化工原理是高校化学工程与工艺及其相近专业必修的重要专业基础课程, 是大学基础课与专业课的桥梁和纽带, 是真正把学生从“理科”领入“工科”, 使其成为化工技术人才的核心课程[1,2]。
但是, 由于学时压缩、实训环节安排在课程之后等原因, 绝大部分学生接触化工原理前没有任何工程概念, 对其中的理论推导、数据关联等均觉得艰涩难懂、无法短时间内消化;另一方面, 面对日新月异的科技手段更新换代, 传统手工计算、画图的繁杂劳动, 也使得学生对课程产生了排斥心理。针对这一现象, 如何使用现代化的教学手段把真实的现代化化学工业过程展示在学生面前, 化难为简, 如何体现现代化仿真模拟过程的先进性, 从浅入深, 激发学生学习兴趣, 培养其综合分析问题和解决问题的能力, 成为我们最为关注的焦点。
1 利用多媒体进行案例教学, 建立直观印象
化工原理是一门理论与实践紧密结合、工程实践性极强的课程。学生普遍对教学内容中大量公式、概念记忆困难, 对各类设备、零部件具体结构等更是云里雾里, 因此, 采用电子课件、实物图片、仿真动画、实况录像等多媒体信息来辅助教学[3], 成为教学首选方法。笔者结合多年教学经验总结了几点体会:
1.1 合理把握教学进度, 突出重点
虽然多媒体教学可以大幅度提高教学效率、拓宽学生视野、极大的调动学生学习积极性, 但信息量过大、进度过快是教学过程中容易出现的一大诟病。究其原因不外乎两点, 其一:课件质量不高, 叙述性语言过多或者色彩、字体、动画效果等搭配不妥, 学生看不清或抓不住重点;其二:因为短学时教学计划而赶进度, 虽然课件内容丰富但每页均一闪而过, 学生无法理解消化。因此, 作为教师应该针对性的在课件设计制作过程中重视视觉效果的突出把握, 在内容准确的基础上尽量做到页面的美观、动画播放适宜。另外, 教师应把握教学过程中知识结构的重点和难点, 讲解中不仅需区分语速语调, 并且适时停顿或提问, 留出时间等待学生理解吸收并给予反馈, 可以在每章结尾梳理本章知识点再次突出重点。总之, 灵活掌握多媒体应使得学生在视觉、听觉、思维三个方面都有重点可抓, 做到“劳逸结合、张弛有度”。
1.2 使用实例应深入浅出, 从生活常识谈起
多数多媒体课件中采用的图片、动画均为课程涉及内容[4], 但对于刚接触化工原理的学生来说仍然没法一下子接受, 因此使用日常实例[5], 从生活经验谈起, 引起学生兴趣后进而阐述工程概念, 可以达到很好的教学效果。同时, 将最新的科学概念、研究方法、应用技术、科研成果引入到教学中, 不仅可以丰富教学内容, 扩展学生的知识面, 同样也可以激发学生对科学研究的兴趣。
2 将先进过程模拟软件融入教学环节, 加强整体观念
现今的化工技术日新月异, 当前的过程模拟与优化已是众多化工科研开发、设计计算、生产装置核算、操作条件优化、装置操作瓶颈分析及节能潜力论证等工作的基本工具。如果在化工原理课程中引入过程模拟软件, 不仅能帮助学生加深对于单元过程的理解、提高课程设计中的准确性和效率, 而且有助于增强学生建模和程序设计能力。另一方面, 从课程性质来看, 化工原理兼有基础课和专业的特点, 本身需要综合运用物理、化学、数学等自然科学基本原理, 如质量守恒、能量守恒、平衡关系等, 研究各化工单元操作的基本原理、典型设备的构造及工艺尺寸的计算或造型, 要求学生能用以分析和解决工程技术中的一般问题, 其“承前启后”特性可见一斑。因此培养学生的整体观念, 让学生明白所有设立的课程都是今后工作中的必要知识储备就尤为重要。建议可以进行如下两方面工作:
2.1 将操作型问题引入教学环节, 提高教学质量
以美国Aspen Tech公司的Aspen Plus为例, 国内以有多家高校将其引入了化工原理的教学过程, 均取得了良好的教学效果[6]。Aspen plus是一款功能强大的通用商业过程软件, 该软件经过近30年的不断地改进、扩充和提高, 目前的版本配有完备的物性模型和全面的单元操作模型, 并且具有方便直观的数据输入输出接口, 可广泛用于各种流程的模拟计算。我们可以利用其中的完备的流体输送泵Pump和压缩机Compr、加热器Heater和换热HeatX、闪蒸flash2和精馏Radfrac、旋风分离Cyclone和连续转筒过滤Filter等几十种模块, 对于化工原理理论教学中复杂的操作型问题给予定量计算分析, 可以列出数据并绘制关系曲线。这相较于传统教学中对于操作型问题的定性分析而言, 学生的记忆度更高, 更容易理解消化。例如要求学生分小组讨论:在精馏过程中不同回流比、不同进料状况或者进料板位置、产品流率等因素对塔顶产品浓度的影响, 教师使用Radfrac精确计算的精馏模块中的敏感性分析工具, 对相关因素进行分析模拟, 获得一系列关系曲线, 让学生将定性分析与直观的关系图形对比, 加深对精馏过程的理解。
2.2 将设计型问题引入课程设计环节, 提高学生工程技术素质
同时兼具动量传递、热量传递和质量传递的精馏过程向来是各校化工原理课程设计经典课题, 但是混合物系的物性难于查找, 且计算过程一旦出错就需要重复劳动, 因此在绝大部分化工原理课程设计选题都为水-乙醇体系或者苯-甲苯等简单体系, 与实际工业过程相差甚远。若在传统手工计算设计的基础上, 将Aspen Plus应用于化工原理课程设计, 可以有效解决物性难查找的问题, 拓宽教师的选题范围, 克服物料衡算和能量衡算中繁琐的计算, 有效提高学生的计算的准确性和效率[7-8]。同时, 结合手工初算后使用Aspen Plus模拟软件可以进行操作条件进一步优化和设备核算, 这对学生掌握内部设计思想、巩固化工原理理论知识大有好处, 而且培养了学生的工程意识, 为学生将来使用该类软件打下了良好基础。
为了在具体实施过程中更突出流程整体观念的培养, 笔者在化工原理课程设计环节中拟定了以下三个步骤。首先在初次教授软件使用时, 让学生练习在Aspen Plus中使用不同热力学方法、收敛方法, 或使用简捷精馏DSTWU和精确精馏计算Radfrac模块等对同一过程进行计算, 分析各类方法区别, 引导学生去体会高等数学、数值分析、物理化学、化工热力学等等;其次, 设计中要求用精确计算的Radfrac模块学生对进料板位置、回流比等参数进行敏感性分析确定最优工艺条件, 而后进行精馏塔具体结构设计并校核, 使学生掌握精馏过程各类操作条件、设备结构尺寸及布置等因素对精馏过程的影响;最后, 加强化工原理课程中涉及的各个单元操作之间的联系, 把动量传递和热量传递的简单模块也纳入设计过程, 添加原料输送pump模块和塔顶换热器Heatx模块, 要求学生按照计算数据选用标准设备并进行校核, 让学生对计算-选型-校核的设计思路加深印象。可以预见, 通过将过程模拟软件引入整个课程设计过程, 可使课程更贴合实际化工过程, 提高学生计算效率, 巩固多个学科的理论知识, 激发学生的创新思维, 促进整体观念和工程观念的树立, 在极大程度上提高了课程教学质量、满足人才培养要求。
摘要：通过对化工原理课程特点和存在问题的分析, 结合多年教学经验, 笔者提出了在化工原理课程的理论教学、课程设计环节中使用多媒体、过程模拟软件等现代化技术手段, 以激发学生学习兴趣、提高教学质量。文章特别提出了将AspenPlus软件引入化工原理教学实践的整体思路, 不仅可以帮助学生巩固理论知识, 更有利于培养学生工程思维与意识, 增强学生工程业务素质。
关键词：化工原理,实例教学,Aspen Plus
参考文献
[1] 夏清, 陈常贵.化工原理[M].天津大学出版社, 2005
[2] 许林妹.化工原理教学中的工程特色[J].江南大学学报 (教育科学版) , 2009, 29 (1) :78-80
[3] 刘军海, 李志洲, 付蕾等.化工原理多媒体教学的几点思考[J].技术与市场, 2010, 17 (1) :44-45
[4] 刘元伟, 贾冬梅.化工原理课程案例教学方法的初探[J].广东化工, 200926 (8) :266-267
[5] 谭淑娟, 薛建军.生活中的化工原理[J].高校教育研究, 2008, 16:156
[6] 孙兰义, 张月明, 李军等.Aspen Plus在化工原理课程设计教学中的应用[J].广东化工, 2009, 26 (12) :173-175
[7] 王彩红, 林雄超, 董敏等.Aspen Plus在化工实验教学和科研中的应用[J].化工时刊, 2009, 23 (6) :73-75