化工傳遞過程課程在化工類專業教學中的思考

杜玉朋，張成濤

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

化學工程(簡稱化工)作為化學與機械學科交叉的產物[1]，是一門工程學科，化學工業和其他過程工業中化學過程和物理過程的共同規律是其主要研究內容。在我國高等教育中，化學工程與工藝、能源化學工程、化學工程與工業生物工程、應用化學(工科)等均屬于化工類專業。化學工程學科的形成與發展已經歷三個階段[2]：(1)1920年之前，人們對于化工過程的理解主要側重于認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，因此早期的化學工程課程主要是學習各類化工過程的工藝知識；(2)1920～1950年間，人們逐漸發現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，此時的化學工程課程的教學開始注重單元操作的學習；(3)1950年之后，隨著人們對單元操作的理解不斷加深，發現不同操作單元之間存在著共性，且最終都可以歸結為動量、熱量和質量的傳遞，再加上化學反應工程知識，便是目前人們對化學工程學科最普遍的認識——“三傳一反”。可見，化工傳遞過程課程的確是化學工程學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教學過程中存在的問題，并提出相應的改進措施，以期能夠促進課程改革。

1 化工傳遞過程在化工類專業課程中的地位

通常化學工程學科研究化工過程中遇到的兩大問題：(1)過程的平衡與限度，其屬于化工熱力學課程的范疇；(2)過程的快慢或速率及完成該過程所需的設備[2]。如圖1所示，對于后者，化工過程可分解為化學過程和物理過程。其中，化學過程的速率問題屬于化學反應動力學和反應工程等課程的內容，而物理過程發生的快慢及完成該過程所需設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。化工傳遞過程側重于探討物理過程傳遞的速率與機理，化工原理(即單元操作)則注重實現該過程所需設備和工程方面的問題。因此，化工傳遞過程可認為是化工原理的理論基礎，并能夠從理論上揭示單元操作或化工設備的基本原理，闡釋單元操作過程或化工設備內部動量、熱量和質量傳遞發生的機制，以及形成以詳盡的物理模型和數學模型相貫通的描述方法，從而實現化工過程和設備的開發、設計及優化。

圖1 化工專業不同核心課程所解決的任務

2 化工傳遞過程課程教學存在問題及對策

2.1 課程開設較晚

在我國化工類專業培養方案中，通常采取公共課/基礎課→專業基礎課→專業課依次進行的教學計劃。因此，化工傳遞過程課程作為一門專業課，通常被安排在大學三年級修讀。整體上遵循先基礎課后專業課的培養計劃無可厚非，但應具體問題具體分析，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容主要包括動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞的過程原理，以及它們之間的類似性[2]。在推導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、熱力學第一定律和質量守恒定律，且這三個定律在我國中學教育中業已熟練掌握。此外，由于數學是描述傳遞現象最本質的語言，因此數學知識的多角度和全方位運用是化工傳遞過程課程教學中的重要環節[3]。該課程涉及到高等數學課程中的微分、積分、常微分方程、偏微分方程、導數、偏導數、全導數、傅里葉變換、級數等重要知識，且在大學一年級里已全面學習和掌握。那么，在化工類專業教學中，化工傳遞過程課程能否在大學二年級就進行開設呢？筆者認為是可行的，原因有二，其一是經過中學階段物理課和大學一年級高等數學的學習，學生早已掌握學習本課程的先修知識，若被安排在大學三年級修讀，常會存在學生修完課程一段時間后又“還給”老師的普遍現象，無形地增加了本課程的學習難度；另一方面，經過本課程的學習之后，再進行學習化工原理、分離過程、化工設備、反應工程、工程設計、化工軟件及應用等后續專業課程時，更有利于學生從基礎理論層面深刻理解化工過程單元操作原理、工程設計方法與理論，以及化學工程學科“三傳一反”的本質。

圖2 化工傳遞過程課程的先修課程與后續課程

2.2 課程內容抽象且實踐學時缺乏

化工傳遞過程課程內容本身具有數學公式多、難理解(如級數、現象方程與變化方程)，概念抽象、易混淆(如場論、隨體導數、體積力、應力、梯度、散度和旋度)等數學和物理特征，因此，學生對于本課程素有“神課”和“大學里最接近高數的課”等印象。然而，目前在我國多數高校，本課程總學時僅有32學時左右。對于這么有限的學時，學生很難充分認識到本課程中數學模型的實用性及方法論意義，同時亦難以實現本課程對工程教育專業認證中在各類化工過程中找尋共性規律進而解決復雜工程建模及求解問題這一要求的有效支撐[3]。對加深抽象的數學和物理概念的理解與認識最有效的方法是聯系實際和具象化[4]。在本課程的教學中，如果授課教師能夠教導學生有意識地將本課程知識與曾經做過的四大化學(無機化學、有機化學、分析化學和物理化學)基礎實驗相聯系，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，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、大氣等身邊發生的事情相關聯，也會培養學生學習的興趣，增強理解能力。因此，對于化工傳遞過程課程的學習，有必要在保證理論課堂學時基本滿足要求的前提下，增設一定量的上機實踐學時(16學時為宜)，指導學生使用計算機編程語言或計算流體力學(CFD)軟件對生活中實際的流體流動過程和實現該過程的設備內部各物理量的場分布進行數值模擬或仿真，使抽象概念可視化和具象化。

2.3 課程與化工原理教學關系割裂

在全國工程教育專業認證與新工科建設的大背景下，很多高校及專業進行重新修訂培養計劃，大幅壓縮本科課程總學時和必修課學分占比。對于化工類專業而言，數學、英語和物理等公共課，四大基礎化學及實驗等專業基礎課已占據大量的必修課學分，致使專業課程被設置成必修課的學分所剩寥寥無幾。以我校為例，僅化工原理、化學反應工程和化工熱力學等三門課程為專業必修課。此外，由于化工傳遞過程課程與化工原理課程在部分內容上的重復(如圓管內流體流動問題，導熱問題，邊界層理論基本概念及各類特征準數等)，令許多人錯誤地認為，該課程沒有被重復設置成必修課的必要。然而，事實上并不然，傳遞過程原理是運用數學工具來解決化工過程傳遞現象的物理本質，突出其傳遞原理的本質，而化工原理是對各單元操作的實際應用進行過程分析、過程數學描述、實例分析與設備計算等[3]，兩門課程是相輔相成的關系。化學工程學科之所以從“單元操作”發展到“三傳一反”，有其必然性。雖然化工原理課程已經介紹各類單元操作可歸結為“三傳”，但往往很少涉及傳遞機理以及“三傳”之間的類比等內容，致使該課程理論性極為薄弱，學生更無法從理論層面理解單元操作與“三傳”之間的關聯性[5]。因此，筆者認為化工傳遞過程課程可考慮被設置成專業必修課(在很多高校中現為選修課)。若根據現有學分制度，將該課程與化工原理同時設置成必修課確有難度，至少應將“三傳”的原理知識融入化工原理課程的教學之中，如四川大學已將“傳遞過程原理”部分內容(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，隨著信息技術的進步和教學手段的不斷革新，在線教育方興未艾。在傳統課堂教學過程中，鑒于任課教師專業知識與授課水平不一，有些學生對任課教師講授方式或方法不適應，進而造成教學效果不理想。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名師的視頻資源，如果學生能夠自由選擇聽課教師并持續學習，定會起到截然不同的學習效果。然而，在化工類專業教學中，與化工原理、化工熱力學、化學反應工程等課程在線資源豐富相比，作為講授化學工程學科“三傳一反”本質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。

3 結論

化工傳遞過程課程是高校化工類專業的一門主干課程。然而該課程在化工類專業建設和教學過程中存在的問題不容忽視，如課程開設學期較晚，課程學時較少且缺乏實踐課程，與化工原理課程教學關系割裂，以及在線課程資源缺乏等問題。因此，筆者認為化工傳遞課程可考慮提前至學完高等數學后便開設本課程，同時增設數值仿真與模擬實踐課程學時，并將傳遞過程與化工原理課程教學融會貫通，以及注重網上在線課程資源的建設等。以期課程改革后能夠極大地激發學生的學習興趣，取得良好的教學效果，進而提升學生解決復雜工程問題的能力。