韶暉，孫雪妮，王俊

常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇 常州213164

化工原理是化工類的專業(yè)基礎(chǔ)課，是在完成數(shù)學(xué)、物理、四大化學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等先導(dǎo)課程學(xué)習(xí)后，進(jìn)入工程專業(yè)課學(xué)習(xí)前的必修課程，承擔(dān)著工程科學(xué)與工程技術(shù)的雙重教育任務(wù)?；ぴ碚n程以化工生產(chǎn)中的單元操作為主要內(nèi)容，分析和解決化工過程中“三傳”理論的基本原理、工藝計(jì)算、能量衡算及過程強(qiáng)化，并進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型。一直以來，化工原理教學(xué)強(qiáng)調(diào)的是原理的講解、模型的推導(dǎo)、過程的計(jì)算和設(shè)備的選型。因此，教師在課堂中起著主導(dǎo)作用，而學(xué)生的主觀能動性發(fā)揮有限。但作為化工類本科生進(jìn)入工程領(lǐng)域的敲門磚，化工原理具有工程實(shí)踐性強(qiáng)、注重應(yīng)用等特點(diǎn)，在掌握基礎(chǔ)知識的同時(shí)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念以及分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。

研究型教學(xué)的思想源于洪堡最早提出的“教學(xué)與研究相統(tǒng)一”的大學(xué)教學(xué)原則[1]。1998年，美國博耶委員會在其研究報(bào)告中明確指出，要將研究型教學(xué)作為本科教學(xué)的要求[2]。近年來，研究型教學(xué)也受到了我國高等教育界的重視。清華大學(xué)汪勁松等[3]認(rèn)為，實(shí)施研究型教學(xué)體現(xiàn)的是“研究型教學(xué)過程化”。研究型教學(xué)采用自主探究的教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。在教學(xué)過程中，學(xué)生處于主導(dǎo)地位，自主參與教學(xué)活動，教師不再是“圣壇上的講道者”，而變成了真正的“授業(yè)解惑者”。將研究型教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在思索中發(fā)現(xiàn)問題，在探究中尋求答案。

本文從化工原理課程的特點(diǎn)出發(fā)，以單元操作為根本，以研究型課題為導(dǎo)入點(diǎn)，學(xué)生通過翻轉(zhuǎn)課堂，由淺入深，從日常生活到生產(chǎn)實(shí)踐，呈現(xiàn)對問題的解決過程。并將課程設(shè)計(jì)融入到其中，提高學(xué)生的綜合能力和合作能力。

1 流體流動在生活中的體現(xiàn)

在學(xué)習(xí)化工原理課程之前，學(xué)生較少涉及工程問題。美國教育家杜威主張“教育即生活”，提出了“以生活化和活動教學(xué)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的課堂教學(xué)，以切身體驗(yàn)代替書本知識”的教學(xué)方法[4]。針對學(xué)生看到“化工”“原理”字眼為難的情緒，在學(xué)習(xí)第一章“流體流動”單元操作后，我們做了第一個(gè)研討課題“流體流動在生活中的現(xiàn)象”。對于這次課題，學(xué)生表現(xiàn)出極大的興趣，例舉出的生活實(shí)例很豐富。例如：有一組學(xué)生做了《伯努利方程在香蕉球中的應(yīng)用》研究報(bào)告。首先，他們以1997年巴西后衛(wèi) Carlos一腳 35米任意球遠(yuǎn)射，踢出漂亮的香蕉球?yàn)楸尘埃岢隽恕跋憬肚蚴窃趺磥淼哪?？”的問題。接著學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)分析了球受力的作用線(見圖1)，并進(jìn)行了具體的計(jì)算：假設(shè)罰球員距球門12 m，球在空中運(yùn)動時(shí)間為2 s。此時(shí)，空氣流速約為2 m·s?1，球的轉(zhuǎn)速設(shè)為5 r·s?1，足球重0.45 kg，半徑為0.11 m。由伯努利方程求出香蕉球的橫向漂移量為1.72 m。之后，這組學(xué)生將分析和計(jì)算過程寫成了一篇論文，并做好PPT，以翻轉(zhuǎn)課堂的形式進(jìn)行展示：由實(shí)例引出問題，利用伯努利方程解決問題。匯報(bào)完后，聽課的同學(xué)與講課同學(xué)之間進(jìn)行交流或討論。

圖1 球受力的作用線

再比如學(xué)生針對“一米安全線”進(jìn)行研討。學(xué)生設(shè)定參數(shù)：“復(fù)興號”車長439.9 m，車高3.7 m，乘客身高1.8 m，體重70 kg，通過伯努利方程分析得到，當(dāng)列車以250 km·h?1的速度行駛時(shí)，乘客將受到104千克力的作用力將其推向列車。為了保證乘客的安全，才有站臺設(shè)置安全線。此外，學(xué)生還就“船吸現(xiàn)象”、賽車的“擾流板”、飛機(jī)的“翼型升力”、噴水壺等展開了分析。

通過“流體流動在生活中的體現(xiàn)”的研討課題，采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理的興趣，讓他們了解化工原理不僅僅存在于化工中，在生活中處處可見。

2 非均相分離在工業(yè)中的應(yīng)用

在第一次研討課的基礎(chǔ)上，我們在“非均相物系的分離”單元操作學(xué)完后，設(shè)置了第二次的研討課題“非均相分離在工業(yè)中的應(yīng)用”。非均相物系分離的單元操作比較多，書上介紹的有：沉降、過濾和流態(tài)化。學(xué)生查閱文獻(xiàn)后，呈現(xiàn)的應(yīng)用較為廣泛。一組學(xué)生查閱了碳酸氫銨的生產(chǎn)工藝流程(見圖2)：氨水和二氧化碳在碳化塔中反應(yīng)，生成含有碳酸氫銨的懸浮液。該過程中采用了三種非均相物質(zhì)分離的設(shè)備：轉(zhuǎn)鼓式離心機(jī)、旋風(fēng)分離器和袋濾器，進(jìn)行逐級分離。轉(zhuǎn)鼓式離心機(jī)分離得到的是粗品，旋風(fēng)分離器得到的是純品，袋濾器是對排出氣體中的碳酸氫銨微小顆粒進(jìn)行過濾。通過文獻(xiàn)的查閱和工業(yè)流程的分析、闡述，臺上和臺下的學(xué)生對三種非均相物質(zhì)分離設(shè)備的作用和效果加深了了解。又如，啤酒生產(chǎn)中多處采用液體袋式過濾器，對CIP (Clean in place)用水、糖化用水、洗瓶水、沖瓶水和灌裝機(jī)沖洗水等進(jìn)行過濾，以去除顆粒雜質(zhì)。還有學(xué)生分析在硝酸氧化醇酮合成己二酸的過程中，采用增稠器將己二酸晶漿中部分母液抽出，己二酸顆粒被攔截，為離心機(jī)提供合適的進(jìn)料濃度。此外，餐飲油水的處理，高密度鉆井液中氣液的分離，水力旋流器在煙氣脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用，濾餅洗滌在檸檬酸生產(chǎn)中的應(yīng)用，火力發(fā)電廠靜電除塵器，凈水器、空氣凈化器等等都有分析。

圖2 碳酸氫銨流程示意圖

“非均相分離在工業(yè)中的應(yīng)用”研討課題，不僅鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力，在掌握基礎(chǔ)知識的同時(shí)，更主要的是培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念、了解工程的實(shí)踐性。

3 工業(yè)流程的分析，課程設(shè)計(jì)的融入

《化工原理》下冊的學(xué)習(xí)內(nèi)容以傳質(zhì)與分離為主。學(xué)生選擇的課題多種多樣，如采用變壓精餾分離四氫呋喃和水、通過分子蒸餾工藝提取較高純度的天然維生素 E、采用變壓吸附技術(shù)從甲醇弛放氣中回收氫氣及富碳?xì)狻⒙人徕c真空冷卻結(jié)晶工藝、膜分離技術(shù)在乳品中的應(yīng)用等。我們要求學(xué)生在分析工業(yè)流程時(shí)，不僅要說明產(chǎn)品的用途、生產(chǎn)的流程和設(shè)備，還將課程設(shè)計(jì)融合其中，對塔設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如，環(huán)丁砜萃取精餾的工藝：以環(huán)丁砜為溶劑，通過萃取精餾塔將非芳烴從塔頂分離出來；塔底富溶劑則送入溶劑回收塔，通過減壓精餾進(jìn)行芳烴與溶劑的分離?；厥账壮鰜淼沫h(huán)丁砜貧溶劑，送入萃取精餾塔頂部循環(huán)使用，而塔頂?shù)漠a(chǎn)品通過精餾塔得到高純的苯和甲苯。結(jié)合該工藝流程(圖3)，我們要求學(xué)生設(shè)計(jì)第三個(gè)用于分離苯-甲苯的連續(xù)篩板式精餾塔。給定設(shè)計(jì)任務(wù)：處理量5萬噸/年，進(jìn)料苯含量40% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))；產(chǎn)品要求：塔頂含苯量為98%，塔釜含苯量為2%。再例如，活化熱鉀堿溶液脫除CO2：采用K2CO3為吸收劑，添加活性劑(如二乙醇胺)、緩蝕劑(V2O3)等形成混合吸收劑，通過吸收塔脫除CO2。為了合理利用吸收劑，節(jié)約生產(chǎn)成本，吸收塔形成的富液經(jīng)解吸塔加熱，進(jìn)行解吸形成貧液，循環(huán)利用吸收溶液。學(xué)生可以對吸收塔和解吸塔進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 環(huán)丁砜萃取精餾工藝流程

將“塔設(shè)備”課程設(shè)計(jì)融入到化工原理課程的教學(xué)中，提高了學(xué)生對理論知識的綜合應(yīng)用能力，對學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)起到了重要的作用。

4 結(jié)語

通過翻轉(zhuǎn)課堂，實(shí)施化工原理研討式教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，鍛煉學(xué)生的自主能力、團(tuán)隊(duì)合作和工程應(yīng)用能力，加深學(xué)生對工程過程的多樣性和復(fù)雜性的了解，以及對實(shí)際化工過程的認(rèn)識。另外結(jié)合課程的特點(diǎn)，將課程設(shè)計(jì)融入課程學(xué)習(xí)，深化知識應(yīng)用、拓展教學(xué)內(nèi)容、對培養(yǎng)學(xué)生工程能力起到重要的作用。