以全国大学生化工设计大赛为契机探索“化工原理”课程的实践化教学改革-1

Vol.４０ No.１１ JournalofSouthwestChinaNormalUniversity（NaturalScienceEdition）DOI：１０.１３７１８／j.cnki.xsxb.２０１５.１１.０２８

２０１５年１１月

Nov.２０１５以全国大学生化工设计大赛为契机探索“化工原理”课程的实践化教学改革

王 明， 雷 洪， 马学兵

西南大学化学化工学院，重庆４００７１５

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摘要：实践化教学主要是融合化工实验、化工实习、化工设计于理论教学之中，并在此教学过程中进行模块化课程设计．在模块授课过程中，以大赛优秀作品为案例进行“理论—讨论—案例”或者“案例—理论—案例”教学设计，达到提升学生的工程实践能力和创新能力的目的．关 键 词：化工原理；实践化；模块化；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：１０００５４７１（２０１５）１１０１７００４

近几年来，化学工业新技术实现了重大突破，极大地改变了化学工业竞争力的特征和范围．技术创新的能力已经取代了传统的价格竞争力，成为新世纪化学工业国际竞争力的一个新的决定性因素，技术创新和研发是提高资源利用效率和生产效率的最大推动力．对于我国，化学工业一直以来都是我国国民经济技术密集型的支柱产业，与国民经济各领域及人民生活密切相关．在世界和我国化工经济的发展新形势下，大量需要具有创新实践能力的化工专业技术人才．

全国大学生化工设计竞赛是由中国化工学会、中国化工教育学会、教育部化学工程与工艺教学指导分委会举办，全国规模最大、级别最高的大学生化工设计大赛．该大赛从２００７年举办首届以来，已经成功举办了八届．该大赛主要从化工项目的可行性研究、工艺流程、过程模拟与优化、设备设计、自动控制、工厂总图与平立面布局、经济分析与评价、环境、安全、土建等方面的考察学生的化工设计能力．通过比赛还有助于提高学生的工程实践能力、工艺设计理念、创新思维能力和团队协作能力．

“化工原理”是一门化工生产实践的基础性课程，是化学工程学科的入门课程．该课程又是一门相对较为古老的课程，是所有化学类理工科必修的专业核心课程．该课程不同于其他化学类专业课程，其他专业课程偏重于化学反应本身，而该课程偏重于化学反应的应用过程．该课程主要解决的是如何将理论性强的化学反应实施到具体的化工生产中的问题．而化学生产过程中，不仅涉及到化学问题，很多操作都是纯物理过程，可以说该课程又是一门综合性实践性学科．“化工原理”内容涉及的基础理论较多，相应计算公式较多，虽然该门课和实际联系较紧，但学生往往由于没有工厂知识，听起课来感觉枯燥、空洞，难以掌握．传统的课程设计、教学方法和教学手段，很难培养学生对“化工原理”这门课的兴趣，即使教师上课讲授的专业前沿知识对学生也很难有吸引力．因此，为了满足当今化工行业飞速发展的需要，在创新人才培养模式下对“化工原理”进行课程和教学改革是非常迫切和有必要的．

目前，国内“化工原理”的教改研究也有涉及．例如，苟建霞等人结合“化工原理”及相关课程的特点，对“化工原理”进行了项目化教学改革探讨，即课程体系按模块化构建，课程内容以任务驱动模式设计．将

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［１］

收稿日期：２０１４０８２４

基金项目：西南大学２０１３年教育教学研究项目（２０１３JY０４１）；重庆市高等教育教学改革研究项目（１３１００８）．作者简介：王 明（１９８２），男，浙江龙游人，副教授，主要从事高分子功能材料与复合材料研究．

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理论教学和实践教学有机结合，形成整体，培养学生的工程概念和工程意识，促进学生实践能力和创新能

［２］

力的发展．该方法使学生能很好地将理论和实际相结合，对理论知识能很好地掌握．杜郢等人在“化工原理”教学中注重培养学生分析、解决问题能力，重视实验环节，培养学生创造性思维方法，强化课程设计，培养学生综合运用所学知识能力，取得了一定的成果；曾嵘等人［３］回顾了我国“化工原理”课程的产生和发展过程，分析了化工原理教学现状和改革的必要性，提出了改革的基本目标，从教学的内容和教学手段两大方面对改革的措施进行了较详细的探讨．然而，在当前化工发展的新形势下，在创新人才培养新模式下，

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有必要进行更加有效的课程改革和教学改革，以提高学生的化工工程实践能力和创新思维．

1 模块化课程设计

单元操作是在化学工业生产中具有共同的物理变化特点的基本操作，是由各种化工生产操作概括得来的．如图１所示，按照化工单元操作思想将“化工原理”课程内容大致划分成３个模块：动量传递模块、热量传递模块、质量传递模块．动量传递模块一般是指物料在流动传输过程中内部质点的动量不同，在运动和相互碰撞过程中发生动量的传递，该单元操作主要包括流体流动和输送设备、搅拌、沉降、过滤等；热量传递是指化工单元过程中由于物料内部温度的不同，发生的热量

图１ 教学模块的划分转移过程，主要包括热交换、蒸发等；质量传递是

指在化工过程中物料内存在浓度的差异，物质发生从浓度高处向浓度低处转移的过程，主要包括吸收、精馏、萃取、干燥、结晶、膜分离等．

模块的划分有助于整体把握“化工原理”课程，有利用于教学设计和教学计划的安排．化工实践生产过程基本上是许多化工单元操作的组合，因此按照化工单元操作进行模块划分，可紧密与生产实践相结合．全国化工设计大赛，其考查的主要内容之一是对主要的化工单元操作进行合理化设计．因此，结合化工设计大赛进行模块化课程设计有助于学生深入掌握化工单元操作，进行化工单元的设计．

2 实践化教学设计

在模块化课程设计的基础上，采用两个层次对“化工原理”进行教学设计：一是在整体上采用“四位一体”的模式进行教学设计；二是在某个具体单元操作教学时采用“理论－讨论－案例”或者“案例－理论－案例”的方式进行教学设计．

“四位一体”的模式教学设计主要进行讲座、授课、化工仿真训练和认识实习４个教学环节的有机结合（图２）．开课前先安排一次针对各个模块的化工前沿讲座，主要向学生们讲述各模块的工程实际应用情况以及目前和未来的发展情况；每个模块课程结束后（或者进行到一定程度后），开展相应模块的单位操作的仿真训练，学生将所学

图２ “四位一体”教学模式示意图的知识进行应用；最后“化工原理”课程全部结束

后进行化工认识实习，将理论和实践相结合，使学生牢固掌握所学知识．结合全国化工设计大赛，在化工仿真训练教学过程进行延伸，让学生进行化工设计训练，进行教学班内的设计比赛．“四位一体”的教学设计中四个教学环节相互穿插“化工原理”的基本规律和基本原理，强调“化工原理”知识在化工生产实际中的应用，实现了“化工原理”的实践化教学．

例如，在开展热量传递模块教学时，首先邀请学院知名教授进行了“热量传递在化工过程的重要性和

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发展现状”的讲座，让学生对热量传递有一个大概的认识；然后进行相应的课程理论学习；学习到一定程度

后进行化工仿真训练，加深学生对理论知识的认识和应用；“化工原理”课结束后到化工工厂认识实习，将学生学的理论知识和实际结合起来；最后，安排一次化工设计比赛，加强理论知识的应用．通过“四位一体”教学设计，不仅可以激发学生学习兴趣，更加牢固地掌握的理论知识，而且可以提高学生化工实践能力和创新思维．

具体单元操作教学时，根据每个模块各自的特点采用不同的教学设计采用“理论—讨论—案例”或者“案例—理论—案例”的方式进行教学设计．对于动量传递模块和热量传递模块，特点是其理论部分相对较为简单，容易理解，在教学设计上可采用采用“理论—讨论—案例”，模式进行（图３黑色虚线框）．而质量传递模块理论较多且复杂，理解理论有一定的难度，若一开始就进行理论讲解显然会很枯燥，不易激发学生兴趣．因此该模块图３ “理论—讨论—案例”（虚线框部分）和可按照“案例—理论—案例”的教学设计进行（见图“案例—理论—案例”（实线框部分）的教学设计示意图３红色实线框）．在教学设计的具体实施过程中，

根据学生对理论理解的程度和知识的掌握程度，可以进行“理论—讨论—案例”和“案例—理论—案例”两种教学设计的穿插讲解，也可以多次“案例—理论—案例”的反复进行讲解．为了充分利用全国化工设计大赛，案例的选择主要来自全国化工设计大赛中的优秀作品．下面分别以动量传递模块和质量传递模块为例讲述这两种教学设计方式．

动量传递模块中的流体流动部分，主要有静力学方程、伯努利方程、管道摩擦阻力的等理论知识以及物料衡算和能量衡算基本规律，在课程设计时采用“理论—讨论—案例”模式．例如讲静力学方程时，先进行静力学公式的推导，讲述公式的理论物理意义，然后讨论生活中的静力学规律以及规律的工业价值，再以案例的方式加深对公式的理解巩固理论知识，案例选取为U形管压差计、弹簧管压强计、液位和液封．又如讲授伯努利方程时，先利用能量衡算基本原理推导出伯努利方程，然后讨论伯努利方程在容器间相对位置的确定、管道中流体流量的确定、流体压强的确定等方面的应用来巩固理论知识点，最后结合实际的应用案例如测速管、孔板流量计、转子流量计、湿式气体流量计等加深印象．

对于质量传递模块，由于其理论性较强，先讲理论后讲案例的课程设计，往往会使学生认识过于抽象，被开始的理论提不起学习兴趣，因此采用“案例—理论—案例”的教学设计模式．质量传递模块中的液体精馏部分，主要的理论知识有气液相平衡方程、操作线方程、q线方程、精馏原理与精馏过程分析以及双组分连续精馏塔的物料衡算，在教学设计时可先分析案例，后展示基本概念和基本原理，然后用案例巩固．本部分的教学设计先引用全国化工设计大赛优秀作品的精馏塔设计，讲述精馏塔板结构，介绍塔板上汽液两相的流动现象，给学生一个感性的认识，引发学生思考；然后引出问题的关键，点出理论知识；最后又回到案例—精馏塔上面，进一步讲述理论塔板数的确定、最小回流比的计算、回流比的选择及其对精馏的影响等．

对于案例的选择，可以充分利用历年来全国大学生化工设计竞赛的作品，从中选择合适的案例．根据全国大学生化工设计竞赛设计任务书的要求，学生要设计一个化工厂，其中主要设计包括可行性论证、工艺流程设计、设备选型及典型设备详细设计、车间设备布置设计、工厂总体布置设计、经济分析等方面．其中比较重要设计之一是设备选型及典型设备详细设计，包括典型非标设备（精馏塔／吸收塔）的工艺设计，典型标准设备（换热器）、泵的选型等等；这些刚好对应在“化工原理”中的质量传递、能量传递和动量传递模块．因此，在进行相应模块讲解时，把历年来大赛的优秀作品作为案例进行引用和分析，点出“化工原理”知识点与化工设计的内在联系，启发学生的学习兴趣．通过这个过程，不仅使学生“化工原理”知识点认识更加深入，实现了去“空洞化”；而且也提高学生的化工设计能力和创新思维能力．

结合全国化工设计大赛，经过几年对“化工原理”的实践化教学改革，包括模块化课程设计，“四位一

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体”、“理论—讨论—案例”和“案例—理论—案例”的教学设计．学生不仅对化工原理的基本概念、基本理论和基本规律掌握更为扎实，并且能运用《化工原理》知识进行实际的应用，设计出了具有创新性的化工作品，在历年全国化工设计大赛上取得了优异的成绩．参考文献：

［１］苟建霞，解胜利．《化工原理》项目化教学改革探讨［J］．化工时刊，２０１０，２４（８）：６９－７１．

［２］ 杜 郢，马江权，冷一欣．化工原理教学改革的探索［J］．江苏工业学院学报，２００６，７（１）：７５－７７．［３］ 曾 嵘，鲁德平，杨世芳．化工原理理论教学改革的思路与措施［J］．高教论坛，２００７（１）：４３－４５．

［４］ 王 放，陈志谦．面向复合型人才培养的材料专业实践教学改革研究［J］．西南师范大学学报：自然科学版，２０１４，

３９（２）：１５８－１６４．

［５］ 龚成斌，唐 倩．《有机制备》实验课程体系的建构实践与探讨［J］．西南师范大学学报：自然科学版，２０１４，３９（９）：

２０５－２０９．

［６］ 任文山，陈辉国，王 强．中级无机化学教学改革思考［J］．西南师范大学学报：自然科学版，２０１４，３９（３）：１９３－１９６．［７］ 刘德芳，刘 蓉，李红陵，等．基于创新人才培养的分析化学教学改革研究［J］．西南师范大学学报：自然科学版，

２０１４，３９（１０）：１６６－１７０．

OnTeachingReformof“PrinciplesofChemicalEngineering”BasedonOpportunityofNationalUndergraduateChemicalDesignCompetition

WANG Ming， LEI Hong， MAXue‐bing

ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００７１５，Ｃｈｉｎａ

Abstract：Theannualcompetitionofthenationalundergraduatechemicaldesignprovidesastageforcollegestudentstodisplaytheirchemicaldesignability，theabilityofengineeringpracticeandinnovativethinkingability．Thisworkofteachingreformonthe“principlesofchemicalengineering”coursehasbeencarriedbasingonthisopportunity．Thechemicalengineeringexperiments，chemicalengineeringpracticefusion，chemicalengineeringdesignhavebeenintegratedinthetheoreticalteachingtoformthepracticeteaching．Themodularcurriculumdesignhasbeenusedinthisteachingprocess．Inordertoimprovethestudents＇engineeringpracticeabilityandinnovationability，the“Theory‐Discussion‐Case”or“Case‐Theory‐Case”teachingdesignsaregivenoutfromtheoutstandingworksinthecompetitionduringthismodularpracticeteaching．

Keywords：principlesofchemicalengineering；practice；modularization；teachingreform

责任编辑 潘春燕

以全国大学生化工设计大赛为契机探索“化工原理”课程的实践化教学改革

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

王明， 雷洪， 马学兵， WANG Ming， LEI Hong， MA Xue-bing西南大学化学化工学院,重庆,400715

西南师范大学学报（自然科学版）

Journal of Southwest China Normal University (Natural Science Edition)2015(11)

引用本文格式：王明.雷洪.马学兵.WANG Ming.LEI Hong.MA Xue-bing 以全国大学生化工设计大赛为契机探索“化工原理”课程的实践化教学改革[期刊论文]-西南师范大学学报（自然科学版） 2015(11)