环境工程专业开设“化工原理”课程的教学内容设计思考_时焕岗.pdf

时焕岗 等.环境工程专业开设“化工原理”课程的教学内容设计思考2023,Vol.37,No.1收稿日期:20220518基金项目:南京工程学院教学改革与建设项目(JXJS2021024)作者简介:时焕岗(1984),男,副教授,博士,主要从事环境工程相关的教学与科研工作,E-mail:shg doi:10 16597/j cnki issn 1002154x 2023 01 016环境工程专业开设“化工原理”课程的教学内容设计思考时焕岗 张雯娣 张东平(南京工程学院 环境工程学院,江苏 南京 210116)摘 要“化工原理”是化工制药类专业的核心课程,也在环境工程类专业中广泛开设。作者从环境工程人才培养目标及毕业要求体系出发,讨论了在环境工程专业开设“化工原理”课程的教学内容要求,从三全育人的角度,思考如何在“化工原理”课程教学中进行课程思政的教学设计。关键词 化工原理 环境工程 教学设计 课程思政中图分类号:G642 文献标志码:A “化工原理”作为一门经典课程,在环境工程类专业广泛开设,并涉及理论教学、实践教学及课程设计等内容。“化工原理”在基础课与专业课之间起着承前启后、由理及工、由基础到专业的桥梁作用1 3。近年来,不少环境工程专业专门开设了“环境工程原理”课程,该课程主要介绍环境污染物治理技术中各单元过程的基本原理、典型设备的构造与操作原理,课程内容侧重稍有变化,但是依然基于“化工原理”课程4。在工程教育认证标准 环境工程专业补充标准中,“化工原理”可以替代“环境工程原理”,也说明了“化工原理”课程在环境工程类专业的重要性。作者基于环境工程专业的人才培养目标及毕业要求,结合南京工程学院在环境工程专业电力环保方向开设“化工原理”课程的经验,从“化工原理”理论教学内容、实践教学、课程设计内容及课程思政设计等方面,思考了在环境工程专业“化工原理”课程的教学内容及体系构建,以达到有效支撑学生毕业要求的目的。1 理论教学内容“化工原理”教学内容一般包括流体流动、流体机械、机械分离、传热、蒸馏、吸收、干燥等主要单元操作。这些教学内容看似并不相关,但是内在都是“三传”,即“传热、传质、传动量”。以“三传”为核心,每一种单元操作都既有外在形式上的区别,也有内在联系的共性。流体流动是“化工原理”的基础内容,通过静力学方程及伯努利方程,从静态到动态,从理想状态到有阻力的实际情况,计算流体流动过程中的各种参数。流体流动研究的一个重点就是流动过程的阻力损失的计算,而控制或减少流体流动过程中的阻力又是控制流体流动能耗的一个重要元素,这对环境工程案例中的节能减排意义重大。流体机械主要介绍流体输送设备,具体是泵与风机的性能及选型。在环境工程各种应用场景,流体机械的运用十分普遍,如废水的输送、车间通风、鼓泡操作等。由于我校还单独开设了“泵与风机”课程,该部分内容可适当弱化,仅结合流体流动内容介绍设备扬程(或风压)、功率、效率参数的计算。机械分离涉及非均相物质的分离,主要涉及沉降、离心分离、过滤等操作,这些操作在环境工程领域十分常见,是处理水中悬浮物及气体中的颗粒物等操作的理论基础,应是环境工程开设“化工原理”的重要内容,也是“水污染控制工程”“大气污染控制工程”等课程的重要理论基础。蒸馏操作主要介绍均相液体混合物中的物质分离,利用物质在不同温度下挥发度不同而达到分离的目的,广泛应用于石96第 37 卷第 1 期Vol 37,No 1化工时刊Chemical Industry Times2023 年 2 月Feb.2023 2023,Vol.37,No.1教改论坛油化工、生物制药等领域,但在环境工程领域的应用较少。结合环境工程专业培养目标及毕业要求,我校的环境工程专业开设的“化工原理”课程中,删除了蒸馏章节的介绍。吸收操作介绍均相气体混合物中的物质分离,利用物质在溶剂中不同的溶解度达到分离的目的。吸收操作教学中举例较多的是 SO2气体在水中的吸收,该操作既是“化工原理”课程介绍吸收理论知识的经典案例,也是环境工程领域处理尾气中 SO2气体的真实操作,在环境工程开设“化工原理”课程的理论教学内容中应重点介绍。最后,干燥操作看似简单,却同时涉及传质与传热两个过程,是传递过程的综合利用。干燥操作在环境工程领域也应用较多,如污泥的干化等。2 实践教学内容在“化工原理”教学过程中,实践教学非常重要,很多经典的实验已有上百年的历史。课程教学内容中,一些图表或者经验公式都是前人在大量实验的基础上整理得到的。比如流体流动章节的雷诺数与流体流动摩擦系数之间的关系图(莫迪图)就是在大量实验的基础上绘制而成的。而流体的对流传热公式,更是根据不同管内、管外条件有很多公式的变化,这些都是通过大量实验数据整理归纳得到的5 7。在“化工原理”实践教学中,最广泛开设的实验是流体流动阻力系数测定实验,其典型的实验流程图如图 1 所示。该实验通过测定在不同粗糙度的水平管中,流体以不同流速(雷诺数)流动时的阻力变化,得出流动阻力系数、雷诺数、管道相对粗糙度之间的关系,是绘制莫迪图的基础。同时,通过流体流动阻力系数测定实验,学生们可以学到离心泵的启停、阀门的开启关闭、流量计的使用及倒 U 型压差计的使用等多方面的知识,实验的综合性较强。在“环境工程原理”“水力学”等课程教学中也经常会涉及流体流动阻力系数测定实验,体现了此实验的广泛适用性。精馏实验,作为化工专业较为经典的实验,一般都会开设。通过精馏实验,可以让学生们理解物质分离的原理,但是环境工程专业开设精馏实验的较少。正如前面所介绍的,精馏操作在环境污染物治理过程中的应用极少,所以精馏实验的开设就显得不重要了。当然,塔设备的实验在环境工程专业还是十分重要的,但侧重点应该是吸收塔,因为吸收操作在环境污染物治理过程中广泛使用,如工业有害尾气中VOCs 的吸收、火电厂烟气中 SO2的吸收等。我校在“化工原理”课程的实验中就开设了填料塔吸收 SO2/CO2的实验。图 1 典型的流体流动阻力系数测定实验流程图3 课程设计内容为了将“化工原理”所学内容应用于工程实践,“化工原理”课程一般会在同学期开设课程设计环节。我校开设了学时为 2 周的“化工原理课程设计”,以培养学生运用“化工原理”基础理论与工程知识的能力。在化工制药类专业,开设“化工原理课程设计”最多的课题是精馏塔和换热器的计算,这两类计算既考查了学生的计算能力,也考查了学生们灵活运用经验公式和图表的能力,同时还能在完成设计之后考查学生工程制图的水平,课程综合性很高。基于环境工程人才培养的要求和课程内容,我校开设的“化工原理课程设计”的内容作了相应的调整,主要内容涉及换热器和吸收塔的设计。换热器是环境工程领域常见的热交换设备,如火电厂烟气脱硫过程中使用的气-气换热器(GGH)。GGH 一般采用蓄热式换热器,将湿法脱硫吸收塔入口烟气和出口烟气进行换热,使得入口烟气温度降低,出口烟气温度升高。入口烟气温度降低可以提高烟气中 SO2在浆液中的溶解度,而出口温度升高可以防止烟气中酸雾的形成,从而保护下游设备免受腐蚀。吸收塔在环境工程领域主要用于吸收有害气体,如火电厂烟气中SO2的吸收,可以在吸收塔中利用石灰石浆液作为吸收剂,将吸收的 SO2最终转化为石膏。当然,在我们开设课程设计的过程中也遇到了一些问题,比如部分07时焕岗 等.环境工程专业开设“化工原理”课程的教学内容设计思考2023,Vol.37,No.1设计环节经验参数缺失,影响了设计的质量,这些问题需要在后面的教学指导过程中不断完善,合理制定更适合环境工程领域的课程设计内容。4 课程思政设计在“化工原理”课程教学的所有环节中,以产出为导向,以学生为中心的人才培养理念不会变,更要“三全育人”。“三全育人”是中共中央、国务院在关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见中对人才培养工作提出的要求8。在高校思想教育工作中,既要有传统的思政课程,也要有贯穿全程的课程思政。在“化工原理”课程中,课程思政的元素一直在教学中有所体现,尤其是科学精神、辩证思维、绿色环保发展理念等9。科学精神是理工科学生要培养的核心素养之一。在“化工原理”教学过程中,有很多科学精神的体现,可在教学过程中穿插介绍,并潜移默化地培养学生们的科学精神。如“化工原理”课程中有较多的经验公式,这些公式看似没有严格的理论推导,缺少必要的理论基础。但是,它们是通过大量实验数据整理得到的,在使用过程中非常有价值,是一代又一代科学家科学精神的传承和积淀。这些成就,也有中国科学家的贡献。如由我国著名化学工程专家顾毓珍教授推出的描述流体在圆管内流动时,摩擦阻力系数和管道相对粗糙度及雷诺数之间的关联式,被称为“顾氏公式”,得到了国际学术界高度认可和好评10。辩证思维也是贯穿“化工原理”课程教学的一个重要思政元素。“化工原理”课程教学中公式繁多,部分公式还在不同的应用条件下而不同,这就需要学生们利用辩证思维去理解公式,根据条件来使用合适的公式去解决实际问题。此外,一些公式看似毫不相干,但是其内在的逻辑关系却是一致的。比如,在化工过程中普遍存在的速率问题,其表现形式可以是传质的速率、传热的速率或者传动量的速率,但其内核是一致的,都可以理解为推动力与阻力之比,只是在不同的应用场景中,推动力和阻力不同而已。在传热中,温差是推动力;在传质中,浓度梯度是推动力;在传动量中,能量梯度是推动力。阻力在不同的情况下虽然表现为不同的形式,但其内涵都是阻碍传导过程的元素。绿色环保发展理念也在“化工原理”课程教学中有重要地位,尤其是在环境工程专业开设的“化工原理”课程中。传热、精馏等单元操作具有能耗大的特点,讲到传热过程和换热器时,引入如何提高传热效率、强化传热、循环利用能量等内容,培养学生节约意识。另外,借助典型安全事故、环保事件等进行相关单元操作知识的讲解,并辅以相应国家法律法规的介绍,强调实施绿色环保、健康和安全的重要性,同时培养学生的法律意识。5 结语“化工原理”作为一门历史悠久的经典课程,基于传动量、传热、传质的单元操作核心知识体系已非常成熟。面向时代新要求,“化工原理”课程在环境工程专业开设时,要结合环境工程专业的人才培养要求和专业知识需求,在理论教学、实践教学及课程设计的内容上适当调整内容与侧重点,并践行课程思政理念,服务三全育人。参考文献 1 谢子楠,刘作华,任富忠,等.化工原理课程体系及分模块课程教学内容改革探索J.广东化工,2022,49(3):203204.2 刘红梅,韩永萍,侯春娟,等.新工科建设背景下制药工程专业化工原理教学创新设计J.化学教育(中英文),2022,43(4):101106.3 张雪华.进一步强化应用化学专业化工原理课程教学体系的改革与探索J.山东化工,2021,50(12):210211.4 李伟.“环境工程原理”与思政教育融合的教学初探J.安徽化工,2021,47(6):226228.5 王磊,万辉,管国锋.化工专业反应精馏案例教学实践研究J.化工高等教育,2019,36(3):7781.6 张莉梅,秦莉晓,谭芸妃,等.化工原理及实验课程教学体系的改革与探索J.教育教学论坛,2020(29):373375.7 李莎,熊力,孙智勇,等.化工原理线上教学实践与思考J.广东化工,2021,48(24):247248.8 刘赟,汤飞飞.高校“三全育人”教育教学现状及对策研究J.经济师,2022(4):219221.9 范明霞,韩东,胡兵,等.课程思政融入化工原理教学的探索与实践J.化工时刊,2022,36(2):3941.10 陶海燕,王艳,赵丽凤.基于渗透理论化工原理教学与课程思政融合探索J.化工时刊,2022,36(4):3739.17