比较教学法在化工原理实验课程教学中的应用

高 翔， 叶向群， 朱明乔， 何潮洪

(浙江大学 化学工程与生物工程学院，杭州 310027)

0 引 言

化工原理实验课程属于工程类实验课程，化工实验装置结构复杂，实验数据大多较易波动。本课程所面对的学生都是初次接触化学工程实验装置，由于没有工程概念，看到比自己以前所学学科的实验装置规模大了许多倍的实验装置，学生基本上是无所适从，对于化工及相关专业学生而言，其对实验过程的概念还停留在以往精细的基础实验过程，如化学实验、物理实验、电子实验等，学生因缺少工程概念，表现出来的主要 “症状”就是不能容忍实验过程中各种误差的存在，对误差产生的原因也只能笼统地描述，甚至错误地认为数据波动是由实验装置的“旧”引起的，对实验过程的分析也仅仅停留在实验数据波动产生的误差上，忽略了对实验过程及结果的深入分析。如果教学过程只是单一的实验过程讲解和操作，学生的实验收获往往就是完成了对实验数据的处理，并没有达到实验课程应有的目的。因此需要采用不同于化学、物理等基础实验课程的实验教学方法，给学生正确的工程理念引导。

著名教育学家乌申斯基说过：“比较是一切理解和思维的基础”。比较是人们常用的思维方式，是主动思考的过程，是提高分析和综合能力的过程。国内许多高校在多种学科的教学过程中采用了不同形式的比较教学法，从中取得了一定的成效[1-6]，如何通过实验课程给与学生以更大的收获，通过多年化工实验课程教学，认为实验教学中的实验设备作为实验课程的重要组成部分，可以给与学生相同实验多种实验设备的不同体验，通过比较，将两个或两个以上内容辨出异同，有助于认识内容本质。同时学生的认知能力在比较过程中逐步建构，不断丰富、提高和发展。

1 比较教学法在实验装置中的应用

1.1 不同流动阻力实验装置的比较

流动阻力实验是化工原理实验的基础实验，常规流动阻力实验采用的是工业流体输送的管路作为实验研究对象，如管径1″的镀锌管或不锈钢管等。实验装置如图1所示，学生通过该实验装置可以比较不同材质的常规管道的流体流动阻力，得到宏观流体流动时的直管摩擦系数与雷诺数的关系。

1-水箱，2-离心泵，3-流量调节阀，4-流量计，5-温度计，6～9-压差传感器，10,11-实验阀门，12,13-实验管路

图1 常规流体阻力实验装置

近年来随着电子信息工业的飞速发展，微流体技术因为具有卓越的传质、传热及安全性能,连续化操作和可实现流体精确调控等特性,成为过程强化的一个重要手段，使得微流体设备被广泛应用于电子工业、化学工业和生物医学等领域，如微换热器、微混合、微分离过程及燃料电池等[7]。微尺度下的流动过程由于尺寸效应、表面效应等因素的影响，微流体的驱动与控制与宏观流体有很大的不同[8]，相对于常规管路的流动阻力会增大，而安全、清洁、有效、节能和可持续性是微流体设备所要达到的目标，研究微尺度下的流体流动阻力具有重要意义。为此建立了如图2所示的微管流体阻力实验装置，微管(管径100～1 000 μm)表现出来阻力现象和常规管路是完全不同的。采用常规管阻力与微管阻力比较教学，即学生在完成常规管路流体阻力实验之后进行微管阻力实验，比较微管流动阻力特性与常规管的差异，学生通过实验可以发现宏观经典理论的局限性，从而能够从多方面理解流体阻力，扩大了传统基础化工的研究范围，给予学生多视角的收获，也有利于化工专业学生拓展就业领域。

1-高压氮气钢瓶，2-氮气调节阀，3,7-过滤器，4-气体稳压罐，5-储液罐，6-盘管，8-压力变送器，9,10-混合腔，11-数字转换器，12-平底烧瓶

图2 微管流动实验装置

1.2 不同间壁传热实验装置的比较

传热是化工过程理论基础中的“三传”之一，通过设立多种实验装置以构成传热实验的比较,其中一种传热实验装置是热空气与水之间的换热，如图3所示。

由于相对于其他介质而言水的比热较大，而在实验装置规模有限的换热条件下单位时间的传热量又较小，由此造成水的进出温度变化幅度非常小，因此不可避免产生较大的实验误差，实验结果得到的空气强制对流传热与流动状态之间的关系与化工原理教材上的经验关系式相去甚远，更有甚者冷却水的温度增幅为负值，这显然是不合理的。

另一种传热实验装置是水蒸汽与空气之间的换热，如图4所示。

换热过程中水蒸汽冷凝放热为相变过程，故实验过程中水蒸汽侧的温度不变，而空气的比热很小，因此在有限的换热量下进出换热管的空气温差也非常明显，学生将实验数据进行处理就能得到空气传热与流动之间关联的合理结果，此外装置中的实验换热管除普通套管换热器，还可以切换操作强化套管换热器，强化套管换热器即在套管换热器的内管(空气侧)增设扰流元件，蒸汽与空气通过套管换热器换热的热阻主要集中在空气侧，空气管内的扰流元件可以增加空气流动的湍流程度，使得空气侧传热热阻下降，进而有效地强化传热过程。对比这些换热实验的实验数据后，学生对于实验误差所产生的原因及后果有了清晰的认识，对强化传热的手段也有了进一步的认识，由于传热强化的同时空气的流动阻力也会显著增加[9]，因而该实验过程的对比使得学生对实际工程中强化传热元件的利与弊有了较深刻的认识，十分有利于学生对“利弊综合权衡”和“经济效益”等工程观点的理解。

1-旋涡风机，2,12～15-温度计，3-压力计，4-孔板流量计，5-压差传感器，6-截止阀，7-电加热器，8-套管换热器，9-铂热电阻，10,11-热电偶

图3 水-热空气传热实验装置

图4 水蒸汽-空气传热实验装置

1.3 不同液液萃取实验装置的比较

萃取是分离和提纯物质的重要单元操作之一，是利用混合物中各个组分在外加溶剂中的溶解度的差别，使组分得到分离。在当今迅速发展的生产具有高附加值产品的精细化工中有着广泛的应用，如中药活性成分的提取等[10-11]。

在化工原理理论教材中，萃取作为重要的化工单元过程，简要介绍了转盘萃取和脉冲萃取。从实验教学角度看，小型的转盘萃取装置较易搭建，如图5所示。

1-原料贮槽，2-收集槽，3-电动机，4-控制柜，5-转盘萃取塔，6,9-流量计，7-萃取剂贮罐，8,10-输送泵，11-排出液管，12-转速测定仪，A,B,C-取样口

图5 转盘萃取实验装置

但从国内化工界的工程实践看，大型萃取装备实际采用的是脉冲萃取塔，基本不用转盘萃取塔，其主要原因有二：①转盘萃取塔比脉冲萃取塔通常更耗能；②大型的转盘萃取塔需要较长(往往20～30 m)且偏心度很小的转轴，否则装在长转轴上的转盘会偏离水平面，导致萃取效率急剧下降并容易发生不正常的“液泛”现象，而局限于目前国内的加工水平，很难加工得到偏心度很小的长转轴，换句话说转盘萃取塔属于理论上可行但实际工程上较难实施的设备。因此化工原理实验教学中原采用的转盘萃取装置实际上是与工程实践脱节的，而普通的填料塔和筛板塔易出现返混影响平衡级效率[12]，实际工程上有多种强化萃取过程的方法[13]，通过“产学研”相结合，将科研创新成果应用到实验课程的装置中，建立了具有自主知识产权的脉冲萃取实验装置[14]，如图6所示。

1-原料贮槽，2-收集槽，3-脉冲系统，4-控制柜，5-脉冲萃取塔，6,9-流量计，7-萃取剂贮罐，8,10-输送泵，11-排出液管,A,B,C-取样口

图6 脉冲萃取实验装置

该实验装置相当于大型工程装备的小型版，实验过程具备多个可调参数(包括脉冲频率、脉冲振幅、两相流量等)，非常有利于学生的工程训练，萃取实验教学中脉冲萃取与转盘萃取的实验装置与实验结果的比较，可以让学生充分认识到在萃取效果提升的同时需要更多外加能量的消耗，让学生更深入地理解“节能的考虑”“加工水平的考虑”等工程观点，取得了很好的教学效果。

2 比较教学法实验中的体会

实验课程是通过实验装置给与学生以足够的操作体验，化工原理实验课程是给与化工专业类学生建立工程概念的首要基本课程[15]，如何通过实验课程让学生得到更多的收获，实验装置的更新换代显然是必不可少的，但不能片面地要求实验装置全部求新求异，如果新建的实验设备都愈来愈自动化，这样“全自动”的“新”实验装置使得学生在实验过程中几乎不需要操作设备，显然违背了实验类课程设置的初衷；然而“全手动”的“旧”实验装置又与当今科学技术的发展相悖，对于实验教学而言，显然自动与手动各有利弊，而自动与手动的有机结合则有利于提高实验教学质量[16]，因此在建立具有先进技术的“新”实验装置的同时刻意保留一些“旧”实验装置，实验教学过程毕竟不同于实际生产过程，让学生在实验过程中 进行“新”与“旧”的对比，并将得到的实验数据及实验结果做比较，使得学生在实验课程中对于所学的内容既把握了区别又找到了联系，从而建立起良好的工程理念，较好地领会多种工程意义，并体会工程与科学的联系与差别，教学效果良好。

3 结 语

对应理、工、农、医及国际交流生等不同专业、不同层次的实验教学需求，可以有多方面的化工实验比较教学法，在实际教学过程中根据实验项目的不同，选择包括实验装置中不同参数对过程影响的比较、传统与现代的比较、实验教学装置与工程实际装备的比较、探究实验与例行实验的比较等，并且将比较教学法同其他教学方法相互结合、相互渗透，达到了使学生充分认知实验过程的目的。