以工程设计为主导思想 培养学生工程设计能力

２ＯＯ６年第６期　山东教育学院学报　总第１１８期　以工程设计为主导思想　培养学生工程设计能力　倪献智　（济南大学化学化工学院，　山东　济南　２５００２２）　摘要：化工原理课程是一门利用自然科学的原理研究实际化工过程中的基本规律，得到多种重要的工程理论和工程方法　的技术基础课程。在谊课程教学中。以工程设计为指导思想，突出工程理论和工程问题的分析，对于培养学生的工程设计能力　和专业素质，是非常重要的。　关键词：化工原理；教学；工程理论；工程设计　中图分类号：Ｃ６４２．４　文献标识码：Ａ　文章编号：ｌ００８—２８１６（２０ｏ６）昕—０１３　３　科学技术研究成果的工业化，需要大批具有专业知识　为一体，融传授知识、培养能力、提高素质为一体，在对学生　的高素质人才去进行设计、制造、施工、运行和管理。科学、　传授现代化工理论与技术的过程中，培养学生的工程思想、　技术与工程之间的关系日益密切，其愈加呈现出综合化、整　工程观念、工程能力，塑造其业务素质。教学中要做到思想　体化的发展趋势。因此，对未来工程师的能力和素质提出　性与科学性的统一，以辩证唯物主义的立场、观点和方法指　了全新的要求。教育必须适应时代发展的需求。立足于科　导整个教学过程。　技和文化发展的前沿，应随时以崭新的教育思想、教育理　在分析工程问题时注意工程问题的客观实际性。在基　念、教学内容和方法进行教学。课程教学是教学工作的基　础理论课程中，从一个理论出发分析影响某一物理量的诸　本单元，提高教学质量具体应从每一门课程的教学人手。　因素时，学生会不分主次、不分实际与否地找出各种影响因　化工原理属于化工技术基础课程，该课程研究化工过　素和影响关系。但是，在应用工程理论分析实际工程问题　程中通用的基本规律，利用数学、物理和化学等基础科学理　时就不同了，在分析影响某一工程中物理量的各种因素时，　论研究分析各种化工单元操作的基本原理，得到工程理论，　首先要考虑实际可能性，再要善于分清主次，还要注意各因　研究典型化工设备的结构原理，研究得到进行工艺过程设　素之间的辩证关系。现举一工程实例，在通过传热实验测　计和设备设计的计算方法。化工原理在化工类各专业的教　定换热器的传热总系数　时，由实验数据计算传热总系数　学计划中起到承前启后、由理及工的“桥梁”作用，是从自然　是根据传热基本方程式　＝　进行的。如果要求学生　科学领域的基础课向工程科学的专业课过渡的入门课程。　，ｌ　ＬＩ‘ｍ　在该课程的教学中，以工程设计为指导思想，注重研究问题　分析在实验中影响　测定准确性的各因素的话，很多学生　时采用工程观点、工程方法和工程理论，利用多渠道对学生　就会围绕着传热基本方程式考虑问题，不分主次地罗列出　加强工程设计与计算的训练，对于培养学生的工程设计能　、　、ｔ　、ｔ：、ｑ…ｇ　２等因素。传热基本方程式是通过实验　力和专业素质，有着非常重要的意义。　数据反映换热器的传热总系数的一个方法。如果分析实验　一、化工原理教学中培养学生的工程意识　中影响　测定准确性的各因素的话，应该根据　的表达式　化工原理是一门由理及工的“桥梁”课程，因此，在课　１１＝　程的开始，教师就应做好这方面的引导和教育工作。化工　＋Ｒ　＋｝　＋Ｒ　筹＋　来分析，该式是从　原理教学内容的特点是通过研究分析各种化工单元操作的　根本上反映各影响因素的关系式，并非该式中的每个物理　个性，综合归纳它们的共性，阐述解决工程问题的方法论，　量都是工程中的变量因素。对于实验中某一确定的换热器　得到工程理论。注重从典型实例的剖析中提炼出若干重要　来说，仅有对流给热系数ａ　、ａ　是变量因素，因此，影响　的工程观点，培养学生综合分析与正确解决化工工程实际　ａ　、ａ　的变量因素就是影响　测定准确性的因素。再根　问题的能力。该课程融理论分析、工程实践、实验技术实践　据对流给热系数ａ的表达式可知，流体的流速（即流量）是　收稿日期：２０ｏ６—ｏ９—ｏ６　作者简介：倪献智（１９５９－Ⅱ），女，山东高唐人，教授。　维普资讯 http://www.cqvip.com

・１４０・　倪献智：以工程设计为主导思想培养学生工程设ｉ／－￣Ｉ￣力　２Ｏ０６年第６期　最敏感的影响因素。因此，对于上述问题，实验中的ｑ　、　口　是影响　测定准确性的关键因素。这样来分析问题，　注重了问题的客观实际性，使学生认识到哪些是表面关系　（或者纯数学关系）、哪些是本质关系，并且认识到同一台换　；（２）供液点应提供的势能，即ｚ．或Ｐ　。如果供液点的势　能由于客观条件的限制已无法改变，并且需要外加能量的　话，则需耍计算所需外加能量、￣ｌ，ｊＪｎ功率的数值，以为了选　择泵。如果选择离心泵，当然还应该进一步进行离心泵安　热器的换热性能参数　是因流体流量不同、操作条件不同　装高度的计算。典型的操作型命题如下。给定条件：（１）管　而变化的，从而建立起灵活的而非僵化的工程概念。　过程经济性分析是现代化工设计与生产的基本要求，　教学中突出过程经济性分析，是对于学生进行工程概念和　效益意识培养的重要环节。尤其在各单元操作技术中，工　艺参数取值与技术经济性有着内在的联系，例如：吸收操作　中的吸收剂用量；吸收操作中吸收剂入口含溶质的组成要　求；解吸操作中解吸气的用量；精馏操作中操作回流比；精　馏操作中进料温度；萃取操作中萃取剂的用量；下燥操作中　热效率分析等。工程过程中的经济性分析体现了辩证法思　想对于工程实际的指导作用。　二、教学中强调工程理论分清工程问题的性质　技术基础课程研究的核心问题就是应用基础科学理论　来分析描述实际工程问题，从而得到揭示工程过程客观规　律的工程理论以解决实际问题。因此，工程理论是技术基　础课程的研究结果和精髓。例如，流体定常态流动时的机　械能衡算式是进行工业管路分析及设计的重要工程理论；　范宁公式提供了解决管路中流体流动阻力损失的计算方　法；恒压过程方程式是进行恒压过滤设备分析及设计的基　本关系式；传热的基本方程式是进行换热器设计的基本方　法；填料层高度的计算式是进行填料塔分析及设计的重要　工程理论；确定理论塔板数的各种方法可为进行板式塔的　设计及分析提供理论工具。各个单元操作中都是通过对于　工程问题的阐述、理论描述或者实验研究，得到一种或多种　重要的工程理论。工程理论的重要性就体现在它的实用　性。在应用工程理论处理实际问题时，一定要明确工程理　论的应用条件。　表面看上去，实际工程中问题种类繁多。但是，根据问　题的已知条件和待求物理量来分析，实际工程中的多种问　题可以归纳为两大类，一是设计型问题，另一是操作型问　题。设汁型问题是指定了生产任务，在给定的某些生产条　件下，进行设备的主要工艺尺寸或者性能参数的计算。操　作型问题是在已有的设备中，在给定的某砦生产条件下操　作，进行所能够达到的生产操作结果的计算。现列举出重　要的单元操作中的设计型问题和操作型问题如　。　１、流体输送　流体流动及流体输送可谓是一项公用工程。以输送某　种液体为例，典型的设计型命题如下。给定条仲：（１）供液　流量，即ｑｔ＿；（２）供液点至需液点的距离，即总管长ｌ；（３）管　道材质及管件配置，即￡和∑　；（４）需液点的势能，即Ｚ，　和Ｐ：。选择条件为管内流速“（经济流速），中间变量为管　内流体摩擦因数　。求解物理量：（１）最经济合理的管径　径ｄ；（２）供液点至需液点的距离，即总管长ｌ；（３）管道材质　及管件配置，即￡和∑ｆ；（４）供液点可提供的势能，即ｚ，　或Ｐ　；（５）需液点的势能，即ｚ　和Ｐ：。求解物理量：可达　到的供液流量，即ｑ　。另一种操作型命题为：给定条件是　ｄ，ｑ　，Ｚ．（或Ｐ．），Ｚ２，Ｐ２，１，ｅ，∑ｆ，求解物理量为Ｐ．或　Ｚ．，即利用已有的管路完成规定的输送量，确定管路供液　点的条件。　２、沉降分离　多相混合物的分离在环境工程中十分重要。对于重力　沉降设备而言，以重力降尘室最为常见。设计型问题是给　定所要处理含尘气流的基本条件　ｐ、ｐｂ，所要除去的临界　颗粒粒径（１Ｔ　，取定颗粒沉降运动状态，计算所需要的总沉　降面积。若所需要的总沉降面积较小，则取单层降尘室，规　划其底面　寸；若所需要的总沉降面积较大，则规划取定降　尘室的长与宽，计算所需要的隔板层数。典型的操作型问　题是降尘室尺寸已经确定，并且已知含尘气流的基本条件　Ｐｐ，规定所要除去的临界颗粒粒释（１Ｉ　ｉ　，核算降生室的　处理能力ｑｖ能够达到多少；或着给定气体流量ｑ　，核算降　尘室所能除去的临界颗粒粒径Ｌｌ…。对于离心沉降设备以　旋风分离器最为常见，设汁型问题是规定了气体流量和所　要除去的临界颗粒粒径ｄ　的情况下，计算矩形进Ｌ－Ｉ宽度　也即确定旋风分离器的直径及其其他部位的尺寸。操作型　问题是在规定了所要除去的临界颗粒粒径ｄ　的情况下，　计算气体的进｜１速度及气体流量。对于旋风分离器的工程　计算问题来说，还应注意到阻力损失的大小。对于定型的　旋风分离器来说，阻力损失的值与气体的进１２１速度的平方　成正比，而与旋风分离器赢径的大小尤关。　３、传热　传热是化工中最常用的单元操作。传热问题中所要汁　算的物理帚较多，但最终由传热基本方程式以及热量衡算　式将各物理量联系起来。传热的设计型问题是，巾生产任　务确定了传热负荷量，由生产条件确定了冷却剂（或者加热　剂）的进口温度及出口温度，汁算所需要的冷却剂流量（或　者加热剂流量）和换热器的换热面积及主要尺寸。传热的　操作型问题中都是换热器的面积及主要尺寸，以及操作方　式已经确定，根据已知条件和待求量的刁　同，可分为两类。　第一类操作　问题是已知冷、热两流体的流量及进口温度，　计算冷、热两流体的…口温度；第二类操作　问题是已知热　流体（或者冷流体）的流量、进口温度、出Ｖ１温度，并且已确　定了冷流怵（或者热流体）的进口温度，计算冷流体（或者热　维普资讯 http://www.cqvip.com

总第１１８期　山东教育学院学报　・１４ｌ・　流体）的流量及出口温度。对于第一类操作型问题的求解，　论的研究基本上都是沿着设计型问题的思路展开的。因　传热单元数法是最有效的计算方法。　此，教学中突出工程设计的意识和思维过程，即强化设计型　４、气体吸收　问题，这既突出了各单元操作学习的目的性、有利于学生真　气体吸收是分离气体混合物的重要单元操作。设计型　正弄清各单元操作工程理论的来龙去脉、培养学生的工程　问题是已知吸收分离任务，即气体处理量、进口气体中溶质　设计能力，叉同时奠定了学生分析解决工程操作型问题的　组分的含量，规定了出口气体中溶质组分的含量，选择了吸　能力，故可谓是一箭双雕。　收剂，计算：（１）吸收剂的适宜用量；（２）填料层的高度；（３）　三、教学中对于学生加强工程设计能力的训练　填料塔的塔径。吸收的操作型问题与传热的操作型问题很　工程性课程的主要教学目的就是要对于工科学生加强　相似，也是分为两类。填料层高度、相关尺寸以及操作方式　理论联系实际的示范教育，培养学生的工程概念、工程意　均已确定，第一类操作型问题是气体流量、液体流量及其进　识、分析工程问题、解决工程问题的能力。培养工程业务素　口组成为已知，计算气体、液体的出口组成。第二类操作型　质。这种培养主要体现在如何应用工程理论，解决各类工　问题是已知气体的流量、进口组成、出口组成，并且已确定　程问题的教学过程和训练过程中。教师在备课时要建立起　了液体的进口组成，计算液体的流量及出口组成。对于第　这种观念，在授课的过程中，通过讲解、举例题、精选课后习　一类操作型问题的求解，吸收因数法是最有效的计算方法。　题，尤其是开展阶段性综合小设计课题训练等，强化对学生　５、液体精馏　工程理论应用能力的培养和工程设计能力、计算能力及文　液体精馏是分离液体混合物的重要单元操作。设计型　字表达、图面表达、语言表达综合能力的训练。课程小设计　问题是已知精馏分离任务，即原料处理量、原料组成，所要　应注意科学选题，设计课题应具有技术上先进、实用性强、　求分离产品的组成，计算：（１）分离产品的分配；（２）适宜的　训练性强的特点。　回流比；（３）理论塔板数及最适宜的进料位置；（４）实际塔板　笔者在教学过程中，通过对化学工程与工艺专业学生　数及实际进料位置；（５）塔径。操作型问题是已知塔板数及　进行这一教学模式的探索性实施，尤其是开展阶段性综合　塔的相关尺寸，在一定的原料加入量、原料组成、原料温度　小设计课题训练，学生反映大大激发了学习的兴趣，有效地　和其他条件下进行生产操作，计算所得分离产品的组成及　调动了学习的主观能动性，收获很大，明显地改善了课程的　塔内各层塔板上的物流组成分布情况。　教学效果。更有意义的是将可能对于学生热爱化学工程行　课程教学中，将各种工程问题给予分类，有利于培养学　业、立志于进行化学工程技术创新性研究设计等产生积极　生善于剖析问题，抓住问题的本质，从根本上找出解决问题　的引导作用。　的思路、方法和步骤的能力。课程中各种单元操作工程理　Ｔａｋｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｓ　Ｇｕｉｄｉｎｇ　Ｔｈｏｕｇｈｔ　Ｆｏｓｔｅｒｉｎｇ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ’　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｎｉ　Ｘｉａｎｚｈｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｒ￣ｅｒｉｎｇ，　ｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　’ｎａｎ　２５００２２，ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｅＯ１１．ｌＹ￣ｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂａｓｅ．Ｉｎ　ｈｔｅ　ｃｏｕｒｓｅ　ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｌａｗｓ　ｏｆ　ｒｅｌａ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｎ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａＩｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｎａｔｕｒａｌ　ｓｃｉｅｎｃｅｓ　ａｎｄ　ｈｔｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇｎ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ｇｏｔｔｅｎ．Ｄｕｒｉｇｎ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｈｔｅ　ｅｏｔ１ｒ．ｌ￣．ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｈａｔ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ａ８￣ｄｉｎｇ　ｈｔｏｕｇｈｔ　ａｎｄ　ｈｔｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｒｅ　ｓ１　ｅ　ｆｏｒ　ｃｕｌｔｉｖａｔｉｎｇ　ｓｔｕｄｅｎｔ’ｓ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇｎ　ｄｅｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄ　ｑｕｅｒｙ・　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇｎ；ｔｅａｃｈｉｎｇ；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇｎ　ｄｅｓｉｎｇ