化工原理課程“生活案例一理論教學一工程案例”教學模式研究

葉長燊　李玲　邱挺

[摘要]未來化工產業需要的是工程實踐能力強、具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才，為加強工程實踐教育，在化工原理課程教學中構筑并實施“生活案例一理論教學一工程案例”教學模式，應用引探、類比、啟發等教學方法將生活案例、理論教學、工程案例有機結合形成三位一體的教學模式，有助于激發學生的學習興趣，強化工程實踐教育、提高學生應用理論知識解決工程實際問題的能力和工程知識的靈活應用能力。

[關鍵詞]化工原理;生活案例;工程案例;教學模式

[中圖分類號]G642[文獻標識碼]A[文章編號]2095-3437（2019）11-0085-03

化工原理課程的中心任務是向學生傳授化工單元操作的基本原理、單元操作設備結構及設計方法等理論知識，然而化工原理作為一門實踐性很強的課程，其來自于實踐又應用于實踐，書本知識對于學生來說并非直接的工程經驗。因此，化工原理課程的教學應當特別注意理論聯系實際。案例教學[1-4]是理論聯系實際的一種有效手段，更是一種巧妙的教學藝術，恰到好處的案例是幫助學生理解知識、啟發思維、激發興趣的“催化劑”。

一、“生活案例一理論教學一工程案例”教學模式

化工原理是化學工程與工藝、過程裝備與控制、化工制藥、環境科學與工程等相關專業的專業基礎課，具有很強的工程性與實踐性特點。它既是基礎課與專業課的紐帶，又是理論與實踐的橋梁，是培養學生工程能力的重要課程。但是，化工原理課程涉及的單元操作類型多、影響因素千差萬別，單元設備結構與設計計算方法復雜多樣，學生在學習過程中普遍反映課程難度較大。著名心理學家皮亞杰指出“所有智力方面的工作都需要依賴于興趣”，可見，興趣在學習過程中具有積極的作用。如圖l所示，在各單元操作理論教學開始之前，采用鳳頭式教學方法引入生活案例并提出問題，以此吸引學生的注意力，激發學生的探知欲望，在此基礎上開展課堂理論教學;通過理論知識的學習，使學生自然而然地發現生活案例中的本質原理，從而加深對理論知識的掌握;最后再通過工程案例的豹尾式教學，使學生所學理論知識能夠與工程實際問題聯系起來，提高理論知識在分析解決工程實際問題中應用的能力。如此開展“生活案例一理論教學一工程案例”課堂教學實踐，有利于激發學生的學習興趣，提高課堂教學質量，實現掌握理論知識、培養工程能力的目的，構筑從理論知識通往工程能力的橋梁。

二、“生活案例一理論教學一工程案例”教學案例

（一）流體流動教學案例

鳳頭式教學導人生活案例：課堂中有一個漂亮、吸引人的開始，既能吸引學生的注意力，又可激發其求知欲。在分支管路的教學中用生活案例導入法設置如下情境：我們在使用自來水時會遇到如圖2所示的情形，在并聯兩個水龍頭的管路中，左側水龍頭關閉時，右側水龍頭可正常出水，而當左側水龍頭打開后，則右側水龍頭的出口流量突然減小，反之亦然。這現象是什么原因引起的呢？這樣的分支管路是否適合生活和生產需要呢？若要避免出現這種現象，該如何設計分支管路呢？

引探式[5]理論教學：通過上述生活案例，提出問題，激發學生探索分支管路的特性，引出分支管路的學習目標，在上述問題情景下，通過分支管路結構、原理、特點等內容的教學，逐漸明確上述問題屬于分支管路問題，引導學生應用流體流動和分支管路的相關知識解釋上述現象。圖2中的兩水龍頭連接于同一主水管，在右側水龍頭打開正常出水情況下打開左側水龍頭，此時主管中的水將有一部分流入左側分支管路，若右側管路中水的流量不變，則主管中水的流量與左側水龍頭打開之前相比必然增大，所以主管流動阻力增大，在主管進入分支管路的節點上的機械能將下降，而水龍頭出口的機械能不變，導致分支管路中上下游的機械能差下降，從而使其流量下降。

豹尾式教學分析工程案例：在分支管路理論教學的基礎上，應用工程案例強化學生對理論知識的掌握，同時建立理論與工程實際問題聯系的橋梁，提高學生的工程實踐能力。如圖3所示的居民樓供水分支管路系統，當分支管路2上的閥門開大后，對支路1的流量會有什么影響呢？為避免各支路間的相互影響，該供水分支管路系統該如何設計？

根據圖3分支管路分別在0截面至2截面、0截面至N截面和N截面至1截面間列伯努利方程可得：

當支路2上的閥門開大時，局部阻力∑leN2減小，由式（1）可知μON、μN2增大;由式（2）可知分支管路節點N處壓力pN下降，根據式（3）可知pN下降將導致μN1減小，所以出現開大支路2閥門時，支路1流量下降的現象。根據上述分析，支路1流量的變化根源是分支點壓力pN的變化，因此，要避免該現象的出現，要盡可能減小pN的變化。但支路2閥門開大后，μON的變化不可避免，根據式（2）可知在μON變化的情況下，若pN的變化足夠小，則不會引起支路l流速N1μ的變化，通過式（2）和式（3）分析，當較小，而較大時，支路2閥門開度的變化對pN的影響很小，從而對支路l的流量也未能產生明顯的影響。很明顯這種管路的主管路阻力較小，而支管阻力較大。居民樓供水管路應具備該特點，方能避免各支路之間的相互影響。由此，學生能確立正確的管路工程設計原則與方法。

（二）機械分離教學案例

鳳頭式教學導人生活案例：豆腐的手工制作包括“大豆挑選、浸泡、磨漿、濾渣、煮漿、點鹵（石膏懸浮液）、壓榨成型”等過程。如圖4所示，其中濾渣過程中將一塊濾布用兩十字交叉的木條或竹條支撐形成容器，研磨后的粗豆漿置于其中，通過不斷的搖晃和濾布孔隙的作用使粗豆漿中的豆渣截留于濾布上，粗豆漿中液體部分則通過濾布，使制作的豆腐口感更加細膩;過濾后的豆漿經過點鹵后產生絮凝沉淀，豆漿逐漸稀稠起來，形成糊狀或塊狀的豆腐花;將此豆腐花裝在一定的模具中進行壓榨，脫除多余的水分，成型為塊狀豆腐。通過豆腐的制作過程，提出其中的過濾、壓榨單元操作，并設置“豆漿過濾過程中如何提高過濾速度？”“如何制作老豆腐和嫩豆腐？”等問題，促進學生主動思考。

類比式[6]理論教學：過濾單元操作是利用過濾介質在一定的推動力如壓力作用下，使懸浮液中的固體顆粒截留于過濾介質表面，而液體由過濾介質的孔道穿過得到不含固體顆粒的澄清濾液，從而實現懸浮液中固液的分離。在過濾過程中，固體顆粒在過濾介質表面不斷累積形成濾餅，使得過濾阻力增大，過濾速率隨過濾時間逐漸下降。因此，濾餅是過濾過程主要的過濾阻力，要提高過濾速率，根本方法是要減小濾餅的厚度或減緩濾餅的形成。而濾餅是由固體顆粒堆積而成，具有豐富的孔道結構，具有可壓縮性，當過濾推動力增大時，固體顆粒在曳力作用下，顆粒堆積更加緊密以及顆粒變形導致濾餅孔道縮小，孔隙率降低，過濾阻力增大，過濾得到的濾餅含水量降低。上述過濾單元操作與豆腐制作過程中的濾渣、成型等過程極其相似，十分有利于兩者進行對比教學，將豆腐的制作過程與過濾單元操作從概念、原理、強化等各方面進行類比，能更形象地向學生展示過濾單元操作過程。大豆經過浸泡磨漿后得到含有細小固體顆粒的粗豆漿，其性狀與懸浮液類似，將此懸浮液置于上述濾布和十字竹條所形成的容器中，在豆漿自身重力推動作用下，液體通過濾布獲得不含固體顆粒的豆漿，而截留于濾布表面的豆渣形成濾餅或濾渣。在豆渣過濾過程中，還需不斷順時針和逆時針交替旋轉兜著豆漿的濾布，其目的在于過濾過程中豆渣會在濾布表面形成濾餅而增加過濾阻力。通過這種旋轉讓豆漿懸浮液能夠流動起來，減緩濾布表面濾餅的形成，降低濾餅厚度，從而提高過濾速率，這也就是動態過濾的雛形。

豹尾式教學分析工程案例：通過以上對過濾單元操作過程的理論學習，可知濾餅是過濾過程的主要阻力，改善濾餅結構或降低濾餅層厚度是提高過濾速率的主要方法。由此引入工程案例——青霉素發酵液預處理。青霉素是青霉菌培養液中提制的一種能破壞細菌細胞壁并在細菌細胞繁殖期起殺菌作用的一類抗生素，工業上多采用溶媒萃取法從發酵液中提取。然而發酵液中存在大量的菌絲、菌體代謝物、剩余培養基等，故在離子交換前必須過濾去除發酵液中的固體雜質。這些物質在過濾過程中形成的濾餅孔隙率小、可壓縮性強，導致過濾阻力大、過濾速率下降明顯，過濾操作困難。根據上述對比學習，引導學生將生活案例和理論學習中掌握的知識應用于解決工程實際問題。在豆漿中添加鹵水使豆漿絮凝成豆腐花促進壓榨成型，與之類似，在青霉素發酵液中亦可添加有機或無機絮凝劑使菌絲、菌體代謝物等物質絮凝沉淀，促進這些固體雜質形成大顆粒提高由其堆積而成的濾餅的孔隙率，從而提高過濾速率。另外，與豆漿過濾過程類似，不斷搖晃濾布減緩濾餅表面豆渣的堆積，降低過濾濾餅阻力。對青霉素發酵液過濾也可采取同樣的方法提高過濾速率，但是在工業應用中，不可能使濾布進行周期性運動，那么如何降低濾布表面濾餅的形成速度呢？能否采用機械方法將濾布表面形成的濾餅刮除呢？由此可激發學生聯想到利用攪拌槳葉在靠近濾布表面處進行攪拌，即可阻止濾餅的形成，達到提高過濾速率的目的，從而掌握動態過濾這一過濾強化技術。

（三）傳熱教學案例

鳳頭式教學導人生活案例：柴火灶是利用曬干后的木柴或者植物秸稈作為燃料，加熱鑄鐵鍋煮飯燒菜。由于灶內空間有限，木柴或秸稈等物質燃燒不完全而產生積碳，長期使用會在鐵鍋底部黏附一層厚厚的鍋灰。它的存在會導致煮飯燒菜時食物煮熟的時間變長，影響食物的口感，同時也使煮飯燒菜比較廢柴，即燒煮同樣的食物需要更多的木柴。因此，鐵鍋經過一段時間使用后，都要將其取出倒扣于地上，使用工具將鍋底厚厚的鍋灰清除干凈。

啟發式[7]理論教學：根據上述對柴火灶和鐵鍋的使用和維護過程可見，鐵鍋在使用過程中，一側是需要燒煮食物的加熱過程，另一側則是木柴或秸稈等可燃物的燃燒過程，它們通過鐵鍋壁面進行傳熱，鍋壁面為金屬材質，導熱系數大、導熱阻力很小，其傳熱阻力則主要集中于鍋底灰。所以，長時間使用的鐵鍋在鍋底形成厚厚的鍋灰，降低了傳熱效率。此時清除鍋底灰是提高鐵鍋加熱食物速率最主要的方法。由此，應用啟發式教學方法，在傳熱單元操作知識的講授過程中，啟發學生掌握間壁兩側流體的傳熱過程的傳熱阻力構成及其主要傳熱阻力、強化傳熱的主要措施、傳熱面除垢方法等知識點。

豹尾式教學分析工程案例：PTA生產過程中排放大量的精制廢水，其中含有TA酸等有機物，回收這些有機物不僅可實現廢水的資源化利用，而且降低了廢水生化處理的負荷。因此，在工業上應用PTA的生產原料PX對精制廢水進行萃取可以回收其中的有機物，由于精制廢水的溫度較高，故在萃取之前需要冷卻器對廢水進行降溫。然而，經過一段時間的使用，換熱器的壓力降逐漸增大，在同樣的冷卻介質流量和溫度下，冷卻器出口精制廢水的溫度居高不下，無法達到工藝要求。那么這是什么原因呢？在了解上述生活案例和掌握傳熱相關理論知識的基礎上，很容易使學生獲得啟發，該冷卻器在長期的使用過程中，廢水中的TA等有機物由于溶解度低而在傳熱面上析出結晶形成污垢，一方面造成傳熱管流動截面縮小，流動阻力增大;另一方面，這些結晶在傳熱面上形成污垢，增加了傳熱阻力，使精制廢水無法冷卻至工藝要求。確定了關鍵問題所在，也就可以對癥下藥，根據理論課上所學的溶劑、酸、堿化學清洗，高壓水力清洗，鋼絲刷機械清洗等除垢方法，結合PTA廢水冷卻器污垢形成的原因，采用堿液對冷卻器進行化學清洗，PTA生產企業也大都采用了該清洗方法。

三、結束語

與工程實際聯系緊密，工程問題涉及數學、物理、化學等多學科知識，涉及面廣而復雜，在教學中應用引探、類比、啟發、示錯等教學方法將生活案例、理論教學、工程案例有機結合形成三位一體的教學模式，不僅可活躍課堂氣氛，激發學習興趣，更重要的是通過“生活案例一理論教學一工程案例”教學模式的實施，可使學生將生活、理論、工程聯系起來，從生活實例中啟發思維，從中提取理論本質，并將理論知識直接應用于解決工程實際問題，明顯提高學生應用理論知識解決實際工程問題的能力。

[參考文獻]

[1] 賈紹義，夏清，吳松海，姜峰.工程案例教學法在化工原理課程教學中的應用[J].化工高等教育，2010（3）：78-81.

[2]王立軒，王玥，李鵬.化工原理案例教學與畢業設計的互補作用[J].化工高等教育，2017（1）：91-93.

[3]李寒梅.案例教學在教師教育課堂教學中的觀察與啟示[J].中國大學教學，2013（6）：70-72.

[4]李友根.論基于案例研究的案例教學[J].中國大學教學，2015（3）：47-50.

[5]葉長粢，阮奇，林述英.化工原理研究型實驗探究教學實踐[J].化工高等教育，2006（3）：50-52.

[6]秦正龍.化工原理課程中多種教學方法的運用[J].高教學刊，2017（8）：95-96.

[7]張燕青，楊世芳，魯德平，何培新.啟發討論和互動式教學法在化工原理教學中的探討[J].化工高等教育，2011（4）：93-96.

[責任編輯：張雷]