對《化工傳遞過程》課程教學的思考

李昌進

(安慶師范學院化學化工學院，安徽　安慶　246011)

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對《化工傳遞過程》課程教學的思考

李昌進

(安慶師范學院化學化工學院，安徽安慶246011)

《化工傳遞過程》是化工專業的必修課程，難度大，課時少。《化工傳遞過程》課程的理論性和工程性強，它研究化工過程中動量、熱量和質量傳遞的機理及三類傳遞過程之間的類似性。同時，培養學生的數學思想和意識，掌握化工過程的量化方法，是本課程學習的重要目的。本文基于該課程內容上與化工原理的區別與聯系、貫穿整個課程的傳遞機制、數學模型的建立與求解、提高學生的學習興趣幾個重要方面，開展了提高教學質量的探索。

課程特點；傳遞機制；數學模型

《化工傳遞過程》是本科化學工程與工藝專業的專業基礎課，它是是繼化工原理、化學反應工程之后，進一步學習化學工程與工藝專業的專業課程。《化工傳遞過程》課程的理論性和工程性強，它研究化工過程中動量、熱量和質量傳遞的機理，揭示三類傳遞過程之間存在的類似性，并且還涉及到主要單元操作的典型設備構造、過程計算及實驗研究方法等內容[1]。該課程具有以下特點：具有很強的工程理論性，課程內容公式多、推理邏輯性強；對高等數學的依賴性強；要求理解復雜物理過程的能力強，基本規律多，需建立數學模型。我院化學工程與工藝專業大三本科生開設了本課程，我院的課時安排只有34學時，學時有限。由于本課程的以上特點，學生普遍反映比較難掌握，對物理過程和數學模型的本質理解不清，還有涉及大量理論公式，授課過程沉悶，導致他們對該課程的興趣不足。針對我院的實際情況和在教學實踐中的經驗，本文從教學內容和教學形式兩方面做了以下思考和探索。

1　課程內容上與化工原理的區別與聯系

《化工傳遞過程》是在化工原理和化學反應工程等課程的基礎上研究三傳過程變化規律的學科，因此它與這些課程的關系是需要向學生重點講明的。在授課過程中可將本門課程的內容與這些相關課程的內容進行對比。例如在化工原理中講過流體流動，那么它與本課程的動量傳遞有什么聯系，又有什么不同，這樣設問就可引發學生的思考。教學中要充分重視傳遞過程與單元操作的聯系與區別，傳遞過程是在對化工單元操作的基礎上，進一步對化工生產過程作的歸納。在講傳遞過程時，主要從微觀角度研究流體在動量、熱量和質量傳遞產生過程中的作用，研究用的是微分思維，涉及流體的微元傳遞規律，考察流體場中不同時間的變化情況[2]；而化工原理主要側重宏觀角度研究整個流體的動量、熱量和質量傳遞基本規律，沒有考察流體隨時間的變化情況。將不同化工生產過程中，遵循相同的物理學規律，具有相似功能的基本物理操作，稱為單元操作，這是化學工程研究方法的一大進步。而將化工單元操作(化工原理)的共性歸納為動量、熱量和質量傳遞過程并且系統地論述，則是研究方法的進一步提升，將化學工程的研究方法由經驗分析上升為理論分析方法，從宏觀深入到微觀。如果說單元操作是行業共性的歸納，那么傳遞過程則是行業共性在科學機理層面上的進一步升華。《化工傳遞過程》課程實質上是從微觀角度考察化學工程本質問題，講清這一點是非常重要的。這樣做可以讓學生領會到本門課程的作用和意義，提高學生的學習積極性和興趣。

2　貫穿整個課程的傳遞機制

三種傳遞現象不管是動量傳遞、熱量傳遞還是質量傳遞，它們的傳遞機理只有兩種—分子擴散傳遞和渦流擴散傳遞。《化工傳遞過程》圍繞三傳問題進行講授，因此傳遞機理是一個重要的概念，需要讓學生理解三傳的兩種傳遞機制，分子傳遞和渦流傳遞機制。依靠分子運動所控制的傳遞形式稱為分子傳遞機制；由于流體中充滿渦旋及其流動產生強烈的混合運動所控制的傳遞形式稱為渦流傳遞機制。我們可以進一步展開，即動量傳遞主要由層流流動和湍流流動中的兩種傳遞形式組成，而熱量傳遞則由導熱和對流傳熱兩種形式控制，質量傳遞由分子擴散和對流傳質兩種形式控制，這三者前一種形式都是分子擴散傳遞，后一種形式則是渦流擴散傳遞。三傳在數學處理上不管是動量傳遞、熱量傳遞還是質量傳遞，因為它們有相同的傳遞機理，所以數學表達式(微分方程的形式)是基本相似的[3]。在授課過程中，可以選擇一種重點講，比如對于動量傳遞部分詳細講解，在接下來的傳熱和傳質過程中可以省略一些，即把一個傳遞過程講透徹了，其它相似的傳遞過程就變得容易。因為傳遞機制的概念貫穿整個課程，如果學生理解好了，那么他們就能把三傳大致串起來，雖然課程中概念和公式較多，基本方程又相當復雜，但利用傳遞過程的共性，并結合工程實例，對實際問題進行具體分析，就可以用對比法學好《化工傳遞過程》這門課程。這時學生就會覺得公式沒有那么多了，也不是很難理解了，而且公式之間也有著內在聯系。

3　數學模型的建立與求解

化工傳遞中涉及到許多建立數學模型和解數學模型的內容，對于本科生而言，這部分內容掌握起來難度很大，因此需要改進講授方式。數學模型是實際物理模型的抽象。任何學科發展到較高的理論水平，都需要對研究對象進行抽象處理，歸納出理論原型或數學模型。由于整個模型的建立過程都是在一定的條件下進行的，因此還原體系的初始過程，使學生理解具體的推導過程的邏輯脈絡，可以保證學生在模型建立過程中思路清晰。首先確定物理模型，闡述三種傳遞所遵循的三個基本物理過程的規律；接著建立動量、熱量和質量傳遞的基本微分方程，即建立數學模型，將已知的物理問題歸納為方程組，根據具體問題，由已知條件簡化方程組、提出邊界條件求解方程，從而達到求解的目標，求出速度、溫度或濃度分布規律；也可以進一步求傳遞速率[4]。這種通用的思路有利于學生按規律來掌握此類問題。而對于方程組的求解，由于實際化工工程問題的復雜性，需要做適當的簡化。例如對動量傳遞，可分為以下幾種情況：(1)對于非常簡單的層流，方程經簡化后，通常可直接積分求解—解析解；(2)對于某些簡單層流，可根據流動問題的物理特征進行化簡。簡化后，積分求解—物理近似解；(3)對于復雜層流，可采用數值法求解；(4)而對于湍流，一般只能結合實驗，求半理論解。其它兩種傳遞過程的求解也可通過類似方法得到。由于這部分相關內容難度較大，所以可以將教學分為兩個層次，對于那些基礎較好或者志在考研的學生，應重點培養他們面對問題而想辦法解決問題的能力，養成他們的建模科研思維；而對于基礎較差的學生，可以舉簡單的例子，讓他們容易理解，同時重點讓他們掌握對結論的應用。這種做法可以顯著提高此部分的教學效果。

4　提高學生的學習興趣

在《化工傳遞過程》中一些聯系工業生產實際的例子和圖片比較適合用多媒體來演示，這會使教學過程生動形象[5]。而針對公式推導過程的中間環節應該用板書的方式一步一步地講解，通過板書教學，給學生留了思考的空間，降低講授速度，可以使學生更好地理解。因此在《化工傳遞過程》教學中，理論公式較多，可以采用以板書為主，多媒體輔助的教學手段，將多媒體教學和傳統板書有機結合起來授課，發揮優勢互補，極大地提高課堂教學效率。這種方法授課效果較好，學生記憶深刻。在教學實踐過程中，如果教師在教學過程中過多地注重抽象概念和建立數學模型，單一的理論分析教學將會使學生感到空洞枯燥，而忽視對講授內容的實際意義和應用場合的介紹，將導致學生學習興趣不足，嚴重影響教學效果。這就要求做到理論與實際相結合，拓展學生的思維空間、提高學生對《化工傳遞過程》學習的熱情。這種教學方法，不僅提高了教學效果，也提升了學生理論聯系實際的能力。《化工傳遞過程》的理論性強，可以說是一門研究型的課程，可以以本課程做載體，初步培養學生的科研能力，一方面提高了學生的學習興趣，一方面學以致用加深學生對知識的理解。這對以后準備進一步讀研的學生是大有好處的。最后要布置好習題，做到課堂講解和習題練習相結合。要想學好化工傳遞課程，一定量的習題練習是必不可少的環節。習題一定要有針對性的給學生布置，不能沒有目的的布置，最好做到每個習題都對應每次課堂理論講解的內容，使理論和應用相結合，這樣提高學習效率，增強學習效果。總之，教師需要運用不同的措施充分地調動起學生的學習興趣和拓展他們的思維空間。

5　結　語

《化工傳遞過程》是化工專業的必修課程，內容多、課時短。本文從課程內容上與化工原理的區別與聯系、貫穿整個課程的傳遞機制、數學模型的建立與求解、提高學生的學習興趣幾個方面入手，期望達到從強化課程安排和教學手段來提高教學效果的目的。《化工傳遞過程》課程成為許多學生必須經歷的一門較難的課程；掌握流動、傳熱與傳質三種傳遞現象的物理規律是理解眾多的新老化工單元操作的基礎；培養學生的數學思想和意識，掌握化工過程的量化方法，是本課程學習的重要目的。只要在教學實踐中把握好以上幾個方面的問題，一定可以提高教學質量，減輕學生的課業和精神負擔，培養學生的自信心和學習興趣。

[1]方正東,王國宏,汪敦佳.化工傳遞過程的類比教學法探討[J].大學化學,2006,21(5):20-23.

[2]劉志雄.淺談微分思維在化工傳遞過程教學的運用[J].廣東化工,2013,40(3):153-154.

[3]喬聰震,陳蔚萍,張順利.化工傳遞過程的類似性[J].化學研究,2000,11(4):45-47.

[4]陳濤,張國亮.化工傳遞過程基礎[M].北京:化學工業出版社,2011:35,165,243.

[5]張翼東.化工傳遞過程課程教學探索[J].鄭州師范教育,2014,3(4):57-59.

Thinking on the Teaching of Chemical Engineering Transport Processes

LI Chang-jin

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Anqing Normal University,Anhui Anqing 246011,China)

Chemical Engineering Transport Processes is a compulsory course in Chemical Engineering major,it is difficult and has less teaching hour.The course has the features as theory and engineering,it studies the mechanism of momentum,heat and mass transfer in chemical engineering process and the similarity among the three kinds of transfer process.At the same time,it is an important purpose to cultivate students’mathematical thinking and consciousness,and to master the quantitative method of chemical engineering process in the course.Based on the difference and relation with chemical engineering principle,the transport mechanism penetrating the whole course,the establishment and solution of mathematical model,and the improvement of students’learning interest,it launched exploration for improving teaching quality.

course characteristic; transport mechanism; mathematical model

李昌進(1983-)，男，講師，從事化學工程與工藝專業的教學與研究。

G4

B

1001-9677(2016)06-0207-02