胡大喬,宋林勇

（安徽大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院；綠色高分子材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230039）

“分離工程”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

胡大喬,宋林勇

（安徽大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院；綠色高分子材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230039）

針對“分離工程”課程教學(xué)中存在的知識點(diǎn)多、實(shí)踐環(huán)節(jié)少等問題，采取多種教學(xué)方法和教學(xué)手段，時(shí)刻從工程的角度分析解決問題，嘗試將Aspen p l us語言應(yīng)用于課程教學(xué)中，并創(chuàng)新性提出了一種"專業(yè)實(shí)驗(yàn)-生產(chǎn)實(shí)習(xí)-科學(xué)研究-課程設(shè)計(jì)"相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，在加強(qiáng)理論基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)的同時(shí)，大大提高了學(xué)生們的工程意識和工程素養(yǎng)。

分離工程；改進(jìn)；工程意識；教學(xué)模式

“分離工程”課程是高等學(xué)校化學(xué)工程及工藝專業(yè)（本科）的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是研究化學(xué)工業(yè)和其他化學(xué)類型工業(yè)生產(chǎn)中混合物的分離與提純的一門工程學(xué)科。分離工程課是以化工熱力學(xué)、化工過程與設(shè)備、化工過程分析與合成、化學(xué)反應(yīng)工程為先修課程。本課程內(nèi)容包含了絕大多數(shù)傳質(zhì)分離單元操作，如：精餾、吸收、特殊精餾、吸附、結(jié)晶及膜分離等操作；介紹了傳質(zhì)分離過程中地簡捷法計(jì)算和嚴(yán)格法計(jì)算：如多組分精餾的氣液平和計(jì)算、液液平衡及多項(xiàng)平衡計(jì)算，并介紹了一些有重要應(yīng)用前景的新型分離過程如超臨界流體萃取、反膠團(tuán)萃取等。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)掌握各種常用分離過程的基本理論，操作特點(diǎn)，簡捷和嚴(yán)格的計(jì)算方法和強(qiáng)化改進(jìn)操作的途徑，對一些新分離技術(shù)有一定的了解[1]。課程一方面揭示了分離過程中所涉及到的基本原理特性，如相平衡常數(shù)概念、泡露點(diǎn)溫度的計(jì)算、多組分精餾、特殊精餾、化學(xué)吸收等分離過程的流程分析及簡捷法計(jì)算等；另一方面著重培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，如化工工業(yè)上最佳分離手段的選擇，設(shè)備設(shè)計(jì)的放大效應(yīng)及最優(yōu)操作條件等[2]。本論文圍繞教學(xué)方法的改進(jìn)、工程意識的強(qiáng)化兩方面提出了幾點(diǎn)體會，旨在培養(yǎng)既有理論又有實(shí)踐的復(fù)合化工人才以滿足社會的需要，同時(shí)更好地符合了教育部化工專業(yè)認(rèn)證的課程建設(shè)要求。

1 “分離工程”課程教學(xué)中目前存在的問題

（1）課程知識點(diǎn)多，內(nèi)容廣泛，傳統(tǒng)教學(xué)方法單調(diào)枯燥，部分章節(jié)難以理解?！胺蛛x工程”課程涉及到化工原理、化工熱力學(xué)、化工設(shè)備及物理化學(xué)等基礎(chǔ)知識，計(jì)算過程復(fù)雜且多采用計(jì)算機(jī)編程解決。教師如采用純語言形式難以將化工流程及計(jì)算過程解析清楚，且同學(xué)們反映某些章節(jié)難以理解，學(xué)習(xí)興趣不高。如在介紹多組分多級分離的嚴(yán)格法計(jì)算時(shí)，單純利用手工計(jì)算完成章節(jié)教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)效果差，學(xué)生理解起來較為困難，且與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。我們通過教學(xué)方法的改進(jìn)，并引入Aspen plus語言到課程教學(xué)中去，有效地解決了以上問題。

（2）理論教學(xué)多，實(shí)踐環(huán)節(jié)少。“分離工程”課程旨在提高學(xué)生的工程意識和解決實(shí)際問題的能力，實(shí)際教學(xué)中，受教學(xué)學(xué)時(shí)或條件的限制，跟分離工程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)只安排了汽液平衡數(shù)據(jù)的測定、膜分離等實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐環(huán)節(jié)較少。因此，如何將工程意識貫徹到課堂的教學(xué)中去，是提高課堂教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 “分離工程”課程教學(xué)方法的改進(jìn)

2.1 豐富“緒論”部分內(nèi)容，引人入勝，逐步推進(jìn)

從“緒論”入手，結(jié)合日常工作、生活中碰到的分離案例，加以剖析，激發(fā)學(xué)生們地學(xué)習(xí)興趣，并以此為據(jù)點(diǎn)，深入探討，教學(xué)內(nèi)容引入入勝、環(huán)環(huán)相扣。如第一章緒論部分中分離過程的重要性引出時(shí)，筆者指出分離操作與我們?nèi)粘Ｉ罹w論作為“分離工程”的開場白，它的重要性是不言而喻的。如何讓學(xué)生對“分離過程”產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，老師設(shè)計(jì)安排好緒論部分的課堂內(nèi)容顯然是至關(guān)重要的。在緒論中，筆者在介紹學(xué)習(xí)分離過程的重要性時(shí)指出分離操作與我們?nèi)粘Ｉ?、工作密不可分，?qiáng)調(diào)分離操作在化工生產(chǎn)應(yīng)用中的重要性，激發(fā)同學(xué)們學(xué)習(xí)的興趣。分離操作歷史悠久，古代的曬鹽、冶金、香料提取、天然飲料和藥物生產(chǎn)及果酒生產(chǎn)等都是最早的分離操作。工業(yè)上粗油的精制也是分離過程，通過常壓分餾產(chǎn)生了石油氣、汽油、煤油、柴油、潤滑油和重油。重油繼續(xù)通過減壓分餾得到凡士林、石蠟和瀝青一系列產(chǎn)物。再比如，人體的腎臟就是一個(gè)完美的分離器。血液和廢物從動(dòng)脈進(jìn)入腎臟，在腎臟內(nèi)分離，分離后干凈的血液從靜脈流出，而廢液從輸尿管流出。由于學(xué)生們大多比較關(guān)心健康的問題，這里筆者給大家介紹了一個(gè)科普小常識：正常成年人的一天飲水量應(yīng)該是2500~ 3000 mL左右，飲水量太少會影響毒素的排出，飲水過多同樣會增加腎臟的負(fù)擔(dān)，引起了大家的熱烈討論，大大激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步探討，精餾過程、腎臟等是如何實(shí)現(xiàn)分離的？可以用來分離什么？分離時(shí)所需要的溫度、壓力等參數(shù)為多少？這種逐步推進(jìn)的辦法，引起了同學(xué)們地學(xué)習(xí)興趣，并為后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)埋下了鋪墊。

2.2 采用多媒體課件與板書相結(jié)合的教學(xué)方式

在課程的教學(xué)中，我們統(tǒng)籌安排，采取多媒體課件與板書合理結(jié)合的方法，以提高教學(xué)效率和課堂教學(xué)效果。如在介紹主要的膜分離過程[3]：微濾、超濾、納濾、反滲透時(shí)，這四種膜分離過程都是以壓差為推動(dòng)力，區(qū)別在于所用膜的孔徑大小不同，因此用來分離的對象也不同，所能承受的壓力也不同。為了更好地比較這四種膜分離過程的異同點(diǎn)，加深同學(xué)們的理解，我們采用多媒體課件，引入flash動(dòng)畫，異同點(diǎn)一目了然；在進(jìn)一步介紹反滲透機(jī)理時(shí)，我們也同樣采用多媒體課件，利用圖譜深入淺出地闡述了這個(gè)概念，如圖1所示。而在介紹相平衡常數(shù)的計(jì)算、閃蒸方程及芬斯克方程式時(shí)，我們則采用板書的方式，引導(dǎo)同學(xué)們和教師一起一步步完成公式的推導(dǎo)，而不是死記硬背公式。

圖1 滲透和反滲透現(xiàn)象

2.2 由傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)轉(zhuǎn)為“研討式”教學(xué)

我們改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，不再單一得由一系列現(xiàn)象歸納出對應(yīng)的結(jié)論，而是引入"陷阱"式教學(xué)方法，先提出問題，引起同學(xué)的思考和討論，從錯(cuò)誤的結(jié)論中尋找出正確的答案，加深了學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解和記憶。同時(shí)，為進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我們在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入“研討論壇”。即將全班同學(xué)分組，組員有3-5人構(gòu)成，每小組針對課程教學(xué)中地重點(diǎn)、難點(diǎn)或不懂的地方、或有質(zhì)疑的地方展開討論，并將小組討論的問題、答案及支撐答案的依據(jù)制作成一組PPT，做課堂匯報(bào)。這種“研討式”教學(xué)模式一來極大地調(diào)動(dòng)了同學(xué)們的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生們普遍反映探討過程中受益頗多；二來也便于教師及時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)中的問題，在以后的教學(xué)中有所改進(jìn)。學(xué)生研討的課題節(jié)選列舉如表1所示。

表1 課堂研討主題統(tǒng)計(jì)表

2.3 嘗試將Aspen plus語言應(yīng)用到課程教學(xué)中去

Aspen plus是一個(gè)通用的過程流程模擬系統(tǒng)，用于計(jì)算多組分精餾、吸收等穩(wěn)態(tài)過程的物料平衡、能量平衡、設(shè)備尺寸及進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià)，是迄今為止功能最強(qiáng)大、最可靠的過程模擬軟件，并作為一種教學(xué)和科研的主要工具為高校廣泛使用。Aspen plus在本課程的教學(xué)功能主要包括如下幾個(gè)方面：（1）通過簡便組合，繪制單元操作設(shè)備和過程流程圖；（2）開展穩(wěn)定的嚴(yán)格精餾模擬計(jì)算，可處理雙液相精餾、反應(yīng)精餾、萃取精餾、耦合精餾等。（3）完善的物性計(jì)算，包括相平衡、傳遞性質(zhì)計(jì)算，可用于精餾等分離單元設(shè)備的設(shè)計(jì)；（4）準(zhǔn)確龐大的純組分、水溶液、固體及二元組分混合物數(shù)據(jù)庫。

如Aspen plus中單元操作DSTWU可對單一進(jìn)料兩出料精餾塔進(jìn)行簡捷設(shè)計(jì)計(jì)算。給出平衡級數(shù)，可得到回流比；給出回流比，可得出理論板數(shù)。同時(shí)也可得到最佳進(jìn)料位置和再沸器及冷凝器熱負(fù)荷。利用DSTWU還可得到回流比與理論級數(shù)關(guān)系曲線及表格，用此單元操作得到嚴(yán)格計(jì)算初值。RADFRAC單元操作可用于嚴(yán)格多級氣液分離，特別適用于三相、寬沸程和窄沸程以及液相強(qiáng)非理想性體系，可對以下操作進(jìn)行嚴(yán)格模擬：吸收、再沸吸收、氣提、再沸氣提、萃取精餾和共沸精餾等。如介紹甲基叔丁基醚催化反應(yīng)精餾時(shí)，我們采用軟件教學(xué)，如圖2所示，簡化了計(jì)算過程，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，課堂教學(xué)效果好。

圖2 甲基叔丁基醚催化反應(yīng)精餾模擬圖[4]

3 理論聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)化工程意識

3.1 將工程意識貫徹到每節(jié)課的教學(xué)中去

教育部2006年啟動(dòng)的化工專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)里明確要求：要加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新 能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)際能力和創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。分離工程是一個(gè)工程實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，工程意識的培養(yǎng)是個(gè)潛移默化的過程，教師授課過程中時(shí)刻注意從工程的觀念來分析解決問題，有助于提高學(xué)生們地工程素養(yǎng)。課程教學(xué)中，不僅注重滲透工程意識、工程思維，講授工程技術(shù)方法，而且在教學(xué)過程中將大量本專業(yè)所取得的工程類科研成果作為教學(xué)案例,將工程訓(xùn)練元素融入課堂，結(jié)合課程大作業(yè)、課程設(shè)計(jì)等多種形式，加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的訓(xùn)練。教學(xué)內(nèi)容適時(shí)結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)裝置，運(yùn)用工業(yè)生產(chǎn)中的分離裝置，如介紹板式精餾塔、填料式精餾塔的選擇，常壓塔、加壓塔、減壓塔的選擇，不同分離裝置的耦合、反應(yīng)裝置與分離裝置的耦合等，這種方法一方面拓展了同學(xué)們對于課本知識的學(xué)習(xí)，另外也強(qiáng)化了學(xué)生們工程思維能力的訓(xùn)練。再比如在介紹萃取精餾時(shí)，分離甲醇和丙酮的最低共沸物，可以選擇甲醇的同系物乙二醇或乙醇作為萃取劑。那么工業(yè)選擇時(shí)，會優(yōu)先考慮哪種？為什么？這里主要考慮乙二醇沸點(diǎn)更高造成塔釜溫度高，能耗更大，因此選擇乙醇更復(fù)合成本經(jīng)濟(jì)的需求。再比如介紹膜分離時(shí)，除了介紹膜的基本傳質(zhì)機(jī)理外，更要引起同學(xué)們對于膜組件工業(yè)應(yīng)用上存在問題的探討。是選擇管式還是板框式？膜組件如何清洗？膜壽命多長？通過這些問題的提出來強(qiáng)化工程教育在課程中的滲透。

3.2 引入 “專業(yè)實(shí)驗(yàn)-生產(chǎn)實(shí)習(xí)-科學(xué)研究-課程設(shè)計(jì)”相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式

作為一門工程類學(xué)科，實(shí)踐環(huán)節(jié)不僅必不可少且尤為重要[5]。我們初步探討了一種“專業(yè)實(shí)驗(yàn)-生產(chǎn)實(shí)習(xí)-科學(xué)研究-課程設(shè)計(jì)”相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式。通過專業(yè)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、動(dòng)手操作及問題的解決來強(qiáng)化同學(xué)們對于課堂知識及概念的理解，并爭取做到專業(yè)實(shí)驗(yàn)與課程同步，更好地起到相輔相成的作用；另外，我們組織同學(xué)們參與工廠實(shí)習(xí)，了解分離流程在工業(yè)操作中地實(shí)際應(yīng)用及存在的問題，讓同學(xué)們把課堂疑問帶入工廠，再把工廠疑問帶回課堂討論。如我們組織同學(xué)們到安慶石化集團(tuán)實(shí)習(xí)，組織石化集團(tuán)的技術(shù)人員與學(xué)生們交流，學(xué)生們學(xué)習(xí)了原油分離的基本操作，對精餾塔、吸收塔等裝置有了更直觀的理解。此外，我們鼓勵(lì)學(xué)生參與大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，申報(bào)與分離技術(shù)相關(guān)的課題。通過一些簡單創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的課題提出、文獻(xiàn)調(diào)研及實(shí)驗(yàn)操作等環(huán)節(jié)，提高學(xué)生們的分析問題能力及動(dòng)手解決問題的能力。最后，通過課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生們對于所學(xué)知識總結(jié)、綜合應(yīng)用和提煉的能力。如課程設(shè)計(jì)以年產(chǎn)量3.0萬噸二甲醚分離裝置精餾工段的設(shè)計(jì)為依據(jù)，是一個(gè)多組分分離的綜合設(shè)計(jì)，涉及到精餾塔的選擇、塔頂冷凝裝置采用全凝器還是分凝器，回流比如何控制，塔釜加熱方法等條件的選擇，并通過嚴(yán)格法計(jì)算得出理論板數(shù)，塔效率，實(shí)際板數(shù)，進(jìn)料位置，在板式塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算中得出塔徑，有效塔高，篩孔數(shù)。實(shí)踐四環(huán)節(jié)相互促進(jìn)，共同發(fā)展。

4 結(jié)語

本文通過多種教學(xué)方法和教學(xué)手段的改進(jìn)如采取多媒體課件與板書相結(jié)合的教學(xué)方式及引入 “研討式”教學(xué)理念，嘗試將Aspen plus語言引入課堂教學(xué)，并輔以理論聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)化工程意識的教學(xué)改革，提出了“專業(yè)實(shí)驗(yàn)-生產(chǎn)實(shí)習(xí)-科學(xué)研究-課程設(shè)計(jì)”相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于學(xué)生工程意識和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，為復(fù)合型化工人才的培養(yǎng)奠定了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)更好地符合了教育部化工專業(yè)認(rèn)證的課程建設(shè)要求。

[1]劉家祺.分離過程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]姜忠義.把握分離過程發(fā)展趨勢 搞好分離過程課程教學(xué)[J].化學(xué)工業(yè)與工程，2005(22)：52-55.

[3]J.D.Seader.Separation Process Principles[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[4]盧澤湘.Aspen Plus在《分離工程》教學(xué)中的應(yīng)用[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào):哲學(xué)社會科學(xué)版，2010（13）：106-108.

[5]葉慶國.分離工程精品課程的建設(shè)與實(shí)踐[J].化工高等教育，2011（3）：23-29.

[6]楊艷.談“三結(jié)合”教學(xué)方法在生物分離工程課程教學(xué)過程中的探索與實(shí)踐[J].化工高等教育，2012（2）：105-108.

[責(zé)任編輯：余義兵]

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1674-1104(2013)06-0138-03

2013-10-18

綠色高分子材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金資助（KF2012005），安徽大學(xué)2012年校級教學(xué)研究項(xiàng)目（JYXM201244）。作者簡介:胡大喬（1982-），女，安徽桐城人，安徽大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院講師，博士，主要從事光電功能材料方向的研究及應(yīng)用。