比較教學法在化工原理實驗課程教學中的應用

高 翔， 葉向群， 朱明喬， 何潮洪

(浙江大學 化學工程與生物工程學院，杭州 310027)

0 引 言

化工原理實驗課程屬于工程類實驗課程，化工實驗裝置結構復雜，實驗數(shù)據(jù)大多較易波動。本課程所面對的學生都是初次接觸化學工程實驗裝置，由于沒有工程概念，看到比自己以前所學學科的實驗裝置規(guī)模大了許多倍的實驗裝置，學生基本上是無所適從，對于化工及相關專業(yè)學生而言，其對實驗過程的概念還停留在以往精細的基礎實驗過程，如化學實驗、物理實驗、電子實驗等，學生因缺少工程概念，表現(xiàn)出來的主要 “癥狀”就是不能容忍實驗過程中各種誤差的存在，對誤差產(chǎn)生的原因也只能籠統(tǒng)地描述，甚至錯誤地認為數(shù)據(jù)波動是由實驗裝置的“舊”引起的，對實驗過程的分析也僅僅停留在實驗數(shù)據(jù)波動產(chǎn)生的誤差上，忽略了對實驗過程及結果的深入分析。如果教學過程只是單一的實驗過程講解和操作，學生的實驗收獲往往就是完成了對實驗數(shù)據(jù)的處理，并沒有達到實驗課程應有的目的。因此需要采用不同于化學、物理等基礎實驗課程的實驗教學方法，給學生正確的工程理念引導。

著名教育學家烏申斯基說過：“比較是一切理解和思維的基礎”。比較是人們常用的思維方式，是主動思考的過程，是提高分析和綜合能力的過程。國內許多高校在多種學科的教學過程中采用了不同形式的比較教學法，從中取得了一定的成效[1-6]，如何通過實驗課程給與學生以更大的收獲，通過多年化工實驗課程教學，認為實驗教學中的實驗設備作為實驗課程的重要組成部分，可以給與學生相同實驗多種實驗設備的不同體驗，通過比較，將兩個或兩個以上內容辨出異同，有助于認識內容本質。同時學生的認知能力在比較過程中逐步建構，不斷豐富、提高和發(fā)展。

1 比較教學法在實驗裝置中的應用

1.1 不同流動阻力實驗裝置的比較

流動阻力實驗是化工原理實驗的基礎實驗，常規(guī)流動阻力實驗采用的是工業(yè)流體輸送的管路作為實驗研究對象，如管徑1″的鍍鋅管或不銹鋼管等。實驗裝置如圖1所示，學生通過該實驗裝置可以比較不同材質的常規(guī)管道的流體流動阻力，得到宏觀流體流動時的直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的關系。

1-水箱，2-離心泵，3-流量調節(jié)閥，4-流量計，5-溫度計，6～9-壓差傳感器，10,11-實驗閥門，12,13-實驗管路

圖1 常規(guī)流體阻力實驗裝置

近年來隨著電子信息工業(yè)的飛速發(fā)展，微流體技術因為具有卓越的傳質、傳熱及安全性能,連續(xù)化操作和可實現(xiàn)流體精確調控等特性,成為過程強化的一個重要手段，使得微流體設備被廣泛應用于電子工業(yè)、化學工業(yè)和生物醫(yī)學等領域，如微換熱器、微混合、微分離過程及燃料電池等[7]。微尺度下的流動過程由于尺寸效應、表面效應等因素的影響，微流體的驅動與控制與宏觀流體有很大的不同[8]，相對于常規(guī)管路的流動阻力會增大，而安全、清潔、有效、節(jié)能和可持續(xù)性是微流體設備所要達到的目標，研究微尺度下的流體流動阻力具有重要意義。為此建立了如圖2所示的微管流體阻力實驗裝置，微管(管徑100～1 000 μm)表現(xiàn)出來阻力現(xiàn)象和常規(guī)管路是完全不同的。采用常規(guī)管阻力與微管阻力比較教學，即學生在完成常規(guī)管路流體阻力實驗之后進行微管阻力實驗，比較微管流動阻力特性與常規(guī)管的差異，學生通過實驗可以發(fā)現(xiàn)宏觀經(jīng)典理論的局限性，從而能夠從多方面理解流體阻力，擴大了傳統(tǒng)基礎化工的研究范圍，給予學生多視角的收獲，也有利于化工專業(yè)學生拓展就業(yè)領域。

1-高壓氮氣鋼瓶，2-氮氣調節(jié)閥，3,7-過濾器，4-氣體穩(wěn)壓罐，5-儲液罐，6-盤管，8-壓力變送器，9,10-混合腔，11-數(shù)字轉換器，12-平底燒瓶

圖2 微管流動實驗裝置

1.2 不同間壁傳熱實驗裝置的比較

傳熱是化工過程理論基礎中的“三傳”之一，通過設立多種實驗裝置以構成傳熱實驗的比較,其中一種傳熱實驗裝置是熱空氣與水之間的換熱，如圖3所示。

由于相對于其他介質而言水的比熱較大，而在實驗裝置規(guī)模有限的換熱條件下單位時間的傳熱量又較小，由此造成水的進出溫度變化幅度非常小，因此不可避免產(chǎn)生較大的實驗誤差，實驗結果得到的空氣強制對流傳熱與流動狀態(tài)之間的關系與化工原理教材上的經(jīng)驗關系式相去甚遠，更有甚者冷卻水的溫度增幅為負值，這顯然是不合理的。

另一種傳熱實驗裝置是水蒸汽與空氣之間的換熱，如圖4所示。

換熱過程中水蒸汽冷凝放熱為相變過程，故實驗過程中水蒸汽側的溫度不變，而空氣的比熱很小，因此在有限的換熱量下進出換熱管的空氣溫差也非常明顯，學生將實驗數(shù)據(jù)進行處理就能得到空氣傳熱與流動之間關聯(lián)的合理結果，此外裝置中的實驗換熱管除普通套管換熱器，還可以切換操作強化套管換熱器，強化套管換熱器即在套管換熱器的內管(空氣側)增設擾流元件，蒸汽與空氣通過套管換熱器換熱的熱阻主要集中在空氣側，空氣管內的擾流元件可以增加空氣流動的湍流程度，使得空氣側傳熱熱阻下降，進而有效地強化傳熱過程。對比這些換熱實驗的實驗數(shù)據(jù)后，學生對于實驗誤差所產(chǎn)生的原因及后果有了清晰的認識，對強化傳熱的手段也有了進一步的認識，由于傳熱強化的同時空氣的流動阻力也會顯著增加[9]，因而該實驗過程的對比使得學生對實際工程中強化傳熱元件的利與弊有了較深刻的認識，十分有利于學生對“利弊綜合權衡”和“經(jīng)濟效益”等工程觀點的理解。

1-旋渦風機，2,12～15-溫度計，3-壓力計，4-孔板流量計，5-壓差傳感器，6-截止閥，7-電加熱器，8-套管換熱器，9-鉑熱電阻，10,11-熱電偶

圖3 水-熱空氣傳熱實驗裝置

圖4 水蒸汽-空氣傳熱實驗裝置

1.3 不同液液萃取實驗裝置的比較

萃取是分離和提純物質的重要單元操作之一，是利用混合物中各個組分在外加溶劑中的溶解度的差別，使組分得到分離。在當今迅速發(fā)展的生產(chǎn)具有高附加值產(chǎn)品的精細化工中有著廣泛的應用，如中藥活性成分的提取等[10-11]。

在化工原理理論教材中，萃取作為重要的化工單元過程，簡要介紹了轉盤萃取和脈沖萃取。從實驗教學角度看，小型的轉盤萃取裝置較易搭建，如圖5所示。

1-原料貯槽，2-收集槽，3-電動機，4-控制柜，5-轉盤萃取塔，6,9-流量計，7-萃取劑貯罐，8,10-輸送泵，11-排出液管，12-轉速測定儀，A,B,C-取樣口

圖5 轉盤萃取實驗裝置

但從國內化工界的工程實踐看，大型萃取裝備實際采用的是脈沖萃取塔，基本不用轉盤萃取塔，其主要原因有二：①轉盤萃取塔比脈沖萃取塔通常更耗能；②大型的轉盤萃取塔需要較長(往往20～30 m)且偏心度很小的轉軸，否則裝在長轉軸上的轉盤會偏離水平面，導致萃取效率急劇下降并容易發(fā)生不正常的“液泛”現(xiàn)象，而局限于目前國內的加工水平，很難加工得到偏心度很小的長轉軸，換句話說轉盤萃取塔屬于理論上可行但實際工程上較難實施的設備。因此化工原理實驗教學中原采用的轉盤萃取裝置實際上是與工程實踐脫節(jié)的，而普通的填料塔和篩板塔易出現(xiàn)返混影響平衡級效率[12]，實際工程上有多種強化萃取過程的方法[13]，通過“產(chǎn)學研”相結合，將科研創(chuàng)新成果應用到實驗課程的裝置中，建立了具有自主知識產(chǎn)權的脈沖萃取實驗裝置[14]，如圖6所示。

1-原料貯槽，2-收集槽，3-脈沖系統(tǒng)，4-控制柜，5-脈沖萃取塔，6,9-流量計，7-萃取劑貯罐，8,10-輸送泵，11-排出液管,A,B,C-取樣口

圖6 脈沖萃取實驗裝置

該實驗裝置相當于大型工程裝備的小型版，實驗過程具備多個可調參數(shù)(包括脈沖頻率、脈沖振幅、兩相流量等)，非常有利于學生的工程訓練，萃取實驗教學中脈沖萃取與轉盤萃取的實驗裝置與實驗結果的比較，可以讓學生充分認識到在萃取效果提升的同時需要更多外加能量的消耗，讓學生更深入地理解“節(jié)能的考慮”“加工水平的考慮”等工程觀點，取得了很好的教學效果。

2 比較教學法實驗中的體會

實驗課程是通過實驗裝置給與學生以足夠的操作體驗，化工原理實驗課程是給與化工專業(yè)類學生建立工程概念的首要基本課程[15]，如何通過實驗課程讓學生得到更多的收獲，實驗裝置的更新?lián)Q代顯然是必不可少的，但不能片面地要求實驗裝置全部求新求異，如果新建的實驗設備都愈來愈自動化，這樣“全自動”的“新”實驗裝置使得學生在實驗過程中幾乎不需要操作設備，顯然違背了實驗類課程設置的初衷；然而“全手動”的“舊”實驗裝置又與當今科學技術的發(fā)展相悖，對于實驗教學而言，顯然自動與手動各有利弊，而自動與手動的有機結合則有利于提高實驗教學質量[16]，因此在建立具有先進技術的“新”實驗裝置的同時刻意保留一些“舊”實驗裝置，實驗教學過程畢竟不同于實際生產(chǎn)過程，讓學生在實驗過程中 進行“新”與“舊”的對比，并將得到的實驗數(shù)據(jù)及實驗結果做比較，使得學生在實驗課程中對于所學的內容既把握了區(qū)別又找到了聯(lián)系，從而建立起良好的工程理念，較好地領會多種工程意義，并體會工程與科學的聯(lián)系與差別，教學效果良好。

3 結 語

對應理、工、農、醫(yī)及國際交流生等不同專業(yè)、不同層次的實驗教學需求，可以有多方面的化工實驗比較教學法，在實際教學過程中根據(jù)實驗項目的不同，選擇包括實驗裝置中不同參數(shù)對過程影響的比較、傳統(tǒng)與現(xiàn)代的比較、實驗教學裝置與工程實際裝備的比較、探究實驗與例行實驗的比較等，并且將比較教學法同其他教學方法相互結合、相互滲透，達到了使學生充分認知實驗過程的目的。