工程模型嵌入化工原理教學(xué)的探討與研究

王麗麗，吳 英，王守玲

(池州學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 池州 247100)

化工原理課程是化工類及相近專業(yè)的一門主要技術(shù)基礎(chǔ)課，是化工類及相關(guān)專業(yè)必修的一門主干課，主要講述化工生產(chǎn)過程中單元操作的基本原理、計算方法和典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作性能及設(shè)計計算等，化工原理課程實踐性強，各單元操作均與生產(chǎn)實踐緊密聯(lián)系[1]。然而教學(xué)以來，化工原理因其公式多、系統(tǒng)性差、知識面廣、應(yīng)用性強、內(nèi)容抽象等特點，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來很大困難。學(xué)生在化工原理學(xué)習(xí)過程中普遍出現(xiàn)設(shè)備模型知識匱乏，實踐能力差，學(xué)習(xí)興趣低下等問題，這不利于當(dāng)代工科應(yīng)用性人才的培養(yǎng)目標(biāo)[2-4]。在有限的化工原理課程課時教學(xué)內(nèi)，如何做到理論聯(lián)系實際，提高學(xué)生應(yīng)用性工程觀念及素養(yǎng)？許多教師在化工原理教學(xué)過程中進行了積極的探索，取得了良好的效果[5-8]。為提高學(xué)生的綜合能力和解決實際問題的能力,進而達到激勵學(xué)生主動參與教學(xué)活動、提高教學(xué)效果的目的，作者采用流程模擬軟件Aspen Plus建立工程模型嵌入化工原理教學(xué)中，并對該實際工程模型引入做了相應(yīng)的分析。本篇擬以含硫尾氣吸收的流程為研究案例展開對化工原理相關(guān)章節(jié)教學(xué)研究。

1 工程模型引入方法

1.1 直接引入法

直接引入法即講授新課前教師開門見山地點明與講課內(nèi)容相關(guān)的工程模型，提綱挈領(lǐng)地介紹該工程模型，突出該模型在本章節(jié)中的應(yīng)用，使學(xué)生的注意力盡快轉(zhuǎn)移到所要解決的問題上來，取得學(xué)習(xí)主動權(quán)。在化工原理吸收章節(jié)的學(xué)習(xí)過程中，涉及吸收的機理理論及該傳質(zhì)單元相關(guān)工程數(shù)據(jù)的推導(dǎo)計算。學(xué)習(xí)完這些理論知識后，直接引入含硫廢氣項目，以實際的工程項目為邏輯主線，讓學(xué)生帶著解決工程問題的追求進行課程學(xué)習(xí)。運用所學(xué)該操作單元的基本知識，建立一個含硫氣體吸收的定態(tài)逆流流程模型。在選擇氣體吸收的方式時學(xué)生依據(jù)所學(xué)知識有并流和逆流兩種，按項目要求選擇定態(tài)逆流。可建立如圖1簡單的定態(tài)逆流吸收模型。

圖1 含硫廢氣的吸收工藝流程

引用工程模型教學(xué)，增進學(xué)生得學(xué)習(xí)興趣和動力，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，在有趣緊張的學(xué)習(xí)環(huán)境中掌握各單元操作的基礎(chǔ)理論知識，加深對案例所涉知識點的認知程度，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用理論知識分析和解決各種工程實際問題的能力。通常案例教學(xué)是通過分組進行的，學(xué)生在討論中學(xué)會了與人的溝通，這也培養(yǎng)了學(xué)生團隊協(xié)作能力。另外，教師在構(gòu)思設(shè)計課程項目的過程中，促使教師對所授課程有更深層次的理解，更新教學(xué)觀念，從學(xué)校走向生產(chǎn)實際，了解企業(yè)的生產(chǎn)實際、熟悉工作過程，通過各種方式，跟蹤生產(chǎn)技術(shù)和工藝的發(fā)展水平與變革，從而保證和提高教學(xué)質(zhì)量，促進教學(xué)效果的提升。

1.2 啟發(fā)引入法

啟發(fā)式教學(xué)是指教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，從學(xué)生的知識基礎(chǔ)、思想水平、學(xué)習(xí)水平、接受能力等實際出發(fā)，采用各種教學(xué)啟發(fā)手段，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體作用，使他們通過積極的思維、操作、演練，主動地獲取知識和發(fā)展智能。在化工原理教學(xué)中，如何運用啟發(fā)式教學(xué)法建立工程模型進而引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與共鳴呢？如在第五章氣體吸收的學(xué)習(xí)過程中，如何依據(jù)所學(xué)知識把得到的吸收液中的H2S釋放出來？那么就涉及到含硫溶液的解吸問題。運用Aspen Plus模擬軟件在氣體吸收流程的基礎(chǔ)上繼續(xù)建立解吸流程如圖2所示。圖中采用低溫甲醇作為吸收劑，解吸過程則采用甲醇蒸汽汽提吸收液中的H2S，避免雜質(zhì)組分的引入污染吸收液。將這過程的流程建立所涉及問題提問學(xué)生。例如過程中為什么在吸收單元采用低溫吸收呢？為什么解吸單元需要加熱呢？氣體混合物的分離包括吸收和解吸兩個過程，這樣既實現(xiàn)了氣體混合物的分離，又實現(xiàn)了對氣體混合物中有用物質(zhì)的回收。

圖2 含硫廢氣吸收和解吸工藝流程

2 基于化工原理理論機理的工程模型建立

化工原理的教學(xué)屬于應(yīng)用型教學(xué)，教學(xué)過程中涉及對所學(xué)章節(jié)的實際運用。隨著e時代的到來，采用新型模擬軟件輔助教學(xué)理論是必然的發(fā)展趨勢。因此提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識建立過程模型，解決相關(guān)實際問題至關(guān)重要。本文擬采用流程模擬軟件Aspen Plus作為案例分析的輔助工具。在化工原理章節(jié)教學(xué)的結(jié)尾，列舉相關(guān)運用Aspen Plus建立單元操作的工程案例，并提出需要解決的相關(guān)工程問題，引導(dǎo)學(xué)生綜合利用本單元操作所學(xué)知識，解決該工程問題 。繼續(xù)以吸收章節(jié)的含硫廢氣吸收為例。依據(jù)所學(xué)吸收章節(jié)的理論知識，涉及對吸收過程的設(shè)計型計算，如求解吸收劑低溫甲醇的用量、吸收塔的塔板數(shù)的計算和填料層高度的計算。基于吸收機理，采用Aspen Plus模擬軟件建立模擬工藝流程圖如圖2所示，并運用靈敏度分析工具可有效優(yōu)化出最佳工藝參數(shù)如圖3所示。

圖3 靈敏度分析(Sensitivity)工具

3 結(jié)論

本文采用流程模擬軟件Aspen Plus作為輔助工具，建立化工原理相關(guān)工程模型以激發(fā)學(xué)生對化工原理課程的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。初步實踐效果顯示，已經(jīng)實施的工程模型輔助教學(xué)的方式非常受歡迎，學(xué)生對該輔助軟件的學(xué)習(xí)比較感興趣，并能成功解決相關(guān)工程問題，加深了對化工原理難點的理解與運用。在工程模型引入化工原理教學(xué)在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，解決實際問題的能力、表達能力、團隊協(xié)作能力。自實施模型教學(xué)以來，已有連續(xù)兩屆畢業(yè)生通過自學(xué)Aspen Plus軟件完成畢業(yè)設(shè)計工作，反響較好。然而，由于教學(xué)課時的有限性，目前工程模型的嵌入式教學(xué)模式還停留在小班教學(xué)中，今后還需要擴大該應(yīng)用范圍，培養(yǎng)更多適于化工人才 需求的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的大學(xué)生。