摘要:化工原理实验的流程设计是实验教学的重要内容，有利于培养学生的工程能力与创新意识。根据教学实践，武汉工程大学提出了参数归类教学法指导化工原理实验流程设计教学。该教学法的关键是根据实验任务确定测量原理方程，然后对原理方程所涉及的参数按照物性参数、设备参数和操作参数进行分类。教学实践表明，采用该法进行流程设计有利于学生掌握与理解化工原理实验的共性，易于学习与实践。
关键词:化工原理;参数归类;实验课程;教学方法;流程设计
化工原理实验是化工原理课程体系中重要的实践环节，通过动手实验，学生学会运用单元操作原理解决实际问题，培养工程实践能力［1－3］。各高校都在积极探索实验教学的改革。有的改进教学方法［4－6］，如采用比较教学法、五步教学法和翻转课堂线上线下融合;有的改革教学内容［7－8］，如增设演示型、验证型、研究开发型、综合设计型实验和开放型实验项目;有的改革试验教学过程［9－11］:对实验的预习、实验操作模式、考核体系进行改革;有的将理论与实验同步进行、相互渗透［12］。而实验流程设计是实验课程中一项重要内容［13］，是实验应该培养的学生核心能力，体现了学生综合运用专业知识解决工程问题的能力。浙江大学、天津大学、大连理工大学、华南理工大学等院校的化工原理研究生入学考试中针对化工原理实验内容，常常包括实验流程设计，如天津大学研究生入学考试考研大纲中实验考试的内容［14］为:实验目的与内容，实验原理，实验流程及装置，实验方法，实验数据处理方法和实验结果分析等。然而关于化工原理实验流程设计的教学研讨少见发表，郭翠梨［13］从实验设备、仪表的设计与选择，实验装置的安装，实验装置的调试三个方面对实验流程设计进行了介绍。但主要内容是实验流程设计的大原则，并未针对具体的实验任务中主体设备、辅助设备、测量仪表的确定过程进行详细介绍。武汉工程大学化学工程与工艺专业于2016年通过了教育部全国工程教育专业认证。该校化工原理课程发展中心教师团队根据多年的本科教学经验提炼出化工原理实验的共性，总结出参数归类法指导实验流程设计，与同行们交流。
1实验流程设计问题的内容
问题举例:试设计一个实验流程，通过该装置可以测定无缝钢管的λ～Re关系曲线。(1)说明需测量哪些参数，画出实验流程示意图，并标出测试仪表的名称与测试点;(2)简述实验步骤;(3)说明λ～Re关系曲线需在何种坐标纸中标绘。可见对于特定的实验任务，实验流程设计包括的内容有:(1)实验原理;(2)测量参数与仪表;(3)流程图;(4)实验步骤;(5)原始数据记录表格;(6)数据处理。
2实验流程设计参数归类教学法介绍
从教学实践看，实验原理、实验步骤与数据处理3项内容实验教材介绍得较为详细。学生在做实验和流程设计中遇到的主要问题是:如何确定测量参数与仪表?如何自己绘制流程图?如何确定原始数据记录表格?笔者认为由于每一个化工原理实验的任务都是通过物料在特定的单元设备内操作得以实现。虽然每个实验所涉及的参数数目迥异，但是都可以分为三大类:设备(装置)参数、操作参数和物性参数。为此笔者提出参数归类教学法指导实验流程设计。具体过程见下:第一步，根据实验任务提炼出测量原理方程。该步骤是流程设计的关键步骤之一。通常每一个实验的实验原理都会有多个方程。在该步骤不是罗列实验原理涉及的所有方程而是确定直接反映实验任务的方程。第二步，将原理方程中的物理量按照设备(装置)参数、操作参数、物性参数进行归类，该步骤也是流程设计的关键步骤。纵观各种版本的实验教材，每个基本实验的内容通常为:实验目的、实验原理、装置图、实验步骤、原始数据记录表、报告要求和思考题。并没有对测量参数进行分析。这导致学生阅读装置图时，对于为什么要设置测量仪表感到茫然?在现场实验时学生经常直接看仪表盘有哪些测量仪表?而不是看装置图中仪表的测量位置。为解决学生的困惑，笔者在讲授实验课时不仅仅介绍测量的原理，还对测量原理方程所涉及的参数进行分析。并且不以参数的数目逐一分析，而是按照设备(装置)参数、操作参数和物性参数进行分类。这种分类方法体现了化工原理实验的工程特色。不论参数多寡都归为三类，有如纲目，目之多寡皆入纲。可以藉此培养学生的洞察力和从看似毫无规律的现象中寻找规律、发现共性的意识。这一步其实是理论课的设计型计算在实验中的应用。第三步，根据操作参数与物性参数确定需要配置的仪表，为绘制流程示意图奠定基础。第四步，确定工况变化时的调节参数与调节手段。由于化工原理实验基本上都需要测量多个实验点即对应多个工况，所以需要明确获得不同数据点要调节的参数与调节手段。这样分析有助于学生理解理论课的操作型计算问题。第五步，根据第三步与第四步确定的仪表添加主体设备、辅助设备、管件与阀件绘制流程示意图。实验装置是由各种单元设备和测试仪表通过管路、管件和阀门等以系统的合理的方式组合而成的整体［13］。所以化工原理的每一个实验的实验装置可以归类为以下4类部件:(1)主体设备;(2)辅助设备;(3)测试仪表;(4)管道、阀门、管件。主体设备与测试仪表由第一步至第三步得到。下面就选择辅助设备与阀门的依据进行分析:(1)辅助设备化工原理实验中所用的辅助设备主要包括输送机械和换热设备。输送设备:输送液体时配备泵与贮液槽，液体也可以通过高位槽输送;输送空气配风机或压缩机。换热设备:若流体在整个实验流程中有换热需求，按以下情况分别处理:①气体为蒸汽，则配水槽和蒸汽发生器;②空气作为加热介质，则配电加热器;③蒸汽需冷凝，配冷凝器(精馏单元);④液体需汽化，则配再沸器。(2)阀门阀门在配置时遵循以下原则:①离心式输送机械在出口管路上配流量调节阀;②正位移式输送机械配旁路调节阀;③转子流量计的下方装流量调节阀;④液体贮槽要配排液阀门。第六步，根据第二步与第四步的分析结果确定原始数据记录表。在绘制原始数据记录表时，设备参数通常为一次性数据。若实验仅需一组数据，反映物性参数的仪表数据与操作参数数据全部列在原始数据表格内;若需测量多组数据，除传热实验外反映物性数据的温度记在表头，操作参数列在原始数据记录表内。上述的参数归类法开展流程设计的过程可以简要地用图1表示。
3实验流程设计参数归类教学法实例
以测定无缝钢管的λ～Re关系曲线的流程设计任务为例，运用参数归类法的教学过程见下。第一步，确定测量原理方程。流体流过长为l、内径为d的水平直管，在直管的上游1－1截面与下游2－2截面间列伯努利方程有:式中:d为直管内径，m;hf为直管阻力损失，J/kg;l为管长，m;Δpf为直管阻力引起的压强降，Pa;p1，p2分别为上游与下游截面的压强;z1，z2分别为上游与下游截面的高度，m;qV为流量，m3/s;ρ为流体的密度，kg/m3;μ为流体的粘度，Pa•s。可见，方程(4)、(5)为测量原理方程。第二步，参数归类。方程(4)～(5)包含的自变量参数有:d、Δpf、ρ、l、qV、μ，共6个参数，按三参数归类结果为:设备参数:d、l;操作参数:qV、Δpf;物性参数:ρ、μ。第三步，确定测量仪表。设备参数d、l:实验设计时选定，不需配备测量仪表;操作参数qV、Δpf:用流量计测qV，用压差计测Δpf;物性参数ρ、μ:用温度计测液体的温度，通过温度确定液体的ρ、μ。综合分析，完成实验任务需要配备的仪表有:流量计，压差计，温度计。第四步，确定工况变化时的调节参数与调节手段。在这一步可以引导学生思考在自变量参数中改变哪个参数实验成本低，操作方便?从6个自变量(d、l、Δpf、qV、ρ、μ)看，改变qV最方便，改变ρ、μ或d、l成本增加。再进一步引导学生，改变qV的途径:是改变管路特性曲线还是改变泵的特性曲线?通过这样的分析加深了学生对工程实验的经济性和理论对实验的指导作用的认识，还能培养学生的工程思维和激发学生的学习热情。第一至第四步的结果可以用图2表示。
4课后问卷调查
(1)你愿意用一核心三要素参数法剖析实验原理还是直接看实验书的原理介绍?(2)你能运用一核心三参数法制定实验原始数据记录表吗?(3)学习一核心三参数法后对于新的化工原理实验任务，你能自己进行流程设计吗?从问卷结果可见，80%以上的同学愿意用一核心三参数法剖析实验原理，90%以上的同学能根据一核心三参数法自己规划实验数据记录表，近80%的同学能用一核心三参数法进行流程设计。可见一核心三参数法教学效果显著。教学实践与结语。
5结语
笔者在2017级精细化工、化学工程与工艺卓越工程师、2018级药物制剂专业进行了化工原理参数归类教学法的实践。并在学生学习该方法后，遇到新的化工原理实验任务能否自己进行流程设计进行问卷。近80%的同学认为有信心自己进行初步的实验流程设计。学生反馈该法能让他们积极思考，主动作为，发现共性，激发学习热情且易于掌握。在化工原理实验教学时培养学生的流程设计能力，可激发学生的学习主动性，让学生成为设计者，提高学生解决工程问题的能力，也有利于培养学生的创新意识。流程设计参数归类法有利于学生掌握与理解化工原理实验的共性，一年的教学实践结果表明采用该法教学，学生易学易于实践。诚然该方法的具体实施还有待继续实践与完善。
作者：唐正姣 陈苏芳 李萍 覃远航 单位：武汉工程大学化工与制药学院
