應用型本科的化工原理教學中工程思維的培養(yǎng)初探*

謝　艷,于洪東,虞群博,王彬彬,姚　方

(衢州學院化材學院，浙江　衢州　324000)

?

應用型本科的化工原理教學中工程思維的培養(yǎng)初探*

謝艷,于洪東,虞群博,王彬彬,姚方

(衢州學院化材學院，浙江衢州324000)

化工原理是一門由理及工的橋梁課程。化工原理的教學含理論教學、實踐教學、課程設(shè)計三個教學環(huán)節(jié)。根據(jù)應用型本科的辦學定位，化工原理的教學應理論與實踐并重、設(shè)計與應用合一，在各環(huán)節(jié)中不斷滲透培養(yǎng)學生的工程思維。在理論教學中，研究型教學與翻轉(zhuǎn)課堂教學法有機結(jié)合，體現(xiàn)工程思維；在實踐教學中，多類型的實踐環(huán)節(jié)讓學生體驗工程思維；在課程設(shè)計中，新穎的選題和相關(guān)軟件的應用讓學生體會工程思維。

化工原理；理論教學；實踐教學；課程設(shè)計；工程思維

《化工原理》是一門重要的由理及工、橋梁作用的專業(yè)基礎(chǔ)課，既有理論性又有工程性[1]?；ぴ淼慕虒W含理論教學、實踐教學、課程設(shè)計三個教學環(huán)節(jié)。根據(jù)應用型本科的辦學定位，化工原理的教學應理論與實踐并重、設(shè)計與應用合一，在各環(huán)節(jié)中不斷滲透培養(yǎng)學生的工程思維。

1　在理論教學中體現(xiàn)工程思維

理論教學是培養(yǎng)學生工程思維的重要途徑。通過理論課堂教學要使學生掌握單元操作的基本概念、基本原理及計算方法；典型設(shè)備的構(gòu)造、工作原理、性能操作及其選用。然而這些知識點固然重要，作為工程類入門課程，教學的重點更在應用上。在應用中培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際，靈活運用所學的能力?；诖?，理論課堂教學的基本思路：將實際工業(yè)生產(chǎn)問題引入單元操作的開篇教學，描述過程的規(guī)律，全面分析影響過程的因素，有目的性的培養(yǎng)學生提出問題、分析問題的能力；提取過程場景中單元操作的精髓問題，從而引出單元操作的基本理論和公式并進行詳細講解；最后講解例題和習題，強化查圖、查表的過程及合理選用經(jīng)驗公式的能力，使學生在例題和習題中反復接受檢索工程設(shè)計手冊和技術(shù)資料等工具書的訓練。

學以致用，化工原理的理論知識在化工實際生產(chǎn)中具有很強的應用性和針對性。在教學中以生產(chǎn)場景為任務驅(qū)動進行化工單元操作的過程設(shè)計，是化工原理教學中最有效的方法，是卓越工程師教育最有效的方式。研究性教學的手段應運而生，“研究性教學”以研究項目為依托，將工程的概念和理念灌輸于項目研究中進行教學，使學生在研究性教學中不斷的培養(yǎng)鍛煉工程思維，是教學手段與教學目標的高度統(tǒng)一。[2]然而通過幾年的實踐，筆者發(fā)現(xiàn)由于課時的限制往往導致研究性教學不能很好的深入，將研究性教學與翻轉(zhuǎn)課堂教學法有機結(jié)合，可以解決這一問題。

翻轉(zhuǎn)課堂教學法，學生在上課前有目的性的通過觀看教師提供的教學視頻，自主學習課程知識，在課堂上則通過小組討論、解決學生課前提出的問題或完成課堂作業(yè)等方式實現(xiàn)知識的消化[3]。這種教學模式的優(yōu)點在于學生可以根據(jù)個人的能力和水平來調(diào)整自己的學習時間，同時在課堂上學生通過小組活動等方法使被動聽課變?yōu)橹鲃訉W習；教師則從重復性授課中解放出來，把更多課堂時間用來幫助學生共同解決問題[4]。

我?！盎ぴ怼钡慕虒W曾獲得各級精品課程、課堂教學改革的資助，已經(jīng)錄制了多個教學視頻，這些教學視頻都是翻轉(zhuǎn)課堂的寶貴資源。對一部分相對抽象的概念、內(nèi)容，如設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、物流的走向、操作工況等，課前布置任務，利用本校的視頻資源或者選取網(wǎng)絡(luò)資源、仿真軟件進行學習。例如:在換熱器、塔設(shè)備等的學習中，通過各種視頻手段學生要求學生學習相關(guān)內(nèi)容。

在課堂上，根據(jù)前期的理論學習，以任務型項目設(shè)計的方式給學生布置作業(yè)，學生經(jīng)歷接受任務、完成工作任務、展示成果的完整“工作過程”。設(shè)計項目結(jié)合實際生活或生產(chǎn)背景，從簡單到復雜，逐步提高項目難度和設(shè)計要求。特別是初期，要注意聯(lián)系學生的實際，激發(fā)學生的設(shè)計興趣。如在流體力學，首先要求學生為自己宿舍樓設(shè)計選配水管。計算用水高峰期時從水廠到宿舍需要克服多少阻力？自行設(shè)計計量方式，并找出影響阻力大小的因素，影響力分別多少？在講管路計算時，再深入研究問題，提出開水房里打開水難的問題，是不是可以通過簡單的增加幾個水龍頭來解決問題呢？幫助分析，并聯(lián)管路之間的流量是不是會產(chǎn)生相互影響？如何影響？又怎么消除影響？一步步的啟發(fā)學生用柏努利方程，對復雜管路等問題進行分析。

通過這些小問題，小設(shè)計培養(yǎng)學生靈活運用所學理論知識，讓學生體會到學有所用，激發(fā)學生學習《化工原理》的積極性同時深化各知識點的掌握。在設(shè)計過程中，學生還必須考慮設(shè)計的先進性、可行性，設(shè)備的開停車和正常操作中的維護、異?，F(xiàn)象的判斷等等，這對學生培養(yǎng)工程概念，積累工程經(jīng)驗有較強的推動作用。學生自行組隊，人數(shù)只設(shè)上限為3人，每個小組的設(shè)計從方案到計算到圖紙，都是獨立完成。設(shè)計大多為開放式的選題，充分尊重學生的個性發(fā)展，給學生營造發(fā)展空間。經(jīng)過獨立思考、獨立選擇方案、檢索文獻圖書資料、選擇資料信息及相關(guān)公式、文檔的編輯、圖紙的繪制等等，極大的培養(yǎng)了學生創(chuàng)新能力、自學能力和團隊協(xié)作精神。

在課堂上，組織學生進行小組答辯，要求學生分別闡述設(shè)計內(nèi)容后，教師提出設(shè)計中的主要問題，同時鼓勵學生之間進行提問，對于難以回答的問題老師幫助共同解決。各組設(shè)計方案各有所長各有所短，在答辯中，在提出問題解決問題中，學生們從別的小組的設(shè)計里學到不少東西。一些新的設(shè)計理念，甚至突破了教材所學。

2　在實踐環(huán)節(jié)中體驗工程思維

化工原理實驗不同于普通化學實驗，要更注重學生處理工程問題能力的培養(yǎng)，教會學生處理工程問題的實驗方法。所以在實驗的選擇上以驗證性、仿真性實驗、演示性實驗礎(chǔ)，適當?shù)脑黾泳C合性實驗，設(shè)計性實驗。在實驗重點培養(yǎng)學生設(shè)備及其操作、數(shù)據(jù)處理、分析實際生產(chǎn)問題的能力。

我?；ぴ韺嶒炇?，擁有精餾塔、吸收塔、萃取等驗證性實驗設(shè)備二十三套，雷諾實驗、旋風分離器等演示實驗設(shè)備四套。配有專用機房一個，備電腦四十臺，可供學生進行《化工原理》仿真實驗和單元操作DCS仿真實訓。同時，我校建有我省首家現(xiàn)代化實訓基地， DCS控制中心，中試基地。這些都保障了實驗開設(shè)的需要。

實驗設(shè)備均體現(xiàn)了程特點，在各參數(shù)的測量中，采用了多種工業(yè)上常用的儀器、儀表現(xiàn)代測量及顯示技術(shù)，以開闊學生的視野。如，流量的測量，在不同的實驗設(shè)備上分別設(shè)計了轉(zhuǎn)子流量計、渦輪流量計、文丘里流量計等流量測試；壓強的測量，使用了U型管式壓力表、數(shù)顯式壓力表、簧片式電接點壓力表等；溫度等的顯示均采用了數(shù)字式顯示儀表。

實驗過程中及時捕捉實際工程問題、探索解決方案，也不失為建立工程觀念的一條有效途徑。通過對實驗現(xiàn)象的觀察，我們引發(fā)學生對問題的思考。如:在“吸收實驗”中，在同一工藝條件下，分別用2種不同填料如拉西環(huán)、700X規(guī)整填料進行實驗，一般說來規(guī)整填料比散裝填料具有較好的吸收效果，但實驗結(jié)果相反。通過這一現(xiàn)象引導學生思考，填料填裝的重要性，會大大影響其傳質(zhì)效果，讓學生有直接的體會。綜合性實驗的開展，如：流體力學的實驗裝置，實際涵蓋了流體力學的6個實驗的內(nèi)容:流體力學、流量計及其校核、雷諾實驗、離心泵特性曲線測試、局部阻力、直管阻力的測定，把同一類單元操作有關(guān)的相關(guān)實驗綜合在一臺設(shè)備上，有利于學生從整體來分析一個客觀工程問題，貼近工業(yè)實際，體系了其工程實際的特點。

另外，對現(xiàn)場設(shè)備儀表及工藝流程的觀察和指導，有利于學生盡快掌握實際工程問題的方法，培養(yǎng)學生的工程觀念，增加工程實際的興趣。

3　在課程設(shè)計中體會工程思維

通過課堂教學中小設(shè)計的環(huán)節(jié)，學生其實對一般的常規(guī)項目已經(jīng)有了較清楚認識。簡單完成傳統(tǒng)的課程設(shè)計的課題，已經(jīng)不能滿足一部分優(yōu)質(zhì)學生的需求。而且傳統(tǒng)的設(shè)計題目大多為水-乙醇體系或者苯-甲苯等體系的分離，教材及網(wǎng)絡(luò)上模板多，不可避免抄襲現(xiàn)象，達不到設(shè)計的主要目的。因此，選題非常重要。歷年的大學生化工設(shè)計大賽給我們作了很好的示范，近年來大學生化工設(shè)計大賽，在培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力，提高化工工程設(shè)計與實踐能力等方面取得了顯著的成績。大賽每年的題目均不同，與生產(chǎn)實際緊密相聯(lián)。課程設(shè)計任務依據(jù)當年的競賽下達，十人為大組，共同確定工藝方案后，將課題拆分成5個小組，分別對各工段如合成工段、精餾工段、重結(jié)晶工段等單元操作，按組制定題目，同組同學根據(jù)自己所長分別承擔不同的設(shè)計內(nèi)容。這樣同時也能的激發(fā)學生參加大學生化工設(shè)計大賽的興趣，減少大賽指導中的一些重復性工作。

Aspen plus的運算能擴展到三元及三元以上物系，使手工難以完成的項目成為可能，更加貼近實際化工過程。Aspen Plus，可以有效解決混合體系物性參數(shù)難以查找的問題，拓寬教師的選題范圍。另外，可以利用 Aspen Plus模擬軟件優(yōu)化操作條件和并設(shè)備經(jīng)濟核算，如對精餾塔的回流比選擇，可以多種物流就幾種回流比運用軟件進行計算，對比計算結(jié)果，讓學生體會工程經(jīng)濟要統(tǒng)籌考慮物性、設(shè)備、能耗等多方面因素,這些都有利于學生工程思維的培養(yǎng)。因此，在手工計算的基礎(chǔ)上鼓勵學生在課程設(shè)計中運用Aspen plus等化工設(shè)計軟件。具體操作是一種工況用手工算，多種工況的計算用軟件算，這樣也有利于學生對比手算和機算的差異，并分析差異的原因，進一步加深理論知識的內(nèi)化。

工程思維的培養(yǎng)是個系統(tǒng)工程，對學生而言是個新鮮事物，以學生興趣為根本，化工原理教學系列中，從理論到實踐逐步深入、無處不在的滲透工程的理念。

[1]倪獻智.化工原理課程教學中突出工程觀點和方法教育[J].化工高等教育,2007(3):79-82.

[2]謝艷,姚方.化工原理理論教學的改革[J]. 廣州化工,2012,40(10):178-179.

[3]Davies R S, Dean D L, Ball N. Flipping the classroom and instructional technology integration in a college-level information systems spreadsheet course[J]. Educational Technology Research and Development, 2013(4): 563-580.

[4]Herreid C, Schiller N. Case studies and the flipped classroom [J]. Journal of College Science Teaching, 2013(5): 62.

Cultivation of Engineering Thinking in the Teaching of Chemical Engineering Principles of Applied Undergraduate*

XIEYan,YUHong-dong,YUHong-bo,WANGBin-bin,YAOFang

(Department of Chemistry, Quzhou College, Zhejiang Quzhou 324000, China)

Chemical engineering principle is a bridge course for science and engineering. The teaching of chemical engineering principle contains three teaching steps: theory teaching, practice teaching, curriculum design. According to the application oriented undergraduate education, the teaching of chemical engineering principles should be combined with the theory and practice, and the curriculum design and application. To cultivate students’ engineering thinking in the teaching process, in the theoretical teaching, engineering thinking was reflected by the combination of research teaching and flipped classroom teaching method. In the practice teaching, engineering thinking was experienced by many types of practice. In curriculum design, engineering thinking was experienced by the combination of the novel topics and the application of the software.

principles of chemical engineering; theoretical teaching; practice teaching; curriculum design; engineering thinking

衢州學院校級課堂教學改革項目資助 (No: KG201207)；浙江省2013年高等教育課堂教學改革項目 (No: KG2013388)。

謝艷(1977-)，女，副教授，主要從事有機合成及化工原理的教學。

G642

A

1001-9677(2016)02-0158-03