化工传递过程课程在化工类专业教学中的思考

杜玉朋，张成涛

(1.烟台大学化学化工学院，山东 烟台 264005；2.中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071)

化学工程(简称化工)作为化学与机械学科交叉的产物[1]，是一门工程学科，化学工业和其他过程工业中化学过程和物理过程的共同规律是其主要研究内容。在我国高等教育中，化学工程与工艺、能源化学工程、化学工程与工业生物工程、应用化学(工科)等均属于化工类专业。化学工程学科的形成与发展已经历三个阶段[2]：(1)1920年之前，人们对于化工过程的理解主要侧重于认识某一特定的工艺过程，并针对该过程形成专门的工艺知识，因此早期的化学工程课程主要是学习各类化工过程的工艺知识；(2)1920～1950年间，人们逐渐发现每个工艺过程均可以分解成多个操作单元，而且不同工艺过程的相同操作单元遵循着共同的操作原理，因此，此时的化学工程课程的教学开始注重单元操作的学习；(3)1950年之后，随着人们对单元操作的理解不断加深，发现不同操作单元之间存在着共性，且最终都可以归结为动量、热量和质量的传递，再加上化学反应工程知识，便是目前人们对化学工程学科最普遍的认识——“三传一反”。可见，化工传递过程课程的确是化学工程学科举足轻重的主干课程之一。本文旨在阐述化工传递过程课程在化工类专业教学过程中存在的问题，并提出相应的改进措施，以期能够促进课程改革。

1 化工传递过程在化工类专业课程中的地位

通常化学工程学科研究化工过程中遇到的两大问题：(1)过程的平衡与限度，其属于化工热力学课程的范畴；(2)过程的快慢或速率及完成该过程所需的设备[2]。如图1所示，对于后者，化工过程可分解为化学过程和物理过程。其中，化学过程的速率问题属于化学反应动力学和反应工程等课程的内容，而物理过程发生的快慢及完成该过程所需设备等问题则需要化工传递过程与化工原理等课程共同解决。化工传递过程侧重于探讨物理过程传递的速率与机理，化工原理(即单元操作)则注重实现该过程所需设备和工程方面的问题。因此，化工传递过程可认为是化工原理的理论基础，并能够从理论上揭示单元操作或化工设备的基本原理，阐释单元操作过程或化工设备内部动量、热量和质量传递发生的机制，以及形成以详尽的物理模型和数学模型相贯通的描述方法，从而实现化工过程和设备的开发、设计及优化。

图1 化工专业不同核心课程所解决的任务

2 化工传递过程课程教学存在问题及对策

2.1 课程开设较晚

在我国化工类专业培养方案中，通常采取公共课/基础课→专业基础课→专业课依次进行的教学计划。因此，化工传递过程课程作为一门专业课，通常被安排在大学三年级修读。整体上遵循先基础课后专业课的培养计划无可厚非，但应具体问题具体分析，具体课程具体安排。如图2所示，化工传递过程课程所讲授的内容主要包括动量传递、热量传递和质量传递的过程原理，以及它们之间的类似性[2]。在推导三种传递的变化方程时，所遵循的基本原理分别是牛顿第二定律、热力学第一定律和质量守恒定律，且这三个定律在我国中学教育中业已熟练掌握。此外，由于数学是描述传递现象最本质的语言，因此数学知识的多角度和全方位运用是化工传递过程课程教学中的重要环节[3]。该课程涉及到高等数学课程中的微分、积分、常微分方程、偏微分方程、导数、偏导数、全导数、傅里叶变换、级数等重要知识，且在大学一年级里已全面学习和掌握。那么，在化工类专业教学中，化工传递过程课程能否在大学二年级就进行开设呢？笔者认为是可行的，原因有二，其一是经过中学阶段物理课和大学一年级高等数学的学习，学生早已掌握学习本课程的先修知识，若被安排在大学三年级修读，常会存在学生修完课程一段时间后又“还给”老师的普遍现象，无形地增加了本课程的学习难度；另一方面，经过本课程的学习之后，再进行学习化工原理、分离过程、化工设备、反应工程、工程设计、化工软件及应用等后续专业课程时，更有利于学生从基础理论层面深刻理解化工过程单元操作原理、工程设计方法与理论，以及化学工程学科“三传一反”的本质。

图2 化工传递过程课程的先修课程与后续课程

2.2 课程内容抽象且实践学时缺乏

化工传递过程课程内容本身具有数学公式多、难理解(如级数、现象方程与变化方程)，概念抽象、易混淆(如场论、随体导数、体积力、应力、梯度、散度和旋度)等数学和物理特征，因此，学生对于本课程素有“神课”和“大学里最接近高数的课”等印象。然而，目前在我国多数高校，本课程总学时仅有32学时左右。对于这么有限的学时，学生很难充分认识到本课程中数学模型的实用性及方法论意义，同时亦难以实现本课程对工程教育专业认证中在各类化工过程中找寻共性规律进而解决复杂工程建模及求解问题这一要求的有效支撑[3]。对加深抽象的数学和物理概念的理解与认识最有效的方法是联系实际和具象化[4]。在本课程的教学中，如果授课教师能够教导学生有意识地将本课程知识与曾经做过的四大化学(无机化学、有机化学、分析化学和物理化学)基础实验相联系，并针对实验中遇到的问题从传递过程原理的角度去分析和理解，将顿觉豁然开朗。此外，传递过程课程的主要研究对象为流体系统，生活中最常见的流体是水和空气。如果能将传递过程原理与生活中的山川、河流、水利、大气等身边发生的事情相关联，也会培养学生学习的兴趣，增强理解能力。因此，对于化工传递过程课程的学习，有必要在保证理论课堂学时基本满足要求的前提下，增设一定量的上机实践学时(16学时为宜)，指导学生使用计算机编程语言或计算流体力学(CFD)软件对生活中实际的流体流动过程和实现该过程的设备内部各物理量的场分布进行数值模拟或仿真，使抽象概念可视化和具象化。

2.3 课程与化工原理教学关系割裂

在全国工程教育专业认证与新工科建设的大背景下，很多高校及专业进行重新修订培养计划，大幅压缩本科课程总学时和必修课学分占比。对于化工类专业而言，数学、英语和物理等公共课，四大基础化学及实验等专业基础课已占据大量的必修课学分，致使专业课程被设置成必修课的学分所剩寥寥无几。以我校为例，仅化工原理、化学反应工程和化工热力学等三门课程为专业必修课。此外，由于化工传递过程课程与化工原理课程在部分内容上的重复(如圆管内流体流动问题，导热问题，边界层理论基本概念及各类特征准数等)，令许多人错误地认为，该课程没有被重复设置成必修课的必要。然而，事实上并不然，传递过程原理是运用数学工具来解决化工过程传递现象的物理本质，突出其传递原理的本质，而化工原理是对各单元操作的实际应用进行过程分析、过程数学描述、实例分析与设备计算等[3]，两门课程是相辅相成的关系。化学工程学科之所以从“单元操作”发展到“三传一反”，有其必然性。虽然化工原理课程已经介绍各类单元操作可归结为“三传”，但往往很少涉及传递机理以及“三传”之间的类比等内容，致使该课程理论性极为薄弱，学生更无法从理论层面理解单元操作与“三传”之间的关联性[5]。因此，笔者认为化工传递过程课程可考虑被设置成专业必修课(在很多高校中现为选修课)。若根据现有学分制度，将该课程与化工原理同时设置成必修课确有难度，至少应将“三传”的原理知识融入化工原理课程的教学之中，如四川大学已将“传递过程原理”部分内容(如传递的一些基本概念)整合到化工原理课程。

2.4 在线课程资源匮乏

近年来，随着信息技术的进步和教学手段的不断革新，在线教育方兴未艾。在传统课堂教学过程中，鉴于任课教师专业知识与授课水平不一，有些学生对任课教师讲授方式或方法不适应，进而造成教学效果不理想。而在线教育提供了某一课程的许多教师的讲授版本，有的甚至是一些国家级教学名师的视频资源，如果学生能够自由选择听课教师并持续学习，定会起到截然不同的学习效果。然而，在化工类专业教学中，与化工原理、化工热力学、化学反应工程等课程在线资源丰富相比，作为讲授化学工程学科“三传一反”本质主干课程之一的化工传递过程在线课程资源却极为缺乏，亟需大力建设。

3 结论

化工传递过程课程是高校化工类专业的一门主干课程。然而该课程在化工类专业建设和教学过程中存在的问题不容忽视，如课程开设学期较晚，课程学时较少且缺乏实践课程，与化工原理课程教学关系割裂，以及在线课程资源缺乏等问题。因此，笔者认为化工传递课程可考虑提前至学完高等数学后便开设本课程，同时增设数值仿真与模拟实践课程学时，并将传递过程与化工原理课程教学融会贯通，以及注重网上在线课程资源的建设等。以期课程改革后能够极大地激发学生的学习兴趣，取得良好的教学效果，进而提升学生解决复杂工程问题的能力。