化工原理教學中的系統與邏輯思維培養

肖少華 劉冰 洪景萍

摘 要： 文章提出用系統思維和邏輯思維貫穿化工原理的知識點講授，培養學生的系統思維和邏輯思維，幫助學生樹立良好的大局觀。

關鍵詞： 化工原理 系統思維 邏輯思維

化工原理是化工工藝類及其相近專業的一門主干課，是一門很重要的技術基礎課，在系統地學習基本理論知識的同時，通過本課程的實驗教學，逐步培養學生掌握一定的基本實驗技能和工程測試方法，提高分析和解決工程實際問題的能力。化工原理實驗具有承上啟下、理論聯系實際、從科學基礎教育向工程技術教育過渡的橋梁作用，是化工高等教育必不可少的核心課程。

由于本門課程屬于工程科學，與原來所學的高等數學、普通物理等自然科學課程有較大差別，需要思維方式從嚴謹的科學思維切換到工程思維，對學生系統思維和邏輯思維的要求較高，如何學好這門重要的專業基礎課是擺在化工專業教師面前的一個普適性的問題。結合課堂教學實踐，通過把化工原理課程知識點以系統思維和邏輯思維為主線編排，以很強的邏輯關聯性、層次性展示出來，并不斷用系統思維在局部與整體之間切換視野，讓學生在學習知識點的過程中體會邏輯性與系統思維，從而很好地把培養學生系統思維和邏輯思維的教學目標融合到課程教學中去[1-2]。

一、透過現象抓本質與共性，培養抽象思維與邏輯思維

化工原理是在研究化學工業共性的基礎上發展起來的。也就是說這門課程本身就是在不斷透過現象抓本質和共性，不斷拔高、不斷凝練出來的理論，然后用理論指導實踐，解決實際問題，并用實踐檢驗理論或修正理論，最后回歸實踐，周而復始，不斷凝練提升形成的。所以，課程講授時把抽象凝練共性的過程體現出來，整個知識的脈絡、邏輯層次就很清楚了，自然而然地就把知識點的講授與抽象思維與邏輯思維很好地融合在一起。

化工原理主要研究化工生產中的物理加工過程，按其操作原理的共性歸納成若干個單元操作，單元操作作為化工原理的研究對象，根據原理又可進一步凝練歸納為三類傳遞過程：動量傳遞（流體流動、流體輸送機械、沉降與過濾）、熱量傳遞（傳熱）和質量傳遞（吸收、蒸餾、干燥）。每一個傳遞又分為兩個方面：原理和設備。整本書的大脈絡就出來了，每一個細節知識點的講授都時不時地切換到這個大脈絡中，讓學生準確定位所學知識點在邏輯層次中的歸屬，并與平行邏輯層次中的相對應的知識點對比學習，在加深印象的同時，促進總結凝練。

二、抓主要矛盾，培養工程（系統）思維

自然科學課程通常采用嚴謹的、邏輯推理的思維方法進行問題分析，而所分析的問題也大多處于理想條件下的非實際問題；而作為工程科學，化工原理所面臨的是大量的工程實際問題；只有在錯綜復雜的各影響因素中，抓住主要影響因素，進行合理簡化，才能找到解決實際問題的正確途徑。這種思維方法上的轉變凸顯出工程思維的重要性。

遇到新問題，解決問題最常用的思路：希望通過某種轉化，比如理想化的假設簡化，把新問題轉化為熟悉的、已經解決了的問題。所謂理想化的假設簡化，其實就是抓主要矛盾，理想化次要矛盾，做出科學合理的假設。這種處理思維在化工原理中很常見，也是處理實際工程問題的常用思維。在課程知識點的傳授過程中，注意這種思維方式的融合，有利于培養學生的工程思維。

熱量傳遞的基本方式有三類：熱傳導、對流和輻射。化工工業基本都是對流傳熱，很顯然，對流傳熱是傳熱理論研究的重點。為了解決這個新問題，通過抓主要矛盾：流體和固體壁面之間對流傳熱過程的熱阻主要集中在層流底層中。提出有效膜理論，科學合理地把處于次要矛盾地位的過渡區和湍流主體的傳熱阻力全部疊加到厚度為8的層流底層中，于是把對流傳熱這個新問題成功轉化為熟悉的已經解決了的三層圓筒壁的熱傳導問題。適用于熱傳導的傅里葉定律也就可以用來解決化工工業中隨處可見的對流傳熱問題了。

類似的情況同樣適用于質量傳遞過程。氣體吸收單元操作中存在氣液兩相之間的對流傳質，對流傳質中又同時存在分子擴散與湍流擴散。實際情況中肯定是湍流擴散占主導，即主要矛盾，為了解決這個接近實際的新問題，同樣是抓住主要矛盾的主要方面：傳質阻力主要集中在相界面兩側的層流膜層。然后進行科學合理化的假設——雙膜理論，認為流體主體沒有濃度梯度即沒有傳質阻力，所有的阻力都理想化集中到兩個虛擬的膜層內，于是把對流傳質這個新問題轉化成了可以用分子擴散這個熟悉的已經解決了的問題來求解。于是，適用于分子擴散的菲克定律被用來解決氣體吸收單元操作的對流傳質問題。

綜上所述，當以這樣一種方式講解知識點時，就給了學生一種全新的視野和感受，看到邏輯思維在表達時的清晰思路與明確的層級關系的通透之美，看到工程思維在解決實際問題時的“避輕就重”與“直擊要害”的簡約而不簡單。在邏輯思維與工程思維的美感的吸引下，有益于提高學生的學習興趣，以拋磚引玉，把這種思維和方法論應用到其他課程的學習甚至生活中。

參考文獻：

[1]王志魁，劉麗英，劉偉.化工原理[M].北京：化學工業出版社，2012.

[2]大連理工大學.化工原理[M].北京：高等教育出版社，2002.

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金（CZQ13004）。