化工原理传热综合性实验的教学设计与探究

2019-11-19缪应菊谭凤玉

山东化工 2019年20期

李琳，缪应菊，吴红，谭凤玉

(六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州六盘水 553004)

化工原理是化工类本科生的基础核心课程，其中的理论知识对后续专业课程的学习具有指导意义[1-2]。化工原理实验是化工原理课程教学中的重要组成部分，一方面是理论到实践的转化，另一方面是培养学生学会用工程的意识来解决问题[3-5]。过去的化工原理实验教学多是基础性和验证性的实验，能加深学生对理论知识的理解。但是学生很难把理论知识与工程实例相结合，同时对于学生独立思考、协作能力的培养也十分有限。

随着学科的发展，我校着重培养应用型技术人才，对学生的实践能力提出了更高的要求。实验教学团队为了适应新形势下的培养目标，进一步提升教学质量，需要开发出具有综合性、创新性和开放性的实验项目。以化工原理实验中的“传热”实验为例，把空气-蒸汽对流给热系数及总传热系数的测定实验与气-气传热仿真相结合，设计出传热单元的综合性实验。

1 课程内容设计

传热是化工厂中很重要的单元操作，大部分化学反应过程都需要在特定的温度下进行。换热器的热负荷通常是化工厂能耗较大的部分。随着我国提出节能减排的要求，对于热量传递的效率和强化传热的途径都提出了新的要求。化工原理实验中的传热单元操作，是学生认识和掌握传热的重要途径[6-8]。

1.1 课程的课前准备

(1)分组并且发布实验项目的基本信息，包括实验目的和设备简图。提出传热实验需要解决的三个问题给学生，即测定总传热系数和对流传热系数，利用实验数据得出管内强制对流的经验式，通过结论得出强化传热的途径。围绕问题，让学生先理出实验的基本方案。教师对学生提交的实验方案进行分析和评价，为实验的实施做好准备。

(2)在仿真实验室先完成气-气传热仿真操作。仿真实验的操作界面是模拟化工厂的中控操作，通过仿真操作，学生进一步加深了换热器的结构和操作步骤以及需要采集的数据信息。

(3)在实验课之前，安排学生提前到实验室观察设备。化工设备的特点是结构相对复杂，管线较多，学生虽然已经学习了设备简图，但是还无法和实验设备完全对应。过去学生在上课的时候才接触设备，会浪费很多时间，对流程还十分不熟悉。提前观察设备能让学生理清流程，使实验进行的更加流畅。

1.2 课程的实施

(1)分配不同的学生来讲解设备结构、工艺流程和实验步骤。教师对重点操作进行指导，之后由每个小组独立完成实验操作。

(2)进行小组分工，完成实验。结合每个学生的特点，分别完成实验操作，数据记录，数据预处理等步骤。

(3)实验结束后，教师检查数据并提出意见。

1.3 课后的数据整理及小组讨论

以2016级化工专业第一小组数据为例，在课前准备时，学生根据需要解决的三个问题，通过查阅教材和文献，整理出需要的原始数据表格，在实验中记录数据，如表1。

表1 传热实验原始数据Tab.1 Heat transfer experiment raw data

计算出总传热系数K和对流传热系数α，解决第一个问题。利用量纲分析法，对管内强制湍流的数据进行线性拟合，学生解决第二个问题，如图1。

图1 管内强制湍流数据拟合Fig.1 Forced turbulence data fitting in the tube

从图1可以看出，线性拟合效果比较好，学生利用拟合方程得到了管内强制湍流的经验式，并与教材的经验式对比，进行小组讨论，最后得出结论，找到强化传热的途径，解决第三个问题。

2 教学效果

2.1 巩固了传热机理

传统的实验教学，是直接发布预习报告，学生按照预习报告去准备实验，没有独立思考的过程。如果在课前先提出问题，学生需要去查阅资料，自己整理出实验方案才能开始实验。实验是以理论为依据，所以学生是带着问题去预习实验，在这个过程中，对传热机理就更加熟悉了。以实验促进理论的学习，比单纯的理论教学更受欢迎。

2.2 增强了学生理论与实践的结合能力

仿真实验的引入，一方面让学生能熟悉化工厂的中控面板，另一方面可增加数据变化的复杂性。实际操作实验的时候，由于设备和课时的影响，学生得到的数据组数是不多的。在仿真实验的时候，采集数据比较迅速，可改变的条件也比较多，这更加符合化工厂的实际情况，弥补了实验教学的不足。另外，传统教学是以教师示范操作步骤为主，学生机械的完成操作，很多学生表示实验很枯燥。现在教师只对重点操作进行指导，其余部分由学生独立完成，这种以学生为主体的教学方法能激发学生的学习热情，每个学生都得到了锻炼。

2.3 增强了学生团队协作的能力

由于进行了小组分工，小组成员为3～4人，每人都有具体的工作，大家协同完成，极大的提高了学生的参与感和认同感。在过去的实验教学中，会出现比较积极的同学大包大揽，对于学生的整体发展是不利的。分工合作的教学理念使每个学生都得到重视，加强了团队意识，而这也是学生走向社会后的必备技能。小组讨论环节，每个同学都针对自己所负责的部分发言，并且对实验数据进行分析。以2016级化工专业第一小组的讨论为例，他们所得到的经验公式中的常数与教材有0.001的差距，由此展开了讨论，最后找到原因是传热时间控制的问题。