《化工原理》课程启发性教学方法改革*——以蒸馏为例

毛恒洋，章智洁，严玉波，陈献富，李梅生，周守勇**

(1.淮阴师范学院 化学化工学院，江苏 淮安 223300; 2.南京工业大学 化工学院，江苏 南京 211816)

化工原理是化工类专业的重要基础性课程，该课程以各单元操作为主要内容，通过综合运用数学、化学和物理等基础理论知识来阐述单元操作的基本原理，进而计算及设计各单元操作对应设备的结构尺寸及工艺参数，并指导整个化工过程的设备选型和操作优化。化工原理课程的特点在于涉及到的理论多，有较多的新概念，单元操作关联的生产设备种类多，系统性强，具有很强的实用性和工程性[1-2]。并且计算过程中应用大量的经验及半经验公式，计算步骤复杂且计算量较大，导致学生在学习该门课程中缺乏对化工过程和设备的感性认识，难以有效掌握并厘清其中各物理量的含义及关联性，从而产生抵触情绪，学习兴趣不高。因此，如何带动学生学习化工原理的积极性，改变学生由被动接受转向为主动学习，是提高化工原理教学效果的关键[3]。近年来，我校鼓励教师教学改革，包括以微课竞赛的形式促进教师教学质量及教学课件的提升。本文基于化工原理课程教学中存在的挑战进行分析，结合作者对化工原理蒸馏课程微课的思考与实践，将更易引起学生们兴趣的生活案例及典故引入到课堂中，以拓宽课堂教学的广度，丰富教学内容的趣味性，期望激发学生们主动学习的热情。

1 化工原理课程教学存在的挑战

化工原理课程是在众多基础理论课程之后开设的化工专业课，学生在学习该门课程中需要灵活运用先前所学的理论知识，包括高等数学、物理化学、大学物理等相关内容。课程每个章节介绍不同典型单元操作，各单元操作之间均可以通过三传一反的原理进行剖析。然而，由于化工原理工程性强，所包含的公式多且复杂，在教学过程中不乏半经验半理论公式，其推导过程不仅对学生的基本理论知识有较高的要求，同时部分知识点是由工程实践经验总结得到的，也对学生的接受能力提出较大要求。并且在大多数公式的介绍过程中会涉及到一些模型，容易使学生感觉抽象枯燥。其次，这门课程一般设置在大二开始，该阶段的学生往往习惯纯理论知识的学习，欠缺工程实践经验，学生们没有进入过化工厂生产线，没有见过种类繁多的塔、釜、罐、化工管路等设备，通过教师单方面的讲解，难以形成深刻印象，久而久之学生的兴趣会明显下降，最终导致课堂学习效率低下。除了课程内容难度大，学生知识储备欠缺外，教师的教学方法对学生的学习效率也起着重要影响。现在大多数教学使用多媒体，在化工原理课程讲解过程中，当涉及到经验公式相关的数学建模及公式推导时，由于相关内容难点多，知识点密集，教师单方面的介绍公式难以引起学生们的共鸣，极易导致课堂沉闷，对课堂教学效果提出了极大地挑战[4]。

2 启发性教学对提高课堂质量的重要意义

课堂教学的受众是学生，要提高课堂质量必须要学生的主动参与。要带动学生的积极性，就需要教师多打磨课件，从学生的兴趣点着手针对课堂内容进行统筹设计。激发学生对学习化工原理课程知识的兴趣，是提高教学效果的有效方法。高校教师在授课过程中更应偏向对学生思维的引导和启迪，广泛借鉴先进的教学方法和手段，挖掘学生内心深处对探求真理的渴望，促使他们自发的预习、学习和巩固，并能以化工原理课程学习的成功经验推广到其它化工专业课的学习，最终达到高校教书育人的目的。

在高校教学中激发学生学习兴趣以提高课堂教学质量已经成为了众多教师的共识，而如何能够真正达到这一效果仍有待积极探索与实践[5-7]。作者曾对化工专业的学生进行过调查，学生们认为学习化工原理兴趣不高的主要原因除了课程本身具有难度以外，还包括课程的背景导入与学生现实生活及对未来的发展规划相去较远，常规教学形式在学生心中留下的印象比较模糊，在应付完考试后极易被遗忘等。因此，在化工原理课件设计时需要提高教学的趣味性，以学生感兴趣、有共鸣的切入点着手开启课程内容讲解。许多高校教师对化工原理课程启发性教学方法进行了有益的探索，提出将生活案例或文艺作品与教学设计相结合[8-9]。通过这一方法，既可以使得学生认为课程内容与生活息息相关，又可以加深学生对相关知识点的理解与印象，有效地调动了学生的积极性，培养了学生的发散性思维和实践能力。

3 启发性教学在蒸馏课程微课教学中的应用实践

作者对化工原理启发性教学开展了探索与尝试。以微课的形式，在天津大学版化工原理第九章蒸馏课程教学中尝试融入相关的生活案例及文学作品，取得了一定的效果。课程教学内容具体如下：

3.1 设备结构对比

蒸馏是最早实现工业化的典型单元操作，通过加热液体混合物形成气液两相，利用挥发度的差异实现混合物的分离。将混合物经过多级蒸馏，可以实现精馏操作。而在给学生们讲解精馏塔时，由于对塔内部组成缺乏直观认识，在涉及到过程分析和计算时学生往往难以理解塔内各参数间的关联性。在日常生活中，有个设备的结构和精馏塔较为相似，并且使用过程中也需要采用底部加热的形式来运行，这就是蒸笼。所以，作者将微课命名为“从厨房塔设备到化工精馏塔”，将蒸笼形容为厨房塔设备，再与精馏塔相关联，以此来引起学生们的好奇心，并使他们意识到，这一章的内容与日常生活可能也是有关联的，从而激发学习兴趣。

在教学背景导入时，教师首先介绍蒸笼的由来、功能及结构特点，这些是学生们比较熟悉的。蒸笼是由一层层的笼屉组成的，加热底部的水分产生水蒸气，可以烹饪食物。通过这个介绍，学生们基本会联想到，蒸笼的内部结构是一层一层的竹板，水蒸气从底部向上移动穿透竹板进行传质和传热。此时，再讲到在化工生产中，也会采用一种和蒸笼结构颇为类似的塔设备，就是精馏塔，从而过渡到教学内容。结合精馏塔的外观结构，学生们对其内部构造已经有了初步的印象。进而，这一课程的内容就可以通过对照分析的方法，从学生们已经较为熟悉的蒸笼入手，展开对精馏塔的介绍。

3.2 过程传质对比

化工原理蒸馏中涉及液相混合物的分离，微课从传质和传热两个角度对蒸笼和精馏塔进行对比介绍。首先给学生们介绍蒸笼，蒸笼是传热设备，对食品的烹饪是通过水蒸气的传热来完成的，所以从传质角度而言可以认为在蒸笼中不同位置的气体组成均为水蒸气。接下来，可以通过和蒸笼对照来分析精馏塔，精馏塔是一种分离设备，它在二十世纪二十年代开始应用于炼油工业，它的发展对化学工程起到了重大的推动作用。其中，蒸馏技术是最典型、最重要的物质分离过程，占化工厂建设投资的70%左右比重，让同学们意识到这一章内容的重要性。紧接着告诉学生们，在精馏塔中，不同部位可以采出不同种类的物质，塔中组成是随着位置而改变的。然后设置疑问，精馏塔中的组成有什么变化规律呢？让学生们进行思考和讨论，发挥主观能动性。

教师不直接告诉学生答案，而是先例举两个例子。蒸馏是初中物理涉及到的知识，通过加热液体混合物形成挥发度不同的两相实现分离。学生们熟悉的地表水循环和蒸馏水的制备就是蒸馏技术的典型案例。在这两个过程中，海水或盐水中的水分受热挥发，然后冷凝得到纯水，而盐分无法挥发留在原液相中，实现了盐和水的分离。因此，很合理的提出在蒸馏过程中需要引入一个参数来描述物质挥发的难易程度，就是物质的相平衡常数(K)。由于盐水中盐分无法挥发，所以可以换一个组分均可挥发的双组份液相体系进行分析。以半瓶白酒为例，酒瓶中包括气液两相，如果是一瓶体积分数为50%的白酒，则其液相中乙醇的质量含量约为44.4%，水质量含量为55.6%，两者比值约为0.8。打开瓶盖后，可以闻到酒味，说明气相中也存在乙醇。此时可以设问，与液相相比，气相中乙醇和水的含量如何变化？乙醇比水易挥发属于生活常识，所以气相中乙醇含量相对增加，乙醇与水的比值大于0.8，学生们可以容易的接受这一观点。此时用相平衡常数则可以表述为，K乙醇大于K水，因此乙醇在气相中富集。如此，学生们对简单蒸发过程中难易挥发组分的分布便有了较为直观的印象。

精馏是多级蒸馏过程，学生理解了相平衡常数及其意义后可以在蒸馏的基础上进一步讲解精馏过程。向精馏塔中加入待分离的AB混合物，液体受热部分汽化向上移动，剩余液体向下移动。气体在塔顶冷凝液化回流至塔内，液体在塔底受热部分汽化回塔内形成循环。对精馏塔中一块板进行分析，学生们会发现这块板的状态和半瓶白酒是一样的。包括气液两相，易挥发组分A在气相中富集。然而，一次分离效果有限，需要使分离更彻底，还需要进入下一块板对A继续提纯，最终在塔顶得到高纯A组分。同理，在塔底得到高纯B组分。所以在精馏塔中，塔顶易挥发组分浓度高，塔底难挥发组分浓度高。

图1(a)水的相图，(b)某企业精馏塔工段各塔板温度分布

3.3 过程传热对比

在学生们理解了精馏塔中各组分的传质机理后，继续分析塔内的传热现象。同样与蒸笼作对比，启发学生思考蒸笼和精馏塔中各层塔板上的传热效果区别。从生活中容易遇到的知识误区入手，提问在蒸笼蒸东西的时候，是上层的包子先熟还是下层包子先熟呢？此时，可以剪辑播放西游记中的一则短视频，唐僧师徒被妖怪抓住后放在蒸笼中，妖怪把唐僧放在蒸笼的最下层，孙悟空嘲笑妖怪不懂做饭，认为蒸东西上层先熟，引起学生兴趣，思考蒸笼中的传热行为。

关于蒸笼蒸包子哪一层先熟的问题，可以先把结果告诉学生，蒸包子应该是下层的包子先熟。配合水的相图进行解释，从图1a可以看出水蒸气的温度与其压强相关，压强越高水蒸气的温度也越高。而蒸笼的密封性不强，可以认为蒸笼与大气是连通的，因此蒸笼中各层水蒸气对应的压强均为一个标准大气压，所以其稳定温度都是 100 ℃。而对于下层蒸笼来说，其距离热源近，会率先达到 100 ℃，因此底层的包子比上层先熟。通过这一分析，学生们理解了当气压相等时，气体温度是与蒸汽组成相关的。然后再引入到精馏塔当中，在前面精馏塔内传质的介绍中已经给学生证明了精馏塔内下层重组分浓度高，上层轻组分浓度高。在此基础上，精馏塔内的传热可以结合气体混合物的组成与温度的关系图进行分析。从气体组成与温度的关系式可以发现，混合物中重组分含量越高，其对应的蒸汽温度越高，而在精馏塔内则对应位于下层的塔板(图1b)温度更高。与教师的单方面讲解相比，学生的主动参与可以让他们对精馏塔内的传热行为理解更加透彻。

3.4 课后巩固提升

微课可以作为学生课前的预习视频，让学生们在课堂教学前对蒸馏的知识有个初步了解，并激发学习兴趣。而在微课的最后，可以给出两个课后拓展题，让学生们通过查找资料，以理论和实践相结合的方式解决问题。拓展题一为：包子店如何让蒸笼中每层包子受热均匀？拓展题二：蒸馏技术如何高效分离相平衡常数相近的物质？教师在下一节课堂内容开始前与学生交流讨论，考察学生对微课内容掌握的情况，起到巩固的效果。

4 结语

化工原理的知识涉及到生活的方方面面，应用到课程知识点的例子数不胜数。授课教师将生动的案例与教学内容相结合，可以让化工原理课堂更加贴近生活，激发学生对课程的兴趣，引导学生主动思考和学习原本枯燥难懂的公式和概念，能够有效强化学生对相关教学内容的印象，从而在复习和回顾课程知识点的时候达到快速巩固的效果。在化工原理教学中理性的引入学生感兴趣的案例可以给理论学习注入活力，充分调动学生积极性，为化工专业相关理论课程的改革提供了有益的参考。