胡粉娥，柴大江，韩林刚，王惠平

（1.曲靖师范学院化学化工学院,云南曲靖 655011； 2.云南大为制氨有限公司，云南曲靖 655338）

案例教学在传热单元操作讲授中的应用与启示

胡粉娥1，柴大江2，韩林刚2，王惠平2

（1.曲靖师范学院化学化工学院,云南曲靖 655011； 2.云南大为制氨有限公司，云南曲靖 655338）

培养应用型人才是当代大学教育的主要目标和主要任务。合理的案例教学可将理论教学与实践教学有机结合，有利于应用型人才素质的提高。该篇以化工原理中传热单元操作的讲授为例，采用开篇案例、问题案例和综合案例的方法，以实例分析的形式详细阐述了案例教学的应用。结果显示，案例教学可做到事半功倍，有利于培养学生分析问题和解决问题的能力。

化学工程；案例教学；传热单元；能力培养

引 言

随着现代科学技术的迅速发展，市场对高素质应用型人才的需求越来越大。社会对高校的人才培养提出了更高的要求。教学的实施过程中，必须将理论教学与实践教学有机结合，培养学生解决实际问题的能力，实现应用型人才的培养目标。实践教学的好坏直接关系到这一目标能否实现[1]。化工原理课程是与生产实践紧密结合的一门课程，重点培养学生分析问题、解决问题的能力。这就要认真抓好实践教学的各个环节，即认识实习、验证性实验、课程设计、生产实习[2]。同时，理论教学中也要注重学生理论知识的学习，做到理论指导实践，培养学生应用理论知识解决问题的能力。案例教学可将理论教学与实践教学有机结合，实现二者的相互促进，有利于应用型人才的培养。

案例教学是以学生为主体，教师根据教学目的和教学内容，利用典型的案例，引导学生运用所学的知识进行思考、分析和讨论，最后解决问题的一种互动式教学方法[3]。案例教学法在培养学生的分析和解决实际问题的能力等方面，有着其它教学方法不可取代的优势[4]。但由于案例资源少、课程学时有限、课程班级规模较大、考核方式单一等方面的问题，使得案例教学在课堂教学中的应用受到了限制[5]。

化工原理课程面临大量复杂的实际问题，计算公式较多，记忆难度较大，学生学习起来往往感觉比较枯燥无趣。基于这种状况，在讲授每个单元操作及具体知识时，可适当引入工程案例，提高学生的学习兴趣，激发学生的思维，培养学生分析和解决问题的能力[6]。针对化工原理课程，可采用开篇案例法、问题案例法、综合案例法层层推进教学，效果较好[7]。本文以传热单元操作为例，以实例形式具体分析案例教学在化工原理课程中的应用。

1 传热单元操作的案例教学

1.1 开篇案例

对于传热单元操作，可采用学生熟悉的氨的合成中脱除二氧化碳的生产工艺作为开篇案例。氨的合成中二氧化碳脱除的传统流程如图1所示[8]。一氧化碳变换后的原料气经吸收塔底部的气体分布管加入吸收塔，在塔内与碳酸钾吸收剂进行洗涤，出塔净化气经分离器把气体夹带的液滴分离后进入下一工段。吸收液由吸收塔底部引出，经水力透平减压后进入再生塔顶部。在再生塔顶部，溶液闪蒸出部分水蒸气，然后沿塔向下流，在塔内与再沸器加热产生的蒸汽逆流接触，同时被蒸汽加热到沸点并放出残余的二氧化碳。而再生出来的碳酸钾溶液经冷却器冷却之后并经泵加压后进入吸收塔顶部循环使用。

图1 传统的脱碳流程

选用此工程案例作为开篇案例是基于下述三个原因：（1）我校的化工原理是在大二下学期开设。此前学生已到云峰合成氨厂进行了生产认识实习，对此工程案例比较熟悉，能较好的引起学生的兴趣；（2）该生产案例中，涉及到三类换热器（再沸器、冷却器、冷凝器），与教学目标吻合较好；（3）该案例中，化工原理与化工工艺学紧密结合。

提出此生产案例后，以学生为主体，让学生简述整个脱碳过程，并引导学生思考该生产过程中这些换热器的作用，流体之间的换热方式。然后，请学生归纳总结、教师补充说明加以延伸，即可完成开篇内容：（1）换热在化工生产中的应用，（2）换热器的类型，（3）冷热流体换热方式。之后，提出两个问题留给学生思考：一是如何根据生产任务设计或选择一台换热器。二是这些换热器使用时间长了，换热效果不好了，怎么办。这些问题将在后续章节逐一解决。

1.2 问题案例

问题案例法，即教学中讲授某一知识点前先列举出工程中存在的实际问题，分析该问题产生的原因及解决该问题的方法，再引出知识点的教学方法。

传热一章涉及知识点较多，讲授时可采用问题案例法逐一进行。例如，对于保温层的厚度问题，许多学生会习惯性的认为厚度越厚越好。为改变学生的习惯性思维，即可列举如下实例进行教学。假设一钢管规格，钢管外壁温度，环境温度钢管外包热导率为的保温材料，以减少热损失。已知保温层外表面与环境的对流传热系数为保温层与钢管接触良好。求保温层厚度分别为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm时，每米管长的总热阻及热损失。

为节约时间，可将3-5位学生分为一组，每小组计算1个保温厚度对应的总热阻和热损失。计算结果如表1所示。

表1 计算结果

表1的数据显示，在题设条件下保温层厚度由10mm增至30mm时，总热阻逐渐减小、总热损失逐渐增大；当保温层厚度从30mm增至70mm时，总热阻逐渐增大、总热损失逐渐减小。则保温层厚度从10mm增至70mm时，总热阻和总热损失均存在一个拐点，对应的总热阻最小、热损失最大。此点对应的保温层厚度称为保温层的临界厚度。计算表明，上述题设条件下的临界保温层厚度为28mm。原因可由热损失公式（其中为热阻）可知，当保温层厚度增大时，一方面是导热热阻增加，另一方面是对流传热热阻减小，因此保温层厚度存在临界厚度。当保温层厚度小于其临界厚度时，随着厚度的增加，总热阻减小、总热损失增大；在此期间增加保温层厚度并非是越厚越好。当保温层厚度大于其临界厚度时，随着厚度的增加，总热阻增大、总热损失减小。鉴于经济和管道体积的考虑，实际生产中需通过计算，再选取合适的保温层厚度。

1.3 综合案例

综合案例法即在每章（或每个单元操作）的结尾，列举出该单元操作的工程设计（或工程改造）实例，提出需要解决的工程问题，引导学生综合利用本单元操作所学知识，解决该工程设计（或工程改造）问题。

在传热单元操作讲解的最后一堂课，提出如下生产案例：在某化工产品的生产装置中，混合液在分解塔中进行反应时，放出大量的热量。若不及时移走，分解塔内温度将继续上升，会产生过量焦油。这不但会使产品质量下降，堵塞管道，甚至造成事故。国内该类生产装置大都采用蒸发冷却的方式转移反应热（即塔内温度靠液体自身蒸发来维持，一般维持在88℃左右）。也有部分工厂采用外循环冷却的方式（将塔内液体用泵抽出，经塔外一双管程换热器用冷却水冷却后循环回分解塔）转移反应热。所用换热器主要参数为：壳径1m，双管程，换热管，换热管根数370根，总传热面积100m2。该厂欲将塔内温度降至60℃，这一改变要求冷却器热负荷增至4×105kJ/h[9]。

将此案例加以描述和说明后，让学生对这一案例提出实际的解决办法。根据班级学生数，将学生按5-7人一组，课堂上用10-15min时间进行分组讨论。之后，小组派代表阐述解决方案，其它小组可质疑和提问。经小组讨论，教师点评，最终形成如表2所示的四种方案。

表2 几种不同方案比较

经分析可知，得出方案D是可行的。得到这一结论并不意味着案例分析就结束了。最后也是最重要的一步，是教师引导学生总结归纳出具有普遍规律的理论知识，也就是“从例到理”。此案例表明，考察一台换热器的工作能力不能单纯只考虑其传热面积，传热面积和总传热系数的乘积KA才能真正代表一台换热器的工作能力。因为存在如下关系：A↑—管数↑或者壳体体积↑—流速↓—传热系数↓。因此，列管换热器的K和A值之间往往存在“此涨彼消”的关系。传热面积过大往往由于流体流量的“不匹配”而导致K值降低，换热效果降低了。

2 案例教学的启示

案例教学在一定程度上弥补了传统教学的不足，可提升学生的学习兴趣。一个好的案例一定要源于生产和生活，又不能脱离教学内容与教学目标。案例中既包含对实际问题的描述，又暗含一定的科学问题，让学生参与分析并解决此实际问题。案例教学不但可使学生快速巩固理论知识，还培养了学生解决实际问题的能力。

采用案例教学时，要正确处理好案例教学与理论教学的关系。案例教学只是众多教学方法中的一种，不能用案例教学完全替代理论教学，而应在一定的理论基础上加以实施[10]。案例教学中，应注重以学生为主体，让全体学生参与问题的分析与解决，最终总结归纳得出具有普遍规律的理论知识，做到“从例到理”，使学生明白理论知识源于实践。当学生掌握了理论知识后，又要从理论的高度重新审视工程案例，做到“从理到例”，培养学生理论指导实践的方法。真正实现“以学生为主体，以能力培养为核心”的实践教学理念[11]。

3 结 语

案例教学的引入可弥补传统教学中的不足，激发学生的学习兴趣。但案例的选择要恰当，且处理好案例教学与理论教学之间的关系。不同的课程，采用的案例教学方法不同。针对化工原理课程教学的特点，可采用开篇案例、问题案例、综合案例法。开篇案例能使学生明白该单元操作在化工生产中的应用、采用的设备及分类、需要解决的问题，使学生对整章的知识有一个大概的认识。具体知识点的讲授，可采用问题案例法，提高学生的学习兴趣和增强学生的理解和记忆。每个单元操作讲解的结尾，可采用综合案例法，可使学生综合利用本单元操作所学知识，解决工程设计中的实际问题。

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[责任编辑自正发]

Application and Inspiration of Case Teaching in Teaching the Heat Transfer Unit Operation

HU Fen-e1,CHAI Da-jiang2,HAN Lin-gang2,WANG Hui-ping2
(1.College of Chemical &Chemical Engineering,Qujing Normal University,Qujing 655011,China;2.Yunnan Dawei Ammonia Ltd,Qujing 655338,China)

Cultivation of applied talents is the main objectives and tasks of contemporary university education.Reasonable case teaching can preferably combine theoretical teaching and practical teaching,and help the applicationoriented talents improve their qualities.Taking the teaching of heat transfer unit operation in chemical principles for example,the application of case teaching has been detailedly analyzed by using the opening case method,the problem case method and the comprehensive case method.The results show that the effect of the case teaching is better than that of the conventional teaching method.The case teaching will help students to improve their abilities to analyze problems and solve problems.

chemical engineering;case teaching;heat transfer unit;ability cultivation

TQ016.8

：A

：1008-9128（2014）05-0108-03

2013-12-12

云南省应用基础研究计划项目(2013FZ111)；曲靖师范学院科研项目(2010QN002)；曲靖师范学院教育教学改革研究项目(JGXM2012013)

胡粉娥（1977-），女，副教授，硕士，研究方向：化学工程.