化工原理融合创新理论教学实践的应用探索*

卢 俊，卢庆华

(内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010)

2019年7月10日，教育部印发《国家级大学生创新创业训练计划管理办法》，积极引导各地各高校深化创新创业教育改革，加强大学生创新创业实践能力培养，全面提高人才培养质量。2018年12月8日，教育部高教司司长吴岩指出，创新是高等教育与生俱来的DNA，也是全球高等教育发展的时代命题，正在引发、重塑、颠覆、重构、改变我国高等教育。《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》指出，深入推进国家级大学生创新训练计划工作，深化高校创新创业教育改革，提高大学生创新创业实践能力，培养造就创新创业生力军。《化工原理》是化工类专业的一门专业必修课程，也是工科相关专业(食品科学工程、生物工程、环境工程等)的必修课程，比如环境工程、生物工程、食品科学工程等，甚至在很多高校的化学类专业中也是必修课程之一。所以是一门非常重要的主干课程。课程主要研究化学工业中从原料加工成半成品及成品的物理加工单元过程[1-2]。通过对化工原理课程的学习使学生掌握基本化学产品生产单元操作的理论知识，培养学生应用理论知识解决化学工程实践生产的能力，即发现问题、分析问题、解决工程实践问题的能力，并积累一些能够运用在实际生产过程中的一些操作技能，以清楚及正确地表达实验结果，培养进行技术交流、团队沟通协作的能力；培养科学的思维方法、科学态度和科学作风，掌握新的实验技术和方法，增强创新意识。Triz理论意为发明问题解决理论，该理论是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒在研究世界各地250万份大量的专利基础上，总结及发展出的基于知识的、面向人的解决发明问题的系统化方法学[3-4]。Triz理论对培养大学生的创新意识，养成良好的创新思维有着重要的意义，为大学生“双创”实践能力的提高提供了一种重要的方法和工具。

1 课程融合创新理论的意义

在化工原理课程标准的要求中，需要学生掌握流体流动、流体输送机械、传热、蒸发、吸收、蒸馏、干燥等生产实践基本内容，即“三传一反”内容[5]。笔者长期任教化学化工类专业课程，依据历届学生对该课程的实际掌握情况，得出初学者对于化工原理课程的理解掌握有一定的难度，其中包括公式繁多、计算复杂、内容抽象等原因。针对以上情况，笔者在开展本门课程的教学中，逐渐将Triz理论渗透到课程内容讲授的教学过程中，不断探索化工原理融合创新理论在教学实践中的应用，尤其对于难点的突破与重点的突出有着一定的意义。

2 化工原理融合创新理论的教学实践

2.1 发明原理融合课程的教学实践

Triz理论的作者是基于对大量发明专利的分析与总结，梳理出对同类工程问题的解决方案所使用的大多数发明原理都是相似的。创始人把这些专利中所使用的相似方案分别进行归纳和总结，获得了40个基本的解决方法，也就是创新理论中的40个发明原理，这些发明原理涉及了物理及化学等多个工程领域[4]。化工原理是一门典型的工科学科课程，有着很强的工程实用性[5-6]。在化工原理课程的学习中，倘若将发明原理引入，可以极大地帮助学生们更好的掌握与理解本门课程，更重要的是还可以开拓大学生的创新思维，强化大学生双创实践能力的培养，促进大学生全面发展。比如在学习流体输送机械内容时，介绍在实际生产中，利用离心泵的串并联可以解决单台泵不能满足流体输送任务要求的问题，就可以引用发明原理中的组合原理来进行解释说明。Triz理论中组合原理是把相关的功能、特性、部分、操作等集成在一起，实现功能多样、节约资源、降低成本的目的，从而提升系统的整体性能[4]，组合原理是发明原理中被广泛使用的一种。通过引导学生，在把组合原理与离心泵相结合学习的基础上，进一步迁移到往复泵的学习中，利用这一原理也能够很好的解释了在化学工业中广泛使用的三柱塞泵的缘由，那就是通过组合三台往复泵解决了单台泵流量的不均匀性及排液间断的问题。再则，在传热章节的学习过程中，就间壁式换热器的理解而言，也可以引入发明原理。间壁式换热器实际弥补了直接式和蓄热式传热两种冷热流体直接接触的缺陷，是利用了嵌套这一发明原理，比如说列管、套管及夹套换热器。此外，精馏塔的操作中设置预热器与再沸器是利用了预先作用原理，这一操作是为了提高精馏系统的工作效率，节省能源消耗，是顺利完成精馏操作必需的条件。

2.2 矛盾分析法在课程中的实践运用

图1 干燥热敏感物质的物场模型

Triz理论提出了技术系统存在的两大矛盾，即技术矛盾与物理矛盾。技术矛盾与物理矛盾是Triz理论的经典内容之一，也是实际工程问题解决的主要方法之一[4]。技术矛盾是指为了改善技术系统中的某一具体参数，导致该技术系统的其它参数发生恶化。物理矛盾是技术系统中一个参数无法满足系统内相互排斥的需求。解决技术与物理矛盾，需要使用39个工程技术参数，结合40个发明原理来求得解决方案。在管内流体流动中，流量通常是由生产任务给定的，关键在管道设计选取的过程中需要计算管道内径以及流速，若流速选得太大，管径虽然可以减小，但流体流过管道的阻力增大，消耗的动力就大，操作费随之增加；若流速选得太小，操作费可以相应减少，但管径增大，管路的基建费随之增加。因此经过结合创新理论分析，可以把流速当成典型的物理矛盾来处理。从总费用的角度来考虑既要大的流速，又要选择小的流速。按照基于条件的分离，尝试选择发明原理36相变来进行改进，比如将天然气液化可以压缩体积便于减少输送费用等。因此，不管是技术矛盾还是物理矛盾，在该课程的学习中灵活运用，举一反三，达到融会贯通。

图2 化工原理与创新理论融合教学方案

2.3 资源分析、裁剪及物场模型与课程的实践融合

资源分析、裁剪及物场模型也是Triz理论解决工程问题的精华部分。特别是物场模型的运用，在学习化工原理课程中传质部分的时候，针对于吸收与蒸馏，热场属于有用功能。但是对于干燥与蒸发，尤其针对加热食品当中热敏感物料时，热场就体现出了一定的有害作用，此时应该消除有害的物质或场，见图1。使用物场模型进行分析，得出热场是有害的场。通过标准解进行分析研判，对于干燥来说，增加热场(降温)不利于热敏感物质的干燥，即冷冻干燥就成为干燥单元操作中一种重要的补充。裁剪同样可以用来解释冷冻干燥在干燥过程中的重要性，对于热敏感的物质，加热空气是一种有害的功能，如果将之裁剪掉，必须把加热空气原有有用的功能转移到新的组件或者原有的组件中，干燥的目的主要是脱水，所以通过水发生相变成冰再分离去除也可以达到除去水份的目的，于是产生新的组件功能就是降温相变，即冷冻干燥。其实化工原理很多内容可以和Triz理论结合起来，使得内容容易理解并能提高学生的创新意识和强化学生创新能力的培养。化工原理与Triz结合的方案详见图2。

3 结 论

化工原理课程与Triz创新方法相互融合的教学模式，有助于加强对学生创新能力的培养，可以切实提升学生的创新素质综合能力。并且通过选拔和指导学生参加国家及省部级等各类创新方法大赛，强化对大学生的创新创业实践能力的培养。同时，夯实学生的科技创新思维能力，为培养出应用型、创新型人才奠定基础，也为大学生科技创新和就业等方面提供支撑。另外，可以为化学化工类专业课程与创新教育的有效融合提供借鉴。