“分離工程”課程教學改革的探索與實踐

胡大喬,宋林勇

（安徽大學 化學化工學院；綠色高分子材料安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230039）

“分離工程”課程教學改革的探索與實踐

胡大喬,宋林勇

（安徽大學 化學化工學院；綠色高分子材料安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230039）

針對“分離工程”課程教學中存在的知識點多、實踐環(huán)節(jié)少等問題，采取多種教學方法和教學手段，時刻從工程的角度分析解決問題，嘗試將Aspen p l us語言應用于課程教學中，并創(chuàng)新性提出了一種"專業(yè)實驗-生產實習-科學研究-課程設計"相結合的實踐教學模式，在加強理論基礎知識學習的同時，大大提高了學生們的工程意識和工程素養(yǎng)。

分離工程；改進；工程意識；教學模式

“分離工程”課程是高等學?；瘜W工程及工藝專業(yè)（本科）的一門專業(yè)基礎課，是研究化學工業(yè)和其他化學類型工業(yè)生產中混合物的分離與提純的一門工程學科。分離工程課是以化工熱力學、化工過程與設備、化工過程分析與合成、化學反應工程為先修課程。本課程內容包含了絕大多數(shù)傳質分離單元操作，如：精餾、吸收、特殊精餾、吸附、結晶及膜分離等操作；介紹了傳質分離過程中地簡捷法計算和嚴格法計算：如多組分精餾的氣液平和計算、液液平衡及多項平衡計算，并介紹了一些有重要應用前景的新型分離過程如超臨界流體萃取、反膠團萃取等。通過本課程的學習，學生應掌握各種常用分離過程的基本理論，操作特點，簡捷和嚴格的計算方法和強化改進操作的途徑，對一些新分離技術有一定的了解[1]。課程一方面揭示了分離過程中所涉及到的基本原理特性，如相平衡常數(shù)概念、泡露點溫度的計算、多組分精餾、特殊精餾、化學吸收等分離過程的流程分析及簡捷法計算等；另一方面著重培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)，如化工工業(yè)上最佳分離手段的選擇，設備設計的放大效應及最優(yōu)操作條件等[2]。本論文圍繞教學方法的改進、工程意識的強化兩方面提出了幾點體會，旨在培養(yǎng)既有理論又有實踐的復合化工人才以滿足社會的需要，同時更好地符合了教育部化工專業(yè)認證的課程建設要求。

1 “分離工程”課程教學中目前存在的問題

（1）課程知識點多，內容廣泛，傳統(tǒng)教學方法單調枯燥，部分章節(jié)難以理解?！胺蛛x工程”課程涉及到化工原理、化工熱力學、化工設備及物理化學等基礎知識，計算過程復雜且多采用計算機編程解決。教師如采用純語言形式難以將化工流程及計算過程解析清楚，且同學們反映某些章節(jié)難以理解，學習興趣不高。如在介紹多組分多級分離的嚴格法計算時，單純利用手工計算完成章節(jié)教學內容，教學效果差，學生理解起來較為困難，且與實際應用脫節(jié)。我們通過教學方法的改進，并引入Aspen plus語言到課程教學中去，有效地解決了以上問題。

（2）理論教學多，實踐環(huán)節(jié)少。“分離工程”課程旨在提高學生的工程意識和解決實際問題的能力，實際教學中，受教學學時或條件的限制，跟分離工程相關的實驗只安排了汽液平衡數(shù)據(jù)的測定、膜分離等實驗，實踐環(huán)節(jié)較少。因此，如何將工程意識貫徹到課堂的教學中去，是提高課堂教學質量的關鍵。

2 “分離工程”課程教學方法的改進

2.1 豐富“緒論”部分內容，引人入勝，逐步推進

從“緒論”入手，結合日常工作、生活中碰到的分離案例，加以剖析，激發(fā)學生們地學習興趣，并以此為據(jù)點，深入探討，教學內容引入入勝、環(huán)環(huán)相扣。如第一章緒論部分中分離過程的重要性引出時，筆者指出分離操作與我們日常生活緒論作為“分離工程”的開場白，它的重要性是不言而喻的。如何讓學生對“分離過程”產生濃厚的學習興趣，老師設計安排好緒論部分的課堂內容顯然是至關重要的。在緒論中，筆者在介紹學習分離過程的重要性時指出分離操作與我們日常生活、工作密不可分，強調分離操作在化工生產應用中的重要性，激發(fā)同學們學習的興趣。分離操作歷史悠久，古代的曬鹽、冶金、香料提取、天然飲料和藥物生產及果酒生產等都是最早的分離操作。工業(yè)上粗油的精制也是分離過程，通過常壓分餾產生了石油氣、汽油、煤油、柴油、潤滑油和重油。重油繼續(xù)通過減壓分餾得到凡士林、石蠟和瀝青一系列產物。再比如，人體的腎臟就是一個完美的分離器。血液和廢物從動脈進入腎臟，在腎臟內分離，分離后干凈的血液從靜脈流出，而廢液從輸尿管流出。由于學生們大多比較關心健康的問題，這里筆者給大家介紹了一個科普小常識：正常成年人的一天飲水量應該是2500~ 3000 mL左右，飲水量太少會影響毒素的排出，飲水過多同樣會增加腎臟的負擔，引起了大家的熱烈討論，大大激發(fā)同學們的學習興趣。并以此為基礎，進一步探討，精餾過程、腎臟等是如何實現(xiàn)分離的？可以用來分離什么？分離時所需要的溫度、壓力等參數(shù)為多少？這種逐步推進的辦法，引起了同學們地學習興趣，并為后續(xù)章節(jié)的學習埋下了鋪墊。

2.2 采用多媒體課件與板書相結合的教學方式

在課程的教學中，我們統(tǒng)籌安排，采取多媒體課件與板書合理結合的方法，以提高教學效率和課堂教學效果。如在介紹主要的膜分離過程[3]：微濾、超濾、納濾、反滲透時，這四種膜分離過程都是以壓差為推動力，區(qū)別在于所用膜的孔徑大小不同，因此用來分離的對象也不同，所能承受的壓力也不同。為了更好地比較這四種膜分離過程的異同點，加深同學們的理解，我們采用多媒體課件，引入flash動畫，異同點一目了然；在進一步介紹反滲透機理時，我們也同樣采用多媒體課件，利用圖譜深入淺出地闡述了這個概念，如圖1所示。而在介紹相平衡常數(shù)的計算、閃蒸方程及芬斯克方程式時，我們則采用板書的方式，引導同學們和教師一起一步步完成公式的推導，而不是死記硬背公式。

圖1 滲透和反滲透現(xiàn)象

2.2 由傳統(tǒng)的“填鴨式”教學轉為“研討式”教學

我們改變傳統(tǒng)的教學模式，不再單一得由一系列現(xiàn)象歸納出對應的結論，而是引入"陷阱"式教學方法，先提出問題，引起同學的思考和討論，從錯誤的結論中尋找出正確的答案，加深了學生對教學內容的理解和記憶。同時，為進一步提高學生的學習興趣，我們在教學環(huán)節(jié)中引入“研討論壇”。即將全班同學分組，組員有3-5人構成，每小組針對課程教學中地重點、難點或不懂的地方、或有質疑的地方展開討論，并將小組討論的問題、答案及支撐答案的依據(jù)制作成一組PPT，做課堂匯報。這種“研討式”教學模式一來極大地調動了同學們的學習積極性，學生們普遍反映探討過程中受益頗多；二來也便于教師及時掌握學生學習中的問題，在以后的教學中有所改進。學生研討的課題節(jié)選列舉如表1所示。

表1 課堂研討主題統(tǒng)計表

2.3 嘗試將Aspen plus語言應用到課程教學中去

Aspen plus是一個通用的過程流程模擬系統(tǒng)，用于計算多組分精餾、吸收等穩(wěn)態(tài)過程的物料平衡、能量平衡、設備尺寸及進行經濟評價，是迄今為止功能最強大、最可靠的過程模擬軟件，并作為一種教學和科研的主要工具為高校廣泛使用。Aspen plus在本課程的教學功能主要包括如下幾個方面：（1）通過簡便組合，繪制單元操作設備和過程流程圖；（2）開展穩(wěn)定的嚴格精餾模擬計算，可處理雙液相精餾、反應精餾、萃取精餾、耦合精餾等。（3）完善的物性計算，包括相平衡、傳遞性質計算，可用于精餾等分離單元設備的設計；（4）準確龐大的純組分、水溶液、固體及二元組分混合物數(shù)據(jù)庫。

如Aspen plus中單元操作DSTWU可對單一進料兩出料精餾塔進行簡捷設計計算。給出平衡級數(shù)，可得到回流比；給出回流比，可得出理論板數(shù)。同時也可得到最佳進料位置和再沸器及冷凝器熱負荷。利用DSTWU還可得到回流比與理論級數(shù)關系曲線及表格，用此單元操作得到嚴格計算初值。RADFRAC單元操作可用于嚴格多級氣液分離，特別適用于三相、寬沸程和窄沸程以及液相強非理想性體系，可對以下操作進行嚴格模擬：吸收、再沸吸收、氣提、再沸氣提、萃取精餾和共沸精餾等。如介紹甲基叔丁基醚催化反應精餾時，我們采用軟件教學，如圖2所示，簡化了計算過程，計算結果更為準確，課堂教學效果好。

圖2 甲基叔丁基醚催化反應精餾模擬圖[4]

3 理論聯(lián)系實際，強化工程意識

3.1 將工程意識貫徹到每節(jié)課的教學中去

教育部2006年啟動的化工專業(yè)認證標準里明確要求：要加強學生工程實踐能力和創(chuàng)新 能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學生的工程實際能力和創(chuàng)新意識，提高學生的綜合素質。分離工程是一個工程實踐性很強的學科，工程意識的培養(yǎng)是個潛移默化的過程，教師授課過程中時刻注意從工程的觀念來分析解決問題，有助于提高學生們地工程素養(yǎng)。課程教學中，不僅注重滲透工程意識、工程思維，講授工程技術方法，而且在教學過程中將大量本專業(yè)所取得的工程類科研成果作為教學案例,將工程訓練元素融入課堂，結合課程大作業(yè)、課程設計等多種形式，加強學生工程實踐能力的訓練。教學內容適時結合工業(yè)生產裝置，運用工業(yè)生產中的分離裝置，如介紹板式精餾塔、填料式精餾塔的選擇，常壓塔、加壓塔、減壓塔的選擇，不同分離裝置的耦合、反應裝置與分離裝置的耦合等，這種方法一方面拓展了同學們對于課本知識的學習，另外也強化了學生們工程思維能力的訓練。再比如在介紹萃取精餾時，分離甲醇和丙酮的最低共沸物，可以選擇甲醇的同系物乙二醇或乙醇作為萃取劑。那么工業(yè)選擇時，會優(yōu)先考慮哪種？為什么？這里主要考慮乙二醇沸點更高造成塔釜溫度高，能耗更大，因此選擇乙醇更復合成本經濟的需求。再比如介紹膜分離時，除了介紹膜的基本傳質機理外，更要引起同學們對于膜組件工業(yè)應用上存在問題的探討。是選擇管式還是板框式？膜組件如何清洗？膜壽命多長？通過這些問題的提出來強化工程教育在課程中的滲透。

3.2 引入 “專業(yè)實驗-生產實習-科學研究-課程設計”相結合的實踐教學模式

作為一門工程類學科，實踐環(huán)節(jié)不僅必不可少且尤為重要[5]。我們初步探討了一種“專業(yè)實驗-生產實習-科學研究-課程設計”相結合的實踐教學模式。通過專業(yè)實驗的預習、動手操作及問題的解決來強化同學們對于課堂知識及概念的理解，并爭取做到專業(yè)實驗與課程同步，更好地起到相輔相成的作用；另外，我們組織同學們參與工廠實習，了解分離流程在工業(yè)操作中地實際應用及存在的問題，讓同學們把課堂疑問帶入工廠，再把工廠疑問帶回課堂討論。如我們組織同學們到安慶石化集團實習，組織石化集團的技術人員與學生們交流，學生們學習了原油分離的基本操作，對精餾塔、吸收塔等裝置有了更直觀的理解。此外，我們鼓勵學生參與大學生創(chuàng)新實驗，申報與分離技術相關的課題。通過一些簡單創(chuàng)新實驗的課題提出、文獻調研及實驗操作等環(huán)節(jié)，提高學生們的分析問題能力及動手解決問題的能力。最后，通過課程設計培養(yǎng)學生們對于所學知識總結、綜合應用和提煉的能力。如課程設計以年產量3.0萬噸二甲醚分離裝置精餾工段的設計為依據(jù)，是一個多組分分離的綜合設計，涉及到精餾塔的選擇、塔頂冷凝裝置采用全凝器還是分凝器，回流比如何控制，塔釜加熱方法等條件的選擇，并通過嚴格法計算得出理論板數(shù)，塔效率，實際板數(shù)，進料位置，在板式塔主要工藝尺寸的設計計算中得出塔徑，有效塔高，篩孔數(shù)。實踐四環(huán)節(jié)相互促進，共同發(fā)展。

4 結語

本文通過多種教學方法和教學手段的改進如采取多媒體課件與板書相結合的教學方式及引入 “研討式”教學理念，嘗試將Aspen plus語言引入課堂教學，并輔以理論聯(lián)系實際，強化工程意識的教學改革，提出了“專業(yè)實驗-生產實習-科學研究-課程設計”相結合的實踐教學模式，大大提高了學生的學習興趣，有助于學生工程意識和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，為復合型化工人才的培養(yǎng)奠定了良好的基礎，同時更好地符合了教育部化工專業(yè)認證的課程建設要求。

[1]劉家祺.分離過程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[2]姜忠義.把握分離過程發(fā)展趨勢 搞好分離過程課程教學[J].化學工業(yè)與工程，2005(22)：52-55.

[3]J.D.Seader.Separation Process Principles[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.

[4]盧澤湘.Aspen Plus在《分離工程》教學中的應用[J].福建農林大學學報:哲學社會科學版，2010（13）：106-108.

[5]葉慶國.分離工程精品課程的建設與實踐[J].化工高等教育，2011（3）：23-29.

[6]楊艷.談“三結合”教學方法在生物分離工程課程教學過程中的探索與實踐[J].化工高等教育，2012（2）：105-108.

[責任編輯：余義兵]

G642

A

1674-1104(2013)06-0138-03

2013-10-18

綠色高分子材料安徽省重點實驗室開放課題基金資助（KF2012005），安徽大學2012年校級教學研究項目（JYXM201244）。作者簡介:胡大喬（1982-），女，安徽桐城人，安徽大學化學化工學院講師，博士，主要從事光電功能材料方向的研究及應用。