“化工原理”课程教学的认知与实践

刘建周 孟献梁 李 晓 江晓凤

(中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)

随着煤化工和石油化工大规模化发展及多种化学品生产工艺的出现，20世纪前半叶，化学工程学科应运而生，经过几十年的发展逐渐走向成熟，并深刻影响着社会、经济，乃至人们的生活。

化学工程作为工科专业呈现多学科交叉的特点，既以数、理、化自然学科为基础，又与生产实践的具体应用紧密联系。工业及信息技术的快速发展，一方面为化学工程学科的发展注入了强大的动力和支持，另一方面也提出了更高的要求。对化工专业的教育和学生培养的内涵与模式提出了新的课题，需要探索、认识和改革。改变传统人才培养模式，培养多学科交叉的多样性复合人才成为共识[1]。改变教学设置和教学方法，融合信息化技术[2]。微课、翻转课堂、微视频等教学形式走进课堂，受到广泛关注[3,4]。加强实践实训环节，提高学生探索式学习的积极性。课程教改研究成果及应用促进了化工专业教学质量的提高。

“化工原理”课程是化工专业普遍开设的一门重要的专业基础课程，如何提高教学效果成为课程教改的重要内容。作者结合“化工原理”课程的教学经验及教学团队的研究成果，从教学内容的认知、教学方法的实践、教学效果的评价及教学目标的达成等方面进行了深入细致的研究。

1 “化工原理”课程的教学目标

“化工原理”课程在化学基础课和化工专业课之间起着承前启后、由理及工的桥梁作用。该课程主要讲述化工单元操作的基本原理，典型设备的构造、性能及工艺尺寸的设计计算方法(或设备选型)等。培养学生针对化工工艺的设计目标，具有分析和设计化工单元操作的能力，让学生在分析和解决有关化工单元操作问题时建立起工程观念、创新思维和敬业精神，拥有能够综合运用基本理论开展化工生产和设计工作，创新解决复杂问题的能力。

2 “化工原理”课程教学的认知

化学、化学工艺和化学工程学科关联紧密，“化工原理”透过繁杂的化学工艺过程将具有共性的操作提炼出来形成单元操作。依据物理定律、定理和化学知识推导出单元操作过程所遵循的基本原理，概括为动量传递、热量传递和质量传递理论，即“三传”理论。运用单元操作的基本原理解决新的化学工艺的设计与计算问题。

单元操作可以归为“过程”及“设备”两方面的内容。对“过程”这一观点的把握有助于理解单元操作基本原理的推导、形成及应用，为教与学提供一种思维方法。“过程”可分为3个层面，一个随时间或空间位置变化的“过程”可切分为若干个“状态”，每个“状态”由若干个“参数”表征，即“过程-状态-参数”。如稳态与非稳态过程的表达，“过程”中“状态”的参数随“位置”和时间变化的为非稳态过程，参数随“位置”变化而不随时间变化的为稳态过程。

传递“过程”亦可从两个方面理解，一方面是方向与限度，另一方面是“过程”进行的速度。如热量传递从高温到低温，质量传递从高浓度到低浓度。传递过程的速率表示为：速率=推动力/阻力，或速率=系数×推动力。一个“过程”有起点和终点，传递过程的终点为平衡状态，此时“过程”的推动力为零，传递速率也为零。实际的单元操作过程难以达到平衡状态，但平衡状态可作为推动力计算的参照。

建立在“三传”理论基础上，单元操作原理既有统一性又有差别性。单元操作原理的形成有一定的方法可循。单元操作过程遵循质量守恒定理和能量守恒定理，物料衡算和热量衡算是基本的计算方法。单元操作“过程”的速率关系和平衡关系是设备设计及过程参数计算的基础。其中以速率的计算为解决单元操作问题的切入点，如沉降、过滤、吸收和干燥速率等。

由于单元操作过程的影响因素复杂，数学模型法和因次分析法是常用的方法，在特定的条件下得出相应的计算式。由此造成普遍的看法是“化工原理”课程公式多，抽象难理解，学习难度大。从应用的角度看，在繁多的计算式中作出正确选择和计算相关参数时，需要对单元操作基本原理有清晰的认识。“学会”单元操作的基本原理，有利于厘清计算式的应用对象、前提和条件。“学会”基本原理形成的过程，以及单元操作复杂问题的研究方法，结合单元操作的特点形成系统化的理论知识，可使被动地“学会”记忆转变为正确灵活地解决复杂化工问题的能力。

3 “化工原理”课程教学方法的探索与实践

课堂教学仍是目前常用的教学形式，如何讲解课程内容，促成更高的学习效率，加强课程群之间的相互联系，是课程教学过程中需要探索和实践的问题。“化工原理”课程内容已具有了成熟的理论与应用体系，课程体系中设置的“化工原理”课程设计、化工原理实验或化工基础实验，以及毕业设计环节所组成的课程群加强了理论与实践的结合。课程内容的教学顺序遵循由点到线，由线到面，达成点-线-面的融会贯通，力求使学习的知识体系化。知识点往往是课程内容讲解的切入点，包括基本概念、基本原理、模型建立与应用，及求解过程参数的基本方法。预习-课堂讲解-作业是学生学习的常见过程。教材作为主要参考书，在教材内容的引导下，将知识点融入过程原理中提出预习内容。课后作业包括习题、单元操作设计、专门问题研讨，并提交作业、报告和设计说明书。课堂讲解时将课后练习、课程设计和毕业设计中出现的问题穿插在课程内容中，避免学生出现重复性错误和认知误区。清晰认识概念，正确掌握基本原理，正确应用解决问题的方法，奠定认识单元操作现象和解决工艺设计计算复杂问题的基础。

工程观念的培养与形成是课程教学的关注点，符合工程教育目标。如误差的概念，应用理论模型模拟实际过程时，计算结果不可避免地存在误差，但工程的模拟计算应符合误差要求。如计算精馏塔板数的一般方法是在理论塔板数的基础上结合塔板效率得出，初算所用的多是常压条件下的基础数据，如平衡数据和物性参数等。对于塔板数较多的情况，尤其是塔釜内的温度和压强较高时，计算数值与实际运行的结果会产生较大误差，需要加以核算以符合误差要求。又如管径的计算，须结合国标及市售的管径规格对所计算的管径进行调整，并核算管内流速。再如管路系统设计时，要求设计者针对设计目标进行方案比较，在工艺计算的基础上结合经济、节能环保等因素优化方案。如换热器设计中结合我国地域特点，合理选择换热介质出口温度，合理利用水资源。类似的诸多设计计算中，在综合应用单元操作完成具体的工艺设计时，工艺的优化、设备的选择、经济环保的要求等都是工程概念的内容。

“化工原理实验”“化工原理课程设计”乃至毕业设计教学环节与“化工原理”课程的内容紧密关联，也是课程教学反馈问题的渠道。通过反馈的问题，进一步研究课程教学改进的措施。如测定传热系数的实验，为什么选择采用蒸汽加热空气的传热体系？实验装置如何建立？实验包含了哪些单元操作和设备？如何正确操作设备？因次分析法的应用及实验原理的拟定、实验数据的取得与处理方法、对实验中出现的温度波动问题的分析和解决，都涉及传热单元操作基本原理与实验研究方法的应用，是综合运用基本理论知识解决实际问题的训练。课程群的相互支持对提高“化工原理”课程教学效果起到了不可或缺的作用。

学生分组研论是一种有效的学习形式，在讨论中发现学习中的误区，巩固基础知识，理论联系实际，可提高学生的学习兴趣。如精馏塔操作中塔顶采用全凝器回流，有学生提出了问题，“塔顶回流液与第一块板上升蒸汽之间传递的推动力是什么？”，寻找答案就需要理解传热和传质过程的推动力，即对精馏基本原理、温度组成图或t-x-y图的理解和应用。通过布置单元操作设计型作业(如结合管道输送系统的设计、固液分离系统的设计)，将课程理论教学应用于实际，从中进一步扎实理论基础，明确理论应用于实际的方法和途径。再结合市场及技术的发展，应用计算工具和计算软件辅助解决设计计算问题，消除学生平时学习时的茫然感觉，增加解决实际问题的兴趣和成就感。

对课程内容系统化的总结是一个“点-线-面”融合的有效形式。每个单元操作的内容都有核心点，以此展开可将基本的知识点联系起来。如“流体流动”一章可以伯努利方程为核心，将连续性方法、静力学方程、流动类型及流动阻力计算、流量测量等内容关联起来。

4 “化工原理”课程教学效果的检验与反馈

课程考核不仅考核学生掌握和应用知识的情况，也用来检验教学的效果。采用平时成绩和考试成绩相结合的方式，考核学生掌握和应用单元操作基本原理分析化工生产过程中常见问题并提出解决方案的能力。总结考核的情况与成绩分布，反馈改进教学内容和方法，围绕教学目标的达成和教学质量的提高采取改进措施。课程达成的目标要求是：(1)能够获得判别和解决化工问题的优化途径及方案，利用化工工艺及单元操作过程中的相应条件对模型进行求解；(2)能够从一个复杂化工生产系统中识别和表达出所包含的主要单元操作过程，并能够通过分析从中判别出关键的单元操作环节并获取相应的工艺参数；(3)能够根据设计目标对相应的单元操作和设备进行工艺计算、设备计算和选型，为解决化工生产过程中复杂工程问题提供基础。

5 结束语

“化工原理”课程对化工新型工科人才的培养具有重要支撑作用，对奠定学生的专业知识和实践能力有着重要的影响。在新的教学手段的支持下，教师应该探索课程教学内容，创新教学模式，改革考核方法，反馈并改进教学过程，更好地适应快速发展的新形势对人才培养的需求，使学生在知识与技能、创新思维和工程应用等方面具有良好的素质。教师在教学过程中融入社会责任感和工匠精神，培养爱国爱岗、高素质的化工建设与发展的人才[5]。

教学过程中教师需注重加强科学思维的培养，以辩证和哲学的观点指导学生学习课程内容。如“透过现象看本质”，帮助学生理解课程内容间的本质联系，了解化工“过程”基本规律的研究及描述方法。对于复杂化工过程的分析，区分主次影响因素，抓住解决问题的主要矛盾。引导学生理论联系实际， 树立“实践-理论-实践”，或“工艺-原理-工艺”的观点，认识到单元操作基本原理和理论来源于实际工艺中的共性问题，形成的理论又应用于新的工艺实践，并在实践中得到应用和修正。