案例互动教学在化工原理课程中的应用

[摘 要]化工原理是一门工程性很强的应用课程,是化工、化工类相近专业一门重要的技术基础课.化工原理这门课程的工程实践性较强,课程中关于三传一反的原理较难理解,课时少的专业学生很难在短时间内掌握化工原理的知识.针对课时少的专业,笔者在教学过程中探索以工业领域案例为导向；以学生课堂互动讨论为教学形式；试着激发学生对化工原理和化工过程领域知识的探索精神,培养其实践能力和创新意识、开阔科研视野,使其能够深刻的掌握该课程内容.

1.引言

化工原理课是高校化学工程与工艺、应用化学、环境工程、制药工程、生物技术等专业的一门理论性、实践性很强的专业技术课.课程以工业工程应用为背景；以单元操作过程为对象；以三传一反为原理框架.它主要讲授化工单元操作过程的基本原理、典型过程设备结构,进行过程工艺设计计算、设备设计或选型及单元过程的操作分析,是理论与实践密切结合的技术基础课.化工原理是门实践性较强的学科,而学生在学习过程中缺乏生产实践及经验知识,缺少对单元过程、设备的认识和了解.因此,学生普遍感觉此门学科的理论知识和计算方法抽象,不易理解；学生普遍反映课程学习起来较困难[1].究其原因：首先,该课程的很多知识点是工程实践直接经验化而来,其次,该课程综合了物理化学、高等数学、化工热力学、传递过程和反应工程等众多学科.再次,目前很多高校迫于政策调整,对这门课程的课时进行压缩减少,使得这门课程的理论课时减少了10%左右[1].因此,对于化工原理这门学科,尤其是学时少,学生学习起来更加困难.故针对少学时的专业,设计一套更为符合本门专业学生实际情况的教学计划显得尤为重要.

2.案例互动教学

化工原理是一门实践性较强的课程,它和工业领域的实际操作过程有着紧密的联系.由于化工原理中每个单元操作都面临着复杂的实际问题.因此,使得学生学好这门课,建立起学习的兴趣是必要的.为此,笔者在教学过程中摸索出了一种因材施教的新方法,即案例引导式教学.简单概括为,在每一章内容之前,介绍一个和本章关系较大的工业或者日常生活案例,案例需要具备一定的科学性以及需要用到本章原理去解释[2].在介绍过程中（展示形式多样,可以口述,也可以以多媒体形式展示）,适当的留一些问题,让学生带着问题去听课,之后和学生就案例中的问题进行互动讨论.以下笔者给出化工原理教学中可以用到的一些经典案例,这些案例将有意于激发学生的学习兴趣,让学生从易于理解的案例中获得一些科学原理,从而建立起探索科学问题的兴趣[3].

3.传热案例

以家庭暖气片为例：从房间内暖气片的换热现象开始,以提问的方式引导学生.首先,介绍换热片的传热原理,引出传热的第一种方式：热传导；接着,检测设房间内有空气流动,如：风扇强制空气对流,这将使得传热速率加快、使得房间里远处的人很快感受到温度的升高,这就是“热对流”.以上热对流和热传导的定义已经给出.再次,引出热辐射.在自然生活中,热辐射存在于很多地方,如：太阳对地球的热传递,人能感受到热量,这是由于太阳以热辐射的方式向地球传递热量.综上,三大传热方式的简单原理已经解释的较清晰了.传热的形式包括：热传导,热对流,热辐射[4].本文将详细讲解传热案例.

热传导：热量为什么会传递?换热片温度高,导致和换热片接近的空气温度升高,高温空气分子能量较高,通过在无规则的碰撞分子之间发生能量传递,高温的分子使得相邻的低温分子温度升高,从而实现热量传递.在密闭房间内,检测设无空气流动,仅仅靠无规则的分子碰撞发生热量传递,这样的热传递就是热传导.

热传导速率的影响因素：热传导是热量传递的一种方式.热传导的速率有快有慢,这跟一些因素有关.传热介质的性质对热传导的速率影响很大,也可以用案例的方式来引导学生去思考,让学生自己思考自己得出结论.这里给出一个日常生活的传热介质案例来引导学生.不少学生都有游泳的爱好,可是为什么在水中明显感觉较冷呢?为什么下雨天里,衣服被淋湿了,人体就明显感觉冷呢?在学生的互动中可以得到很到答案,但是基本都会以非科学术语的方式回答.教师在解释的时候需要注意学生对专业术语的理解能力.水和空气都是一种传热介质,气体和液体的本质区别体现在分子原子之间的距离上.液体分子之间的距离较近,而液体分子之间的距离要高于气体分子多个数量级,因此在热传导时,气体的热传导的阻力要远高于液体.即气体的热导率要远低于液体.由此,大体可以得到热导率的对比：气体<液体<金属[4].

热对流：一个比较简单的例子,倒一杯开水放在桌子上,由于杯子里的水和周围空气的流动,使得水温逐渐变得和周围环境的温度一样了,这是热的对流.如果在杯子上加个盖,就把对流的道路挡住了.可是这杯水依然会变凉,只是时间长些.这是因为杯子有传热的性质,这就是上面讨论的热传导.在房间内,起初无空气流动,仅仅是热传导.若将电扇打开,增强空气流动,空气分子发生对流,此时可以和学生互动,让学生来解答在有空气流动和无空气流动的时候哪种方式传热更快,即哪种方式更利于暖气片散热.学生的回答是前者,即有空气流动的情况下更易于传热.此时让学生阐述为何有空气流动下更易于传热.从学生的阐述中可以了解学生对传热过程的兴趣.接着教师点评学生的观点.从学生的观点里可以提取一些比较能容易让学生接受的热对流原理.将这些原理加入科学术语,学生会有较深的映像,因为这是从学生自己的思维理解里总结出的“为什么?”最后总结热对流的基本概念.在有介质对流的存在下,冷热的介质将热量从高温处传递到低温处的现象称为热对流.在案例中,暖气片周围温度较高,有空气对流时,空气的流动使得暖气片周围的热空气和远处的冷空气发生位移从而混合,导致冷热流体发生传热,最后导致的结果是房间内对流程度越大,房间平均温度升温越快.由此可以得出结论,同样条件下,相比无空气对流的情况,有空气对流的传热效率更高传热更快[5].

热辐射：高温的物体激发产生电磁波,向空间传播,称为热辐射.太阳就是个很好的例子.阳光明媚户外里人体为什么能感受到热?这样的问题看起来很简单,学生的答案较多.热辐射这个名词听起来较深奥,但是学生们知道太阳就是热辐射的一个典型例子,就会对热辐射不陌生.热辐射有的地方需要加强有的地方需要减弱.可以适当例举一些例子加以深化说明.减弱热辐射的例子：很多工业管道上都有一层银色的保温层,这是为了减少热辐射,防止管道内热量以热辐射的方式向外传热.这是因为银色物质对热辐射有反射作用,能将辐射出的热量反射回去.在银色的保温层内都有一层海绵层,这是为了减少热传导.增强热辐射的例子：太阳能热水器的受热部位都涂有一层黑色的吸热物质.

热传导、热对流和热辐射是传热的三种方式.在自然界和工业界里很多过程都是这三种传热方式同时发生的.为了将这三种传热方式结合起来让学生理解,可以引出一个三种传热同时发生的例子.暖水壶是日常生活必需品,细心的同学会从暖水瓶的结构发现暖水瓶保温的原理.教师可以以互动的方式开始暖水瓶保温原理的讨论,让学生组成小组,以小组形式讨论最后得出结论.学生的结论可能较多样,且不科学.教师此时将学生的结论综合起来,写在黑板上,以待对比.教师以口述和多媒体的方式讲解暖水壶内胆的结构,从结构图上讲解原理.

暖水壶的内胆是两层的玻璃,两层玻璃都镀上了硝酸银,玻璃中间是真空的.玻璃内层镀硝酸银的目的是为了降低热辐射,使得热水的热辐射被反射回去.玻璃中间抽真空的目的是为了减少热传导,这是因为真空的热导率最低.而水壶塞的作用就是将水壶内外隔开,防止热对流.而软木是较好的绝热材料,热导率较低,故一般瓶塞都用软木材料.接着提出问题,暖水壶能保热,能否保冷?热水瓶的功能是保持瓶内热水的温度,断绝瓶内与瓶外的热交换,使瓶内的“热”出不去,瓶外的“冷”进不来.如果在热水瓶里放上冰棍儿,外面的“热”同样不容易跑到瓶子里,冰棍也不容易化.所以把热水瓶叫做保温瓶是科学的,因为它既能保“热”,也能保“冷”.

4.案例互动教学的总结

在化工原理的教学中,笔者发现案例引导教学法特别适用于少学时的专业,因为这些学生不属于化学化工专业,在化工的基本过程了解较少,教师需要较多的精力去引导学生,让学生对化工原理感兴趣.本教学方法尤其适用于理科功底较浅,高考调剂的学生,在非211的省属高校里这样的专业有很多,这些学生理科功底较差,学生无法在较短的时间里很快对化工原理产生兴趣并跟上教学节奏.

[4]王志魁.化工原理(第三版)[M].北京：化学工业出版社,2004.

[5]陈敏恒,丛德滋,方图南.化工原理(第三版,上、下册)[M].北京:化学工业出版社,2006.