过程可见，铁锅在使用过程中，一侧是需要烧煮食物的加热过程，另一侧则是木柴或秸秆等可燃物的燃烧过程，它们通过铁锅壁面进行传热，锅壁面为金属材质，导热系数大、导热阻力很小，其传热阻力则主要集中于锅底灰。所以，长时间使用的铁锅在锅底形成厚厚的锅灰，降低了传热效率。此时清除锅底灰是提高铁锅加热食物速率最主要的方法。由此，应用启发式教学方法，在传热单元操作知识的讲授过程中，启发学生掌握间壁两侧流体的传热过程的传热阻力构成及其主要传热阻力、强化传热的主要措施、传热面除垢方法等知识点。

豹尾式教学分析工程案例：PTA生产过程中排放大量的精制废水，其中含有TA酸等有机物，回收这些有机物不仅可实现废水的资源化利用，而且降低了废水生化处理的负荷。因此，在工业上应用PTA的生产原料PX对精制废水进行萃取可以回收其中的有机物，由于精制废水的温度较高，故在萃取之前需要冷却器对废水进行降温。然而，经过一段时间的使用，换热器的压力降逐渐增大，在同样的冷却介质流量和温度下，冷却器出口精制废水的温度居高不下，无法达到工艺要求。那么这是什么原因呢？在了解上述生活案例和掌握传热相关理论知识的基础上，很容易使学生获得启发，该冷却器在长期的使用过程中，废水中的TA等有机物由于溶解度低而在传热面上析出结晶形成污垢，一方面造成传热管流动截面缩小，流动阻力增大;另一方面，这些结晶在传热面上形成污垢，增加了传热阻力，使精制废水无法冷却至工艺要求。确定了关键问题所在，也就可以对症下药，根据理论课上所学的溶剂、酸、碱化学清洗，高压水力清洗，钢丝刷机械清洗等除垢方法，结合PTA废水冷却器污垢形成的原因，采用碱液对冷却器进行化学清洗，PTA生产企业也大都采用了该清洗方法。

三、结束语

与工程实际联系紧密，工程问题涉及数学、物理、化学等多学科知识，涉及面广而复杂，在教学中应用引探、类比、启发、示错等教学方法将生活案例、理论教学、工程案例有机结合形成三位一体的教学模式，不仅可活跃课堂气氛，激发学习兴趣，更重要的是通过“生活案例一理论教学一工程案例”教学模式的实施，可使学生将生活、理论、工程联系起来，从生活实例中启发思维，从中提取理论本质，并将理论知识直接应用于解决工程实际问题，明显提高学生应用理论知识解决实际工程问题的能力。

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[7]张燕青，杨世芳，鲁德平，何培新.启发讨论和互动式教学法在化工原理教学中的探讨[J].化工高等教育，2011（4）：93-96.

[责任编辑：张雷]