學研結合的《化工傳遞原理》課程改革與實踐
——以水凈化膜表面特性影響的動量分子傳遞過程為例

＊孫永剛 任永勝 張曉瑞

（1.寧夏大學化工學化工學院 寧夏 750021 2.寧夏大學新華學院 寧夏 750021）

1.《化工傳遞原理》課程

《化工傳遞原理》是化學工程與工藝專業、應用化學專業的必修課。在整個化學工程與工藝專業課程體系建設中處于重要地位，也是支持現代化工體系發展的重要基礎理論課程。該課程把動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞統一，把動態、穩態和多維問題統一，發展探討自然現象規律和現代化工過程中“三傳”理論的課程[1-3]。現代化學工程中各個單元操作均被看成傳熱、傳質及流體流動的特殊情況或特定的組合，對單元操作的發展和創新研究，最終歸結為多類型傳遞過程的研究，通過前沿發展中的化工傳遞原理理論的持續學習，建立基于現代傳遞過程理論的新知識體系框架，培養能運用理論體系在多學科范疇內踐行實用性、交叉性與綜合性的新工科復合型人才[4-6]。

2.化工傳遞課程特點及傳統教學過程中存在問題

《化工傳遞原理》課程存在理論性強、抽象推理多、學科交叉廣、實驗及理論同步配套程度低和應用及研究性學習薄弱等問題，具體包括三方面：

（1）教學內容及模式單一，學生主體地位不突出。傳統的教學課堂以教師講授為主，對學生的主觀能動性的調動極為有限，學生缺乏積極的內動力，屬于被動的單向接受。

（2）理論公式繁瑣體量大、推導復雜難理解，對理論指導實踐認識缺乏。《化工傳遞原理》課程內容偏理論，推導過程繁瑣，枯燥無味，沒有提升學生解決實際工程問題的能力，在理論教學和配套實驗以及科學研究方面難以同步。

（3）教學體系探索性、研究性、高階性學習片面。傳統教學體系以“教”為主，學生的主觀探索及高階研究性學習較少。學生的知識結構停留在課本理論層面，對于更高階應用型研究學習及實踐能力不夠，難以培養科學的思維方法及創新意識。缺乏通過研學結合、評價反饋機制構建的標準，對傳遞理論和專業實驗耦告帶來的高階性學習評價體系不完善[7-8]。

基于上述存在問題，我們在教學中秉持科學研究實踐-理論教學指導-模塊化學研管理的三效促進改革機制。從教學理論中拓展出研究課題，并通過創新實驗開展理論結合實踐的教學過程，在整個實施過程中建立模塊化管理機制。

3.化工傳遞原理知識框架模塊化管理

針對《化工傳遞原理》課程的獨特性，進行了教學內容的整合和管理，圍繞動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞拓展基本教學內容核心知識體系，如圖1所示。圍繞核心教學內容，梳理了重難點，這樣的知識框架整理為后續拓展挖掘科學研究資源提供了有力支撐。

圖1 化工傳遞原理知識框架模塊化關聯

4.以水凈化膜表面特性影響的動量分子傳遞過程為例的化工傳遞課程改革實踐

（1）理論課程和實驗研究過程的結合設計。在進行《化工傳遞原理》課程中動量傳遞部分教學內容開展的時候，由于動量傳遞理論的復雜性，我們通過實驗研究啟發學生對化工傳遞過程中的動量傳遞原理和過程進行學習，具體思路和分析如圖2所示。有別于傳統的流體流過平板膜的模糊抽象的模型講解和推導過程，我們最新的講解過程結合了化工材料膜特性[9]，把動量傳遞的抽象理論過程放在具體的科學研究環境中講解，這樣的方式可以明顯地改變學生學習的內驅力，提升學習的機動性。將純粹的理論性公式講解升級成通過實驗結果來展示理論的重要性，達到學研結合改革教學的目的。

圖2 (a)傳統授課方式和(b)學研結合的授課方式的差異性對比分析

（2）學研結合范式下的新型凈化膜制備。具體以水處理過程中新穎的凈化膜表面特性為例進行實驗結合理論的教學。首先是關于新型的碳基-復合雙金屬氫氧化物不同表面特征凈化膜的制備，具體的制備流程示意圖如圖3所示。通過凈化膜的制備可以讓學生直觀地體會到《化工傳遞原理》課程中提到的平板、圓管和套管等相關概念，用化工材料的特性去啟發學生對不同材質表面流體介質的流動過程和動量傳遞速率和通量有直觀認識。在制備示意圖中我們特意進行了兩類單體膜以及復合膜的制備，分別是石墨烯和氧化石墨烯的碳基膜材料[10-11]，這種膜材料表面的特性、粗糙度和官能團分布會對流體流動的動量傳遞性質產生影響。同時，我們也制備了雙層金屬氫氧化物的單體膜，該類膜的特性完全不同于碳基膜[12]，該類雙層金屬氫氧化物的單體膜表面富含大量的羥基以及其片層整體尺寸較大[13-14]，這些方面的特性也會影響流體流動的動量特性。此外，我們還制備了兩者的復合膜層，探討相互協同作用下的流體流動特性的變化。

圖3 不同特征的水凈化膜的制備示意圖

這樣的實驗設計，可以讓學生擺脫以往教師一直講的平板概念的限制和束縛，通過多類型的化工材料來促進學生從理論認知向實踐認知的轉變。這樣研學結合的方式，還進一步拓展到本科生小組的大學生創新實驗研究中，通過小組任務，設置學研課題，讓學生們追求理論學習和實踐認知方面的共同發展，更加切合實際地提升學生們學習《化工傳遞原理》課程的興趣愛好以及對該課程帶來的前沿課題的理解。

（3）傳統模糊平板流動教學概念向具象化工材料膜結構的轉變。擺脫傳統《化工傳遞原理》課程講解平板流動概念，帶領學生深入探討平板特性對流通流動特性的思考和分析。基于這樣的出發點又分別制備了具有差異性的表面特性的平板基碳膜、金屬氫氧化物膜和復合膜，圖4展示的就是不同膜的宏觀特性和微觀形貌。并且主要針對流體流動前后不同平板膜上變化特征，引領學生思考動量傳遞過程的變化規律，通過流體流動前后膜的表面破損和污染情況，可以直觀地讓學生理解動量傳遞過程的速度分布和動量通量的差異性。通過對比碳基膜和金屬氫氧化物膜，可以明顯的看出，碳基膜上流體流動的動量傳遞速度更快以及通量更大，導致流動前后膜表面的破損更為嚴重。讓學生和金屬氫氧化物膜形成直觀對比，同時通過碳基和金屬氫氧化物膜的復合，可以進一步告訴學生，對膜表面的組成特性的調控可以更好地控制動量傳遞的過程，包括速度分布、表面摩擦力和通量大小。

圖4 真實膜結構材料下的動量傳遞過程的宏觀顯示和微觀形貌

（4）小結。依據《化工傳遞原理》課程的理論性強和抽象推理多的特征，開展了以水凈化膜表面特性影響的動量分子傳遞過程為例的化工傳遞課程研學結合的改革實踐研究，有別于傳統的純粹理論性講解和推導分析過程，此次案例分析主要通過實際具象的科學研究輔助理論指導進行教學過程的開展。讓學生們產生原始學習系統理論并運用到實踐的內驅力，提升教學質量和效果。

5.結語

基于工程教育理念開展全面的化工傳遞原理課程建設改革與實踐探索對推動和提升化工教育發展至關重要，本研究旨在通過借助研學結合范式來有效推動工程教育理念的發展和實施，針對化工傳遞原理課程存在理論性強、抽象推理多等難題，重點突出以前沿科學研究為契機的學研結合新范式進行化工傳遞原理課程改革與實踐，以水凈化膜表面特性影響的動量分子傳遞過程為例，深入淺出地展示了學研結合在提升學生們學習內驅力和提升教學質量的關鍵作用，對后續培養學生解決復雜化學工程問題能力的顯著提升至關重要，為綜合型本科化工類專業的改革發展提供重要支撐。