化工傳遞過程課程在化工類專業(yè)教學(xué)中的思考

杜玉朋，張成濤

(1.煙臺大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺 264005；2.中石油華東設(shè)計院有限公司，山東 青島 266071)

化學(xué)工程(簡稱化工)作為化學(xué)與機(jī)械學(xué)科交叉的產(chǎn)物[1]，是一門工程學(xué)科，化學(xué)工業(yè)和其他過程工業(yè)中化學(xué)過程和物理過程的共同規(guī)律是其主要研究內(nèi)容。在我國高等教育中，化學(xué)工程與工藝、能源化學(xué)工程、化學(xué)工程與工業(yè)生物工程、應(yīng)用化學(xué)(工科)等均屬于化工類專業(yè)。化學(xué)工程學(xué)科的形成與發(fā)展已經(jīng)歷三個階段[2]：(1)1920年之前，人們對于化工過程的理解主要側(cè)重于認(rèn)識某一特定的工藝過程，并針對該過程形成專門的工藝知識，因此早期的化學(xué)工程課程主要是學(xué)習(xí)各類化工過程的工藝知識；(2)1920～1950年間，人們逐漸發(fā)現(xiàn)每個工藝過程均可以分解成多個操作單元，而且不同工藝過程的相同操作單元遵循著共同的操作原理，因此，此時的化學(xué)工程課程的教學(xué)開始注重單元操作的學(xué)習(xí)；(3)1950年之后，隨著人們對單元操作的理解不斷加深，發(fā)現(xiàn)不同操作單元之間存在著共性，且最終都可以歸結(jié)為動量、熱量和質(zhì)量的傳遞，再加上化學(xué)反應(yīng)工程知識，便是目前人們對化學(xué)工程學(xué)科最普遍的認(rèn)識——“三傳一反”。可見，化工傳遞過程課程的確是化學(xué)工程學(xué)科舉足輕重的主干課程之一。本文旨在闡述化工傳遞過程課程在化工類專業(yè)教學(xué)過程中存在的問題，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以期能夠促進(jìn)課程改革。

1 化工傳遞過程在化工類專業(yè)課程中的地位

通常化學(xué)工程學(xué)科研究化工過程中遇到的兩大問題：(1)過程的平衡與限度，其屬于化工熱力學(xué)課程的范疇；(2)過程的快慢或速率及完成該過程所需的設(shè)備[2]。如圖1所示，對于后者，化工過程可分解為化學(xué)過程和物理過程。其中，化學(xué)過程的速率問題屬于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)工程等課程的內(nèi)容，而物理過程發(fā)生的快慢及完成該過程所需設(shè)備等問題則需要化工傳遞過程與化工原理等課程共同解決。化工傳遞過程側(cè)重于探討物理過程傳遞的速率與機(jī)理，化工原理(即單元操作)則注重實現(xiàn)該過程所需設(shè)備和工程方面的問題。因此，化工傳遞過程可認(rèn)為是化工原理的理論基礎(chǔ)，并能夠從理論上揭示單元操作或化工設(shè)備的基本原理，闡釋單元操作過程或化工設(shè)備內(nèi)部動量、熱量和質(zhì)量傳遞發(fā)生的機(jī)制，以及形成以詳盡的物理模型和數(shù)學(xué)模型相貫通的描述方法，從而實現(xiàn)化工過程和設(shè)備的開發(fā)、設(shè)計及優(yōu)化。

圖1 化工專業(yè)不同核心課程所解決的任務(wù)

2 化工傳遞過程課程教學(xué)存在問題及對策

2.1 課程開設(shè)較晚

在我國化工類專業(yè)培養(yǎng)方案中，通常采取公共課/基礎(chǔ)課→專業(yè)基礎(chǔ)課→專業(yè)課依次進(jìn)行的教學(xué)計劃。因此，化工傳遞過程課程作為一門專業(yè)課，通常被安排在大學(xué)三年級修讀。整體上遵循先基礎(chǔ)課后專業(yè)課的培養(yǎng)計劃無可厚非，但應(yīng)具體問題具體分析，具體課程具體安排。如圖2所示，化工傳遞過程課程所講授的內(nèi)容主要包括動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的過程原理，以及它們之間的類似性[2]。在推導(dǎo)三種傳遞的變化方程時，所遵循的基本原理分別是牛頓第二定律、熱力學(xué)第一定律和質(zhì)量守恒定律，且這三個定律在我國中學(xué)教育中業(yè)已熟練掌握。此外，由于數(shù)學(xué)是描述傳遞現(xiàn)象最本質(zhì)的語言，因此數(shù)學(xué)知識的多角度和全方位運(yùn)用是化工傳遞過程課程教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)[3]。該課程涉及到高等數(shù)學(xué)課程中的微分、積分、常微分方程、偏微分方程、導(dǎo)數(shù)、偏導(dǎo)數(shù)、全導(dǎo)數(shù)、傅里葉變換、級數(shù)等重要知識，且在大學(xué)一年級里已全面學(xué)習(xí)和掌握。那么，在化工類專業(yè)教學(xué)中，化工傳遞過程課程能否在大學(xué)二年級就進(jìn)行開設(shè)呢？筆者認(rèn)為是可行的，原因有二，其一是經(jīng)過中學(xué)階段物理課和大學(xué)一年級高等數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生早已掌握學(xué)習(xí)本課程的先修知識，若被安排在大學(xué)三年級修讀，常會存在學(xué)生修完課程一段時間后又“還給”老師的普遍現(xiàn)象，無形地增加了本課程的學(xué)習(xí)難度；另一方面，經(jīng)過本課程的學(xué)習(xí)之后，再進(jìn)行學(xué)習(xí)化工原理、分離過程、化工設(shè)備、反應(yīng)工程、工程設(shè)計、化工軟件及應(yīng)用等后續(xù)專業(yè)課程時，更有利于學(xué)生從基礎(chǔ)理論層面深刻理解化工過程單元操作原理、工程設(shè)計方法與理論，以及化學(xué)工程學(xué)科“三傳一反”的本質(zhì)。

圖2 化工傳遞過程課程的先修課程與后續(xù)課程

2.2 課程內(nèi)容抽象且實踐學(xué)時缺乏

化工傳遞過程課程內(nèi)容本身具有數(shù)學(xué)公式多、難理解(如級數(shù)、現(xiàn)象方程與變化方程)，概念抽象、易混淆(如場論、隨體導(dǎo)數(shù)、體積力、應(yīng)力、梯度、散度和旋度)等數(shù)學(xué)和物理特征，因此，學(xué)生對于本課程素有“神課”和“大學(xué)里最接近高數(shù)的課”等印象。然而，目前在我國多數(shù)高校，本課程總學(xué)時僅有32學(xué)時左右。對于這么有限的學(xué)時，學(xué)生很難充分認(rèn)識到本課程中數(shù)學(xué)模型的實用性及方法論意義，同時亦難以實現(xiàn)本課程對工程教育專業(yè)認(rèn)證中在各類化工過程中找尋共性規(guī)律進(jìn)而解決復(fù)雜工程建模及求解問題這一要求的有效支撐[3]。對加深抽象的數(shù)學(xué)和物理概念的理解與認(rèn)識最有效的方法是聯(lián)系實際和具象化[4]。在本課程的教學(xué)中，如果授課教師能夠教導(dǎo)學(xué)生有意識地將本課程知識與曾經(jīng)做過的四大化學(xué)(無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué))基礎(chǔ)實驗相聯(lián)系，并針對實驗中遇到的問題從傳遞過程原理的角度去分析和理解，將頓覺豁然開朗。此外，傳遞過程課程的主要研究對象為流體系統(tǒng)，生活中最常見的流體是水和空氣。如果能將傳遞過程原理與生活中的山川、河流、水利、大氣等身邊發(fā)生的事情相關(guān)聯(lián)，也會培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)理解能力。因此，對于化工傳遞過程課程的學(xué)習(xí)，有必要在保證理論課堂學(xué)時基本滿足要求的前提下，增設(shè)一定量的上機(jī)實踐學(xué)時(16學(xué)時為宜)，指導(dǎo)學(xué)生使用計算機(jī)編程語言或計算流體力學(xué)(CFD)軟件對生活中實際的流體流動過程和實現(xiàn)該過程的設(shè)備內(nèi)部各物理量的場分布進(jìn)行數(shù)值模擬或仿真，使抽象概念可視化和具象化。

2.3 課程與化工原理教學(xué)關(guān)系割裂

在全國工程教育專業(yè)認(rèn)證與新工科建設(shè)的大背景下，很多高校及專業(yè)進(jìn)行重新修訂培養(yǎng)計劃，大幅壓縮本科課程總學(xué)時和必修課學(xué)分占比。對于化工類專業(yè)而言，數(shù)學(xué)、英語和物理等公共課，四大基礎(chǔ)化學(xué)及實驗等專業(yè)基礎(chǔ)課已占據(jù)大量的必修課學(xué)分，致使專業(yè)課程被設(shè)置成必修課的學(xué)分所剩寥寥無幾。以我校為例，僅化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程和化工熱力學(xué)等三門課程為專業(yè)必修課。此外，由于化工傳遞過程課程與化工原理課程在部分內(nèi)容上的重復(fù)(如圓管內(nèi)流體流動問題，導(dǎo)熱問題，邊界層理論基本概念及各類特征準(zhǔn)數(shù)等)，令許多人錯誤地認(rèn)為，該課程沒有被重復(fù)設(shè)置成必修課的必要。然而，事實上并不然，傳遞過程原理是運(yùn)用數(shù)學(xué)工具來解決化工過程傳遞現(xiàn)象的物理本質(zhì)，突出其傳遞原理的本質(zhì)，而化工原理是對各單元操作的實際應(yīng)用進(jìn)行過程分析、過程數(shù)學(xué)描述、實例分析與設(shè)備計算等[3]，兩門課程是相輔相成的關(guān)系。化學(xué)工程學(xué)科之所以從“單元操作”發(fā)展到“三傳一反”，有其必然性。雖然化工原理課程已經(jīng)介紹各類單元操作可歸結(jié)為“三傳”，但往往很少涉及傳遞機(jī)理以及“三傳”之間的類比等內(nèi)容，致使該課程理論性極為薄弱，學(xué)生更無法從理論層面理解單元操作與“三傳”之間的關(guān)聯(lián)性[5]。因此，筆者認(rèn)為化工傳遞過程課程可考慮被設(shè)置成專業(yè)必修課(在很多高校中現(xiàn)為選修課)。若根據(jù)現(xiàn)有學(xué)分制度，將該課程與化工原理同時設(shè)置成必修課確有難度，至少應(yīng)將“三傳”的原理知識融入化工原理課程的教學(xué)之中，如四川大學(xué)已將“傳遞過程原理”部分內(nèi)容(如傳遞的一些基本概念)整合到化工原理課程。

2.4 在線課程資源匱乏

近年來，隨著信息技術(shù)的進(jìn)步和教學(xué)手段的不斷革新，在線教育方興未艾。在傳統(tǒng)課堂教學(xué)過程中，鑒于任課教師專業(yè)知識與授課水平不一，有些學(xué)生對任課教師講授方式或方法不適應(yīng)，進(jìn)而造成教學(xué)效果不理想。而在線教育提供了某一課程的許多教師的講授版本，有的甚至是一些國家級教學(xué)名師的視頻資源，如果學(xué)生能夠自由選擇聽課教師并持續(xù)學(xué)習(xí)，定會起到截然不同的學(xué)習(xí)效果。然而，在化工類專業(yè)教學(xué)中，與化工原理、化工熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程等課程在線資源豐富相比，作為講授化學(xué)工程學(xué)科“三傳一反”本質(zhì)主干課程之一的化工傳遞過程在線課程資源卻極為缺乏，亟需大力建設(shè)。

3 結(jié)論

化工傳遞過程課程是高校化工類專業(yè)的一門主干課程。然而該課程在化工類專業(yè)建設(shè)和教學(xué)過程中存在的問題不容忽視，如課程開設(shè)學(xué)期較晚，課程學(xué)時較少且缺乏實踐課程，與化工原理課程教學(xué)關(guān)系割裂，以及在線課程資源缺乏等問題。因此，筆者認(rèn)為化工傳遞課程可考慮提前至學(xué)完高等數(shù)學(xué)后便開設(shè)本課程，同時增設(shè)數(shù)值仿真與模擬實踐課程學(xué)時，并將傳遞過程與化工原理課程教學(xué)融會貫通，以及注重網(wǎng)上在線課程資源的建設(shè)等。以期課程改革后能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得良好的教學(xué)效果，進(jìn)而提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。