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摘要:化工原理實驗的流程設計是實驗教學的重要內容，有利于培養學生的工程能力與創新意識。根據教學實踐，武漢工程大學提出了參數歸類教學法指導化工原理實驗流程設計教學。該教學法的關鍵是根據實驗任務確定測量原理方程，然后對原理方程所涉及的參數按照物性參數、設備參數和操作參數進行分類。教學實踐表明，采用該法進行流程設計有利于學生掌握與理解化工原理實驗的共性，易于學習與實踐。

關鍵詞:化工原理;參數歸類;實驗課程;教學方法;流程設計

化工原理實驗是化工原理課程體系中重要的實踐環節，通過動手實驗，學生學會運用單元操作原理解決實際問題，培養工程實踐能力［1－3］。各高校都在積極探索實驗教學的改革。有的改進教學方法［4－6］，如采用比較教學法、五步教學法和翻轉課堂線上線下融合;有的改革教學內容［7－8］，如增設演示型、驗證型、研究開發型、綜合設計型實驗和開放型實驗項目;有的改革試驗教學過程［9－11］:對實驗的預習、實驗操作模式、考核體系進行改革;有的將理論與實驗同步進行、相互滲透［12］。而實驗流程設計是實驗課程中一項重要內容［13］，是實驗應該培養的學生核心能力，體現了學生綜合運用專業知識解決工程問題的能力。浙江大學、天津大學、大連理工大學、華南理工大學等院校的化工原理研究生入學考試中針對化工原理實驗內容，常常包括實驗流程設計，如天津大學研究生入學考試考研大綱中實驗考試的內容［14］為:實驗目的與內容，實驗原理，實驗流程及裝置，實驗方法，實驗數據處理方法和實驗結果分析等。然而關于化工原理實驗流程設計的教學研討少見發表，郭翠梨［13］從實驗設備、儀表的設計與選擇，實驗裝置的安裝，實驗裝置的調試三個方面對實驗流程設計進行了介紹。但主要內容是實驗流程設計的大原則，并未針對具體的實驗任務中主體設備、輔助設備、測量儀表的確定過程進行詳細介紹。武漢工程大學化學工程與工藝專業于2016年通過了教育部全國工程教育專業認證。該校化工原理課程發展中心教師團隊根據多年的本科教學經驗提煉出化工原理實驗的共性，總結出參數歸類法指導實驗流程設計，與同行們交流。

1實驗流程設計問題的內容

問題舉例:試設計一個實驗流程，通過該裝置可以測定無縫鋼管的λ～Re關系曲線。(1)說明需測量哪些參數，畫出實驗流程示意圖，并標出測試儀表的名稱與測試點;(2)簡述實驗步驟;(3)說明λ～Re關系曲線需在何種坐標紙中標繪。可見對于特定的實驗任務，實驗流程設計包括的內容有:(1)實驗原理;(2)測量參數與儀表;(3)流程圖;(4)實驗步驟;(5)原始數據記錄表格;(6)數據處理。

2實驗流程設計參數歸類教學法介紹

從教學實踐看，實驗原理、實驗步驟與數據處理3項內容實驗教材介紹得較為詳細。學生在做實驗和流程設計中遇到的主要問題是:如何確定測量參數與儀表?如何自己繪制流程圖?如何確定原始數據記錄表格?筆者認為由于每一個化工原理實驗的任務都是通過物料在特定的單元設備內操作得以實現。雖然每個實驗所涉及的參數數目迥異，但是都可以分為三大類:設備(裝置)參數、操作參數和物性參數。為此筆者提出參數歸類教學法指導實驗流程設計。具體過程見下:第一步，根據實驗任務提煉出測量原理方程。該步驟是流程設計的關鍵步驟之一。通常每一個實驗的實驗原理都會有多個方程。在該步驟不是羅列實驗原理涉及的所有方程而是確定直接反映實驗任務的方程。第二步，將原理方程中的物理量按照設備(裝置)參數、操作參數、物性參數進行歸類，該步驟也是流程設計的關鍵步驟。縱觀各種版本的實驗教材，每個基本實驗的內容通常為:實驗目的、實驗原理、裝置圖、實驗步驟、原始數據記錄表、報告要求和思考題。并沒有對測量參數進行分析。這導致學生閱讀裝置圖時，對于為什么要設置測量儀表感到茫然?在現場實驗時學生經常直接看儀表盤有哪些測量儀表?而不是看裝置圖中儀表的測量位置。為解決學生的困惑，筆者在講授實驗課時不僅僅介紹測量的原理，還對測量原理方程所涉及的參數進行分析。并且不以參數的數目逐一分析，而是按照設備(裝置)參數、操作參數和物性參數進行分類。這種分類方法體現了化工原理實驗的工程特色。不論參數多寡都歸為三類，有如綱目，目之多寡皆入綱。可以藉此培養學生的洞察力和從看似毫無規律的現象中尋找規律、發現共性的意識。這一步其實是理論課的設計型計算在實驗中的應用。第三步，根據操作參數與物性參數確定需要配置的儀表，為繪制流程示意圖奠定基礎。第四步，確定工況變化時的調節參數與調節手段。由于化工原理實驗基本上都需要測量多個實驗點即對應多個工況，所以需要明確獲得不同數據點要調節的參數與調節手段。這樣分析有助于學生理解理論課的操作型計算問題。第五步，根據第三步與第四步確定的儀表添加主體設備、輔助設備、管件與閥件繪制流程示意圖。實驗裝置是由各種單元設備和測試儀表通過管路、管件和閥門等以系統的合理的方式組合而成的整體［13］。所以化工原理的每一個實驗的實驗裝置可以歸類為以下4類部件:(1)主體設備;(2)輔助設備;(3)測試儀表;(4)管道、閥門、管件。主體設備與測試儀表由第一步至第三步得到。下面就選擇輔助設備與閥門的依據進行分析:(1)輔助設備化工原理實驗中所用的輔助設備主要包括輸送機械和換熱設備。輸送設備:輸送液體時配備泵與貯液槽，液體也可以通過高位槽輸送;輸送空氣配風機或壓縮機。換熱設備:若流體在整個實驗流程中有換熱需求，按以下情況分別處理:①氣體為蒸汽，則配水槽和蒸汽發生器;②空氣作為加熱介質，則配電加熱器;③蒸汽需冷凝，配冷凝器(精餾單元);④液體需汽化，則配再沸器。(2)閥門閥門在配置時遵循以下原則:①離心式輸送機械在出口管路上配流量調節閥;②正位移式輸送機械配旁路調節閥;③轉子流量計的下方裝流量調節閥;④液體貯槽要配排液閥門。第六步，根據第二步與第四步的分析結果確定原始數據記錄表。在繪制原始數據記錄表時，設備參數通常為一次性數據。若實驗僅需一組數據，反映物性參數的儀表數據與操作參數數據全部列在原始數據表格內;若需測量多組數據，除傳熱實驗外反映物性數據的溫度記在表頭，操作參數列在原始數據記錄表內。上述的參數歸類法開展流程設計的過程可以簡要地用圖1表示。

3實驗流程設計參數歸類教學法實例

以測定無縫鋼管的λ～Re關系曲線的流程設計任務為例，運用參數歸類法的教學過程見下。第一步，確定測量原理方程。流體流過長為l、內徑為d的水平直管，在直管的上游1－1截面與下游2－2截面間列伯努利方程有:式中:d為直管內徑，m;hf為直管阻力損失，J/kg;l為管長，m;Δpf為直管阻力引起的壓強降，Pa;p1，p2分別為上游與下游截面的壓強;z1，z2分別為上游與下游截面的高度，m;qV為流量，m3/s;ρ為流體的密度，kg/m3;μ為流體的粘度，Pa•s。可見，方程(4)、(5)為測量原理方程。第二步，參數歸類。方程(4)～(5)包含的自變量參數有:d、Δpf、ρ、l、qV、μ，共6個參數，按三參數歸類結果為:設備參數:d、l;操作參數:qV、Δpf;物性參數:ρ、μ。第三步，確定測量儀表。設備參數d、l:實驗設計時選定，不需配備測量儀表;操作參數qV、Δpf:用流量計測qV，用壓差計測Δpf;物性參數ρ、μ:用溫度計測液體的溫度，通過溫度確定液體的ρ、μ。綜合分析，完成實驗任務需要配備的儀表有:流量計，壓差計，溫度計。第四步，確定工況變化時的調節參數與調節手段。在這一步可以引導學生思考在自變量參數中改變哪個參數實驗成本低，操作方便?從6個自變量(d、l、Δpf、qV、ρ、μ)看，改變qV最方便，改變ρ、μ或d、l成本增加。再進一步引導學生，改變qV的途徑:是改變管路特性曲線還是改變泵的特性曲線?通過這樣的分析加深了學生對工程實驗的經濟性和理論對實驗的指導作用的認識，還能培養學生的工程思維和激發學生的學習熱情。第一至第四步的結果可以用圖2表示。

4課后問卷調查

(1)你愿意用一核心三要素參數法剖析實驗原理還是直接看實驗書的原理介紹?(2)你能運用一核心三參數法制定實驗原始數據記錄表嗎?(3)學習一核心三參數法后對于新的化工原理實驗任務，你能自己進行流程設計嗎?從問卷結果可見，80%以上的同學愿意用一核心三參數法剖析實驗原理，90%以上的同學能根據一核心三參數法自己規劃實驗數據記錄表，近80%的同學能用一核心三參數法進行流程設計。可見一核心三參數法教學效果顯著。教學實踐與結語。

5結語

筆者在2017級精細化工、化學工程與工藝卓越工程師、2018級藥物制劑專業進行了化工原理參數歸類教學法的實踐。并在學生學習該方法后，遇到新的化工原理實驗任務能否自己進行流程設計進行問卷。近80%的同學認為有信心自己進行初步的實驗流程設計。學生反饋該法能讓他們積極思考，主動作為，發現共性，激發學習熱情且易于掌握。在化工原理實驗教學時培養學生的流程設計能力，可激發學生的學習主動性，讓學生成為設計者，提高學生解決工程問題的能力，也有利于培養學生的創新意識。流程設計參數歸類法有利于學生掌握與理解化工原理實驗的共性，一年的教學實踐結果表明采用該法教學，學生易學易于實踐。誠然該方法的具體實施還有待繼續實踐與完善。

作者：唐正姣 陳蘇芳 李萍 覃遠航 單位：武漢工程大學化工與制藥學院