“工科流程化”思維在“化工原理”思維導(dǎo)圖中的應(yīng)用

許茂東　張翠歌　楊仁春　任一鳴

摘 要：為建設(shè)創(chuàng)新培養(yǎng)模式，有機(jī)融合理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程，并深度思考從“基本理論”到“應(yīng)用拓展”的外延措施，我們將化工原理課程知識體系與工程思維相結(jié)合，將工科流程化的思維邏輯與課程知識結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新培養(yǎng)方式、提升理論深度，最終達(dá)到彌補(bǔ)傳統(tǒng)陳述式培養(yǎng)模式的不足。而且，為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程化思維模式、實(shí)踐和創(chuàng)新能力，基于“化工原理”課程公式繁多，計(jì)算過程交叉、內(nèi)容關(guān)聯(lián)復(fù)雜等特點(diǎn)，借助“思維導(dǎo)圖”的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)課程知識結(jié)構(gòu)的“流程化”，幫助學(xué)生理清學(xué)習(xí)思路和構(gòu)建知識脈絡(luò)，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和邏輯系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：化工原理；思維導(dǎo)圖；授課方法

中圖分類號：G642? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）11-0084-04

“化工原理”作為工科化學(xué)的專業(yè)主干課程，有著極其鮮明的實(shí)際應(yīng)用和工程系統(tǒng)化的特點(diǎn)[1，2]。學(xué)生對這門課程的掌握程度的深淺和好壞，將會(huì)直接影響到其就業(yè)以后的實(shí)際工作能力。在二十多年的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生始終會(huì)有一種學(xué)習(xí)誤區(qū)，即無法對“化工原理”各章知識做系統(tǒng)歸納和總結(jié)。這樣就導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，對知識脈絡(luò)沒有一個(gè)整體和全局性的認(rèn)識，僅僅維持在會(huì)做題的層面上，而未曾洞悉知識要點(diǎn)的相互關(guān)聯(lián)和過渡關(guān)系。因而，為了解決此種局面，筆者對“化工原理”中比較典型“三傳”章節(jié)做了歸納[3，4]，并繪制出各章的知識體系的“思維導(dǎo)圖”，希望借此“模塊化知識體系”構(gòu)建學(xué)生的知識框架[5-7]，從而提升學(xué)生對化工原理知識脈絡(luò)的理解和關(guān)聯(lián)梳理，使學(xué)生對化工原理典型三傳章節(jié)能有一個(gè)系統(tǒng)、整體性和遞進(jìn)性的把握和認(rèn)識[8]，最終實(shí)現(xiàn)“卓越工程師”的培養(yǎng)目標(biāo)[9]。

1 傳動(dòng)單元

化工原理知識體系中“傳動(dòng)”部分的內(nèi)容是三傳的核心和基礎(chǔ)，它將影響到化工傳熱過程的傳熱阻力和傳質(zhì)阻力的大小，進(jìn)而影響傳熱和傳質(zhì)通量[10-12]。化工原理中傳動(dòng)的章節(jié)主要包括兩個(gè)章節(jié)，流體流動(dòng)和流體輸送。流體流動(dòng)章節(jié)主要講述流動(dòng)流體在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中，各種能量之間的相互計(jì)算和轉(zhuǎn)換關(guān)系，而這些關(guān)系主要圍繞伯努利方程展開，并針對各種能量的影響因素和計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)拓展。流體輸送章節(jié)則以離心泵為代表，闡述離心泵輸送流體的本質(zhì)和相關(guān)影響因素。圖1為傳動(dòng)單元知識的綜合思維導(dǎo)圖。在傳統(tǒng)的授課過程中，學(xué)生的知識比較零散，從而導(dǎo)致前后知識章節(jié)的內(nèi)容無法銜接和關(guān)聯(lián)，最終不能構(gòu)建知識體系和梳理知識脈絡(luò)。這將導(dǎo)致學(xué)生對基本理論的認(rèn)識較為膚淺和局限，從而無法實(shí)現(xiàn)知識內(nèi)容的深度延展，更無法實(shí)現(xiàn)卓越工程師的培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)生依舊不具備系統(tǒng)性的工程思維能力，這將嚴(yán)重影響當(dāng)代高等教育的本質(zhì)和品質(zhì)。

流體流動(dòng)和流體輸送這兩個(gè)章節(jié)均是以伯努利方程作為章節(jié)的核心內(nèi)容和知識綱領(lǐng)。流體流動(dòng)章節(jié)主要講述伯努利方程的能量守恒和轉(zhuǎn)換關(guān)系，并圍繞其中的動(dòng)能、靜壓能、能損等概念將知識點(diǎn)逐層展開，其中以能量損失的計(jì)算為核心重點(diǎn)。直型管道的能量損失∑hf可通過范寧公式加以計(jì)算，為了確定流動(dòng)阻力系數(shù)λ，則引入流體流動(dòng)類型和Re的判定方法，以及非圓形管道的當(dāng)量直徑等概念。而非直型管道的能量損失∑hf的計(jì)算則通過當(dāng)量長度法和局部阻力系數(shù)法展開講解。

流體輸送章節(jié)不同于流體流動(dòng)章節(jié)，以離心泵的工作點(diǎn)為主要知識核心，將離心泵的特性曲線與管路的伯努利曲線相結(jié)合，借助工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)方法逐層展開。工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)可以使用兩種方法：（1）改變離心泵的特性曲線；（2）改變管路的特性曲線。改變離心泵特性曲線借助：（1）泵的串并聯(lián)；（2）泵的比例定律；（3）泵的切割定律；（4）改變泵結(jié)構(gòu)。改變管路特性曲線則需要借助：（1）改變管路布局；（2）改變管路結(jié)構(gòu)尺寸；（3）改變管路阻力特性；（4）改變管路材質(zhì)等。為了理解離心泵的特性曲線，引入離心泵的工作原理和離心泵結(jié)構(gòu)相關(guān)的知識內(nèi)容，并逐步展開論述氣縛、氣蝕、汽蝕余量、允許安裝高度等相關(guān)概念。該章節(jié)的知識要點(diǎn)層層遞進(jìn)，邏輯較為清晰，相對容易梳理和掌握。

但是，課程教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)重要的問題，離心泵的章節(jié)標(biāo)題通常為“流體輸送機(jī)械”，可能會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生將離心泵簡單理解為輸送流體的典型設(shè)備，從而忽視離心泵的主要功能，能量轉(zhuǎn)換和能量傳遞。因而，在流體輸送章節(jié)的教學(xué)過程中，教師應(yīng)將重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生理解離心泵的轉(zhuǎn)能特點(diǎn)和能量傳遞的本質(zhì)，并盡量規(guī)避“流體輸送設(shè)備”這樣的論述。

2 傳熱單元

作為“三傳”中“傳熱”的典型章節(jié)，此章主要圍繞總傳熱速率方程展開，為換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算奠定基礎(chǔ)。授課過程中，學(xué)生很容易理解傳熱的三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。但是在具體的實(shí)例分析中，例如暖水瓶有哪些抑制傳熱的設(shè)計(jì)思考？學(xué)生往往不能合理和全面借助這三種傳熱方式進(jìn)行分析，更無法提出合理和有效的抑制傳熱的策略和設(shè)計(jì)思路。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因在于，學(xué)生并沒有真正理解每種傳熱方式的實(shí)質(zhì)。尤其，在講述總傳熱過程時(shí)，對于局部穩(wěn)態(tài)和整體過程非穩(wěn)態(tài)的概念，往往會(huì)產(chǎn)生誤解。因而，通過梳理傳熱各個(gè)知識點(diǎn)之間的關(guān)系和傳熱過程的相互聯(lián)系尤為重要。為了解決這一突出問題，我們將傳熱章節(jié)的主題內(nèi)容繪制出傳熱章節(jié)思維導(dǎo)圖[13，14]，如下圖2所示。

在化工原理傳熱章節(jié)中，我們以對數(shù)平均推動(dòng)力法為代表的總傳熱速率方程為核心。將其中的總傳熱速率、總傳熱系數(shù)K、傳熱基準(zhǔn)面積和対數(shù)平均推動(dòng)力作為四個(gè)主要的知識模塊，對它們進(jìn)行知識要點(diǎn)的拆分和講解，并將他們與章節(jié)中的內(nèi)容拓展關(guān)聯(lián)，構(gòu)建他們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而讓學(xué)生能整體把握章節(jié)的知識體系，梳理和理解各個(gè)知識點(diǎn)之間的遞進(jìn)層次。通過圖2的樹狀知識結(jié)構(gòu)，我們能清晰地看出穩(wěn)態(tài)傳熱過程中，冷熱流體之間的傳熱衡算與總傳熱速率有明確的關(guān)聯(lián)性。其次，該思維導(dǎo)圖中我們還可以發(fā)現(xiàn)，總傳熱系數(shù)是以總傳熱熱阻的概念引入。而且，總傳熱（熱流體到冷流體的傳熱過程）熱阻分為五個(gè)部分：熱流體到熱壁面的對流傳熱熱阻、熱壁面的污垢熱阻、管壁上的傳熱熱阻、冷壁面?zhèn)鹊奈酃笩嶙韬屠浔诿娴嚼淞黧w的對流傳熱熱阻。為了講解以上五種熱阻，課程內(nèi)容通過單層壁與多層壁的熱傳導(dǎo)和流體與管道壁面間的對流傳熱將其知識要點(diǎn)逐層展開。另外，傳熱面積的計(jì)算則借助了傳熱單元數(shù)法進(jìn)行講解，講述傳熱單元數(shù)和傳熱單元長度的基本概念和它們之間的相互聯(lián)系。需要特別說明的是，傳熱章節(jié)中的傳熱單元數(shù)的概念引入，為后續(xù)吸收單元數(shù)講解提供了借鑒和鋪墊。最后，通過對數(shù)平均推動(dòng)力的計(jì)算，引導(dǎo)學(xué)生理解傳熱阻力和推動(dòng)力的相互關(guān)系，進(jìn)而推演到化工原理所有章節(jié)的共性特點(diǎn)：傳遞過程速率=推動(dòng)力/阻力。最終，借助圖2中的傳熱思維導(dǎo)圖實(shí)現(xiàn)學(xué)生對傳熱章節(jié)的整體把握和系統(tǒng)性認(rèn)知，提升學(xué)生構(gòu)建屬于自己的知識體系，并達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生從理論到實(shí)踐的工程思維能力。這里需要特別說明一點(diǎn)，很多教材通常將△tm定義為平均溫度差，這一定義容易混淆學(xué)生對于溫度差和推動(dòng)力的概念，所以我們建議化工原理教材統(tǒng)一將△tm命名為平均推動(dòng)力更為合理。

3 傳質(zhì)單元

精餾章節(jié)的知識體系，屬于化工原理“三傳”中最為典型的“傳質(zhì)”體系，此章節(jié)是學(xué)生反映化工原理學(xué)習(xí)過程中最難的章節(jié)之一。其根本原因?yàn)樵撜鹿?jié)內(nèi)容相對其他章節(jié)來說，知識要點(diǎn)較多、公式繁雜、知識點(diǎn)之間的相互關(guān)聯(lián)不線性、傳質(zhì)過程的影響因素呈現(xiàn)交叉的網(wǎng)狀特性[15-19]。因此，對于初學(xué)者來說，如果不經(jīng)過大量的綜合性案例分析，通常無法準(zhǔn)確和系統(tǒng)性把握精餾知識結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)聯(lián)，所學(xué)的知識要點(diǎn)如同一團(tuán)亂麻，導(dǎo)致學(xué)習(xí)一知半解，含糊不清，更無法做到舉一反三和融會(huì)貫通。

為了強(qiáng)化初學(xué)者對于精餾章節(jié)的知識梳理和對傳質(zhì)核心的因素制約的理解，我們以精餾塔的設(shè)備尺寸設(shè)計(jì)為綱領(lǐng)和目標(biāo)，將精餾章節(jié)的主要內(nèi)容圍繞精餾塔塔高計(jì)算逐層展開，繪制出精餾章節(jié)的思維導(dǎo)圖，如圖3所示。

利用精餾塔高度這一核心目標(biāo)，我們采用單元塔板和板間距公式，將精餾的知識內(nèi)容層層展開。通過實(shí)際塔板數(shù)關(guān)聯(lián)到理論塔板數(shù)，擴(kuò)展到求算理論塔板數(shù)的三種方法：（1）借助氣液平衡關(guān)系和操作線關(guān)系，由逐板計(jì)算獲得塔板數(shù)；（2）借助精餾過程的氣液平衡相圖、操作線和q線，由梯級畫圖法獲得塔板數(shù)；（3）借助吉利蘭圖的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，由回流比、最小回流比和最小理論板數(shù)獲得塔板數(shù)。而這三種方法的使用，都涉及氣液平衡線、操作線、進(jìn)料熱狀況q線等，因此課程內(nèi)容便圍繞以上內(nèi)容逐層展開。而吉利蘭圖法的講解，則擴(kuò)展到最小回流比Rmin的求解要點(diǎn)，以及回流比對精餾塔操作的影響作用等。再通過講述最大回流比和最小回流比之間的物理意義和現(xiàn)實(shí)意義，使得學(xué)生理解經(jīng)濟(jì)型評價(jià)在化工單元過程中的重要性，由此培養(yǎng)和強(qiáng)化學(xué)生的工程思維[20，21]。

4 總結(jié)

本文通過對“化工原理”三傳中的典型章節(jié)構(gòu)建其思維導(dǎo)圖，幫助學(xué)生梳理相應(yīng)章節(jié)的知識脈絡(luò)主線，理清各個(gè)知識要點(diǎn)之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，以期達(dá)到拋磚引玉的目的，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)和系統(tǒng)全面地看待化工原理各個(gè)章節(jié)知識要點(diǎn)和內(nèi)容。在教學(xué)過程中，教師可借助生活中的實(shí)際案例加深學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用，例如，（1）流體流動(dòng)章節(jié)中引入U(xiǎn)型管流量計(jì)，并于孔板流量計(jì)和文丘里流量計(jì)相對比，提升學(xué)生對于流量計(jì)工作原理的理解，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維。（2）傳熱章節(jié)中引入半導(dǎo)體制冷空調(diào)衣，借助半導(dǎo)體的制冷原理，引導(dǎo)學(xué)生理解熱傳導(dǎo)的本質(zhì)和電子傳遞與熱傳導(dǎo)之間的相互關(guān)系，開拓學(xué)生對于熱電磁的本質(zhì)理解。（3）精餾章節(jié)則引入泡沫精餾塔，引導(dǎo)學(xué)生理解界面?zhèn)髻|(zhì)的核心邏輯，以及篩板塔的結(jié)構(gòu)對于精餾傳質(zhì)效果的影響本質(zhì)等。

總之，通過將各章節(jié)知識點(diǎn)思維導(dǎo)圖的梳理，強(qiáng)化學(xué)生對章節(jié)結(jié)構(gòu)和知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)性的理解，夯實(shí)其理論基礎(chǔ)。再借助現(xiàn)實(shí)生活中的案例分析，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，最終達(dá)到將課程內(nèi)容化繁為簡，章節(jié)要點(diǎn)提綱挈領(lǐng)，使學(xué)生能融會(huì)貫通，舉一反三，靈活運(yùn)用化工原理知識，提升學(xué)生的工程分析能力，以避免工科理科化現(xiàn)象的發(fā)生。但限于篇幅和理解深度的問題，以上思維導(dǎo)圖必有不足之處，期望讀者給予指正和補(bǔ)充。

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