《化工传递过程原理》课程教学探索

李奕川，李 军

（中国石油大学（华东）化学工程学院，山东 青岛 266580）

一、前言

自20世纪中叶以来，人们对单元操作的研究愈发深入，发现各种单元操作之间存在共性，并逐渐归纳为动量、热量和质量三种传递原理。传递过程注重从理论上揭示各种单元操作过程和设备的基本原理，因此成为化工单元操作的基础。经过五十多年的发展，诸多论述动量、热量和质量传递的著作相继问世，化工传递过程原理也成为我国高校化学工程与工艺专业课程体系中的一门主干课程，在冶金、轻工、高分子、医药、原子能和生物技术等领域均有应用。课程涉及化工原理、流体力学、高等数学等学科内容，采用在抽象出物理模型的基础上通过数学模型描述的方法，将单元操作视为三传的特殊情况或特定组合，从而实现化工过程经验分析向理论分析的转变。

在本课程的学习过程中，要求学生具备一定的空间思维能力和对复杂物理过程的理解能力，同时对高等数学特别是微积分运算能力依赖性极强。因此，学生普遍存在畏惧心理，制约了学习兴趣和积极性，不仅对教学推进带来一定困难，也对课程的讲授提出了相当高的要求。

二、课程教学现状分析

1.基本情况。《化工传递过程原理》是我校针对化学工程与工艺专业学生在第五学期开设的一门专业核心课程，共32学时。本课程是一门工程理论性和系统性较强的课程，系统地论述化工单元操作的共性原理，并归结为动量、热量和质量的传递过程，将化学工程的研究方法由经验分析上升为理论分析方法。各传递过程既有独立性又有类似性，虽然课程中概念、定义和公式较多，基本方程又相当复杂，给学习带来一定的困难，但可运用“三传”的类似关系进行研究理解。由于本课程主要研究石油和化工生产中各单元操作中动量、能量、质量传递规律，其中包括基本原理及计算方法，为后续的专业课，如分离工程、石油炼制工程以及实际工作打下基础，因此，在化工专业教学体系中具有承上启下的作用，安排在通识课程与专业基础课之后授课。由于传递过程的概念比较抽象，而建模和求解又要求学习者具有深厚的高等数学功底，学生普遍反映知识的接受和理解难度较大，教学效果不甚理想。

2.教材选择。传递过程原理是化学工程专业的重要基础理论课程之一。通过一些工程中的具体实例使学生理解动量传递、热量传递和质量传递的基本原理以及三者之间的密切联系，掌握建立、求解化工传递过程数学模型基本方法，提高学生分析问题、解决问题的能力。结合本校学生现状，课程教材选择了陈涛、张国亮主编的“十一五”国家级规划教材：《化工传递过程基础》（第三版）。该书针对化工专业人才培养方案进行了若干次修订，系统论述了化学工程中动量、热量与质量传递的基本原理、数学模型及求解方法，传递速率的理论计算，“三传”的类似性以及传递理论的工程应用等内容。由于课时限制，难以在32学时内将所有章节内容全部详细讲解，这就要求教学者根据课程体系和专业学生的实际情况合理地分配学时、安排教学内容。

3.学时分配。教材根据“三传”将内容分为三部分：动量篇、能量篇和质量篇。化工传递通过建模描述抽象问题，涉及大量的非线性方程与偏微分推导。但三种传递原理的数学模型在分析推导、方程形式和求解方法上存在显著的共通性。鉴于此，若能较好理解动量传递的相关概念并掌握其推导方法，将对后续热量、质量传递的学习打下良好基础。并且流体的流动形态决定了能量和质量传递的方式和机理，比如对流传热和对流传质的数学模型都是以动量篇中的边界层理论为基础建立起来的：在采用积分方程近似求解传递速率的过程中，积分动量方程、热流方程和质流方程的数学形式和求解方法高度类似，且后两者受到单参数速度剖面的影响。可见动量传递是能量、质量传递学习的基础，应分配较多的学时。若能掌握动量推导方法，其后的类似推导难度将会大大降低。综上所述，传递概论分配2学时，动量传递分配16学时，能量传递和质量传递各分配8学时。

4.内容选择。化工传递过程原理涉及概念、公式较为抽象，学生的化工专业基础与数学能力也不尽相同，因此精心组织教学内容，合理安排教学重点显得尤为重要。（1）传递过程绪论：传递过程概论，流体流动导论，阐述三传的类似性，重点掌握微分衡算方程的推导过程和总质量衡算方法。（2）动量传递篇：理解连续性方程与运动方程的推导过程与普朗特边界层理论；掌握运用变化方程求解平壁间、圆管以及套管环隙内的稳态层流；重点掌握卡门积分动量方程的推导思路与求解方法；了解流函数、势函数的概念，柱坐标、球坐标系下变化方程各变量的含义。（3）质量传递篇：根据三传类似性，理解两种质量传递形式的概念和质量微分方程的推导；掌握通过停滞组分以及等分子反向两种扩散系数的计算方法；理解对流传热不同类型的特征以及对流传质模型的建立方法。（4）多种传递同时进行：了解实际化工生产中常见操作单元主要包含的传递类型和概念。

三、课程教学的实践与研究

1.授课形式。化工传递过程原理课程的研究对象较为抽象，涉及的基础理论知识广泛而深入，因此秉持“深入浅出”的原则，将相关概念理解透彻极为重要。本课程教学内容的传授采用精讲与自学相结合，在充分讲授理论概念的基础上引导学生消化、吸收；授课方式采用课堂讲解与分组讨论相结合，提高师生的互动性，活跃课堂气氛；讲解时将多媒体课件与传统板书有机结合，优势互补。例如，讲解普朗特边界层理论时，结合PowerPoint的动画功能针对边界层内的流体在上、下游阶段以及分离点处的流动特点进行直观的展示和动态的分析，相比板书不仅提高了授课效率，学生也会获得更为形象的概念。而针对各种公式推导的过程，可以利用板书的方式进行逐步演算，帮助学生充分掌握推导思路和计算过程。教师通过将多媒体和板书教学两种方式进行有序、合理的结合，既可以在适当的时候启发学生思考，又可以更好地帮助学生理解知识。由于三种传递存在类似性，类比启发式教学在加深学生对于传递理论的理解方面可以得到有效的利用。比如在讲授对流传质的概念时，若根据积分方程求近似解的相似性，对比讲解边界层内三种传递机理和模型。这种方法不仅有助于学生接收新知识，亦可加深其对前期内容的理解。

学生从接触、学习基本理论到运用本课程的所学知识解决实际工程问题，数学训练和实践环节必不可少。因此本课程以课堂教学为主，重在理论推论过程，应突出重点、分散难点，使学生对于课程的主要内容有清晰的整体认识和深刻的细节印象，牢固掌握所学知识，并辅以下列重要的教学环节：在学习本课程之前应先进行场论基础和Matlab数值计算语言学习，在讲授理论知识之后设计相应的习题课，并完成针对典型过程进行建模求解的课外作业。在当堂测验、批改作业、阶段性考试等环节中检验教学效果，通过后续的化工设计来巩固学生运用知识解决问题的能力。

2.与化工原理、分离工程等课程相结合。化工原理以流体流动、传热以及传质分离为重点，论述化工、石油、轻工、食品、冶金工业等的典型过程原理及应用，内容包括流体的流动原理及输送机械、传热原理及设备、传质原理及应用等涉及的各种单元操作过程；化工传递讲解各个单元操作之间的共性理论，阐述动量、热量和质量传递的实质和规律，以及传递过程中强度量分布和传递速率，注重与化工过程实际的联系；分离工程则是以质量传递为基础，介绍化工生产中常用平衡分离过程的基本原理和设计计算方法，主要讲解多组分精馏、吸收过程以及分离方法的选择和新分离手段的发展等。由以上三门课程的特点可以看出，课程知识的交叉性强，学生在化工原理、分离工程的教学过程中接触过大量化工类课程的基础知识。合理运用这些相关的基础知识作为铺垫，便于学生快速理解、系统学习传递过程原理。传递理论与化工原理相结合，能使学生对化工过程理论的认识从宏观提高到微观，有助于培养学生正确认识化工过程的实质，学会运用数学工具来解释和分析化工过程，从而提高学生分析问题、解决问题的能力；将化工分离新技术的发展引入化工传递的授课过程中，可以提高学生兴趣，培养创新意识，在开阔学生思路的同时激发他们的求知欲望。

3.新型教学手段的运用。在传递过程理论教学的过程中，该课程的综合性很强，数学推导复杂，模型建立困难。课堂教学作为授课的重要载体和主要环节，不能仅仅延续传统的教学方式。对于理论教学而言，学生接触化工领域的时间尚短，对化工工艺和传递过程的认识不足，造成理论知识的理解困难。比如依靠板书和少量教具并不易讲清系统或者控制体内的流体运动状态等微观概念，学生主动学习的兴趣不高。而且化工传递课程的学时数不多，但需要讲授的内容却很多，须将现代化的数字技术、网络技术应用于教学过程当中才能够激发学生的学习积极性，取得事半功倍的教学效果。

为了解决化工传递课程中部分教学内容难以依靠板书和普通课件进行组织、讲解的问题，应当不断丰富、充实教学手段。随着现代化教育技术的飞速发展，数字化的计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，CAI）技术逐渐发展成熟。运用新型的教学技术能够破解微观模型难以描述、板书演示无法动态展现等难题。

四、基于“菁英班”培养的教学探索

为了充分发挥高等院校与科研机构在人才教育和培养、科研交流与合作方面各自的优势，我校与中国科学院青岛生物能源与过程研究所于2015年10月合作设立了联合培养本科生暨“菁英班”计划。旨在通过该计划的推动，充分利用双方的智力资源和科技资源，培养研究型人才，更好地促进学生全面化、个性化和最大化发展。这不仅是对高校本科人才培养模式的丰富和补充，更希望能以此为契机，进一步深化我校化学工程与工艺专业人才培养模式和教育教学改革。化工传递过程作为专业核心课程，其理论性虽然强，但却与实际联系紧密，具备研究型课程的条件。因此将本课程作为初步培养学生科技创新能力的载体，提高“菁英班”学员的科研能力与素养，对其今后进一步从事科研工作大有裨益。

化工传递中涉及许多数学模型的建立和求解，这也是从事科研工作所必备的学术能力。在面对各种实际问题时，首先要抽象处理研究原型，提炼出数学模型并选取适当的求解策略与方法。由于整个建模过程往往是在诸多限制条件下进行的，因此在授课过程中需要准确还原问题分析的初始过程，让学生理解、体会层层递进的推导逻辑，保证学生在建模过程中思路清晰，从而培养和建立完整的思维创新能力：根据实际问题确定物理模型（抽象处理原型）→依据三传遵循的基本定律建立微分方程组（提炼数学模型）→由各种已知条件简化方程组（分析数学模型）→寻找初始和边界条件求解方程（回归解决实际问题）。从科研工作一般规律出发，掌握分析化工过程问题的通用思路有利于学生形成良好的科学素养。而在讲授数学模型的求解，丰富学生解决问题的方式和手段时，则可根据实际情况的复杂程度进行适当的归纳总结，便于学生理解掌握。例如，对于动量传递中的不同流动形态：非常简单的层流通常可直接将方程积分求解析解；某些简单层流可根据流动的物理特征进行适当化简，再积分求得物理近似解；复杂层流需采用数值法得解，湍流则需要结合实验求得半理论解。在此基础上根据三传的类似性，讲授不同流型下热量和质量传递过程的求解内容时也可参考这一方法。由于“菁英班”学员的基础好、学习能力较强，该部分内容难度虽然较大，却是提高他们分析问题、解决问题的能力，养成建模科研思维的良好载体。

五、结语

作为工科院校化学工程与工艺专业的重要专业课程，化工传递过程原理不仅是灌输基础专业知识的主干课程，更是一门培养创新能力的研究型课程。如何在有限的学时之内快速激发学生的学习兴趣、充分调动学生的积极性，最大限度地促进学生对知识的理解和吸收，需要每一位专业培养体系设计者和课程教学工作者不断地思考和努力。化工传递充分体现了理工类学科课程抽象性强、逻辑性严密的特点。对此类课程教学方法的改进和探讨，乃至化工专业人才培养模式和教育教学的改革，仍是化工教学工作者不断思考和努力的方向。