化工原理傳熱綜合性實驗的教學設計與探究

李 琳，繆應菊，吳 紅，譚鳳玉

(六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004)

化工原理是化工類本科生的基礎核心課程，其中的理論知識對后續專業課程的學習具有指導意義[1-2]。化工原理實驗是化工原理課程教學中的重要組成部分，一方面是理論到實踐的轉化，另一方面是培養學生學會用工程的意識來解決問題[3-5]。過去的化工原理實驗教學多是基礎性和驗證性的實驗，能加深學生對理論知識的理解。但是學生很難把理論知識與工程實例相結合，同時對于學生獨立思考、協作能力的培養也十分有限。

隨著學科的發展，我校著重培養應用型技術人才，對學生的實踐能力提出了更高的要求。實驗教學團隊為了適應新形勢下的培養目標，進一步提升教學質量，需要開發出具有綜合性、創新性和開放性的實驗項目。以化工原理實驗中的“傳熱”實驗為例，把空氣-蒸汽對流給熱系數及總傳熱系數的測定實驗與氣-氣傳熱仿真相結合，設計出傳熱單元的綜合性實驗。

1 課程內容設計

傳熱是化工廠中很重要的單元操作，大部分化學反應過程都需要在特定的溫度下進行。換熱器的熱負荷通常是化工廠能耗較大的部分。隨著我國提出節能減排的要求，對于熱量傳遞的效率和強化傳熱的途徑都提出了新的要求。化工原理實驗中的傳熱單元操作，是學生認識和掌握傳熱的重要途徑[6-8]。

1.1 課程的課前準備

(1)分組并且發布實驗項目的基本信息，包括實驗目的和設備簡圖。提出傳熱實驗需要解決的三個問題給學生，即測定總傳熱系數和對流傳熱系數，利用實驗數據得出管內強制對流的經驗式，通過結論得出強化傳熱的途徑。圍繞問題，讓學生先理出實驗的基本方案。教師對學生提交的實驗方案進行分析和評價，為實驗的實施做好準備。

(2)在仿真實驗室先完成氣-氣傳熱仿真操作。仿真實驗的操作界面是模擬化工廠的中控操作，通過仿真操作，學生進一步加深了換熱器的結構和操作步驟以及需要采集的數據信息。

(3)在實驗課之前，安排學生提前到實驗室觀察設備。化工設備的特點是結構相對復雜，管線較多，學生雖然已經學習了設備簡圖，但是還無法和實驗設備完全對應。過去學生在上課的時候才接觸設備，會浪費很多時間，對流程還十分不熟悉。提前觀察設備能讓學生理清流程，使實驗進行的更加流暢。

1.2 課程的實施

(1)分配不同的學生來講解設備結構、工藝流程和實驗步驟。教師對重點操作進行指導，之后由每個小組獨立完成實驗操作。

(2)進行小組分工，完成實驗。結合每個學生的特點，分別完成實驗操作，數據記錄，數據預處理等步驟。

(3)實驗結束后，教師檢查數據并提出意見。

1.3 課后的數據整理及小組討論

以2016級化工專業第一小組數據為例，在課前準備時，學生根據需要解決的三個問題，通過查閱教材和文獻，整理出需要的原始數據表格，在實驗中記錄數據，如表1。

表1 傳熱實驗原始數據Tab.1 Heat transfer experiment raw data

計算出總傳熱系數K和對流傳熱系數α，解決第一個問題。利用量綱分析法，對管內強制湍流的數據進行線性擬合，學生解決第二個問題，如圖1。

圖1 管內強制湍流數據擬合Fig.1 Forced turbulence data fitting in the tube

從圖1可以看出，線性擬合效果比較好，學生利用擬合方程得到了管內強制湍流的經驗式，并與教材的經驗式對比，進行小組討論，最后得出結論，找到強化傳熱的途徑，解決第三個問題。

2 教學效果

2.1 鞏固了傳熱機理

傳統的實驗教學，是直接發布預習報告，學生按照預習報告去準備實驗，沒有獨立思考的過程。如果在課前先提出問題，學生需要去查閱資料，自己整理出實驗方案才能開始實驗。實驗是以理論為依據，所以學生是帶著問題去預習實驗，在這個過程中，對傳熱機理就更加熟悉了。以實驗促進理論的學習，比單純的理論教學更受歡迎。

2.2 增強了學生理論與實踐的結合能力

仿真實驗的引入，一方面讓學生能熟悉化工廠的中控面板，另一方面可增加數據變化的復雜性。實際操作實驗的時候，由于設備和課時的影響，學生得到的數據組數是不多的。在仿真實驗的時候，采集數據比較迅速，可改變的條件也比較多，這更加符合化工廠的實際情況，彌補了實驗教學的不足。另外，傳統教學是以教師示范操作步驟為主，學生機械的完成操作，很多學生表示實驗很枯燥。現在教師只對重點操作進行指導，其余部分由學生獨立完成，這種以學生為主體的教學方法能激發學生的學習熱情，每個學生都得到了鍛煉。

2.3 增強了學生團隊協作的能力

由于進行了小組分工，小組成員為3～4人，每人都有具體的工作，大家協同完成，極大的提高了學生的參與感和認同感。在過去的實驗教學中，會出現比較積極的同學大包大攬，對于學生的整體發展是不利的。分工合作的教學理念使每個學生都得到重視，加強了團隊意識，而這也是學生走向社會后的必備技能。小組討論環節，每個同學都針對自己所負責的部分發言，并且對實驗數據進行分析。以2016級化工專業第一小組的討論為例，他們所得到的經驗公式中的常數與教材有0.001的差距，由此展開了討論，最后找到原因是傳熱時間控制的問題。

3 結語

化工原理實驗是化工類學生首次接觸工程性質的實驗，為了更好的培養應用型技術人才，更好的發揮實驗課程的作用，還需要對化工原理實驗的教學進行不斷的改革和探討，結合本校學生的特點和未來就業的需求，建立起具有創新性、綜合性和開放性的實驗項目，提高教育質量，培養出與行業更加貼合的技術人才。