学研结合的《化工传递原理》课程改革与实践——以水净化膜表面特性影响的动量分子传递过程为例

＊孙永刚 任永胜 张晓瑞

（1.宁夏大学化工学化工学院 宁夏 750021 2.宁夏大学新华学院 宁夏 750021）

1.《化工传递原理》课程

《化工传递原理》是化学工程与工艺专业、应用化学专业的必修课。在整个化学工程与工艺专业课程体系建设中处于重要地位，也是支持现代化工体系发展的重要基础理论课程。该课程把动量传递、热量传递和质量传递统一，把动态、稳态和多维问题统一，发展探讨自然现象规律和现代化工过程中“三传”理论的课程[1-3]。现代化学工程中各个单元操作均被看成传热、传质及流体流动的特殊情况或特定的组合，对单元操作的发展和创新研究，最终归结为多类型传递过程的研究，通过前沿发展中的化工传递原理理论的持续学习，建立基于现代传递过程理论的新知识体系框架，培养能运用理论体系在多学科范畴内践行实用性、交叉性与综合性的新工科复合型人才[4-6]。

2.化工传递课程特点及传统教学过程中存在问题

《化工传递原理》课程存在理论性强、抽象推理多、学科交叉广、实验及理论同步配套程度低和应用及研究性学习薄弱等问题，具体包括三方面：

（1）教学内容及模式单一，学生主体地位不突出。传统的教学课堂以教师讲授为主，对学生的主观能动性的调动极为有限，学生缺乏积极的内动力，属于被动的单向接受。

（2）理论公式繁琐体量大、推导复杂难理解，对理论指导实践认识缺乏。《化工传递原理》课程内容偏理论，推导过程繁琐，枯燥无味，没有提升学生解决实际工程问题的能力，在理论教学和配套实验以及科学研究方面难以同步。

（3）教学体系探索性、研究性、高阶性学习片面。传统教学体系以“教”为主，学生的主观探索及高阶研究性学习较少。学生的知识结构停留在课本理论层面，对于更高阶应用型研究学习及实践能力不够，难以培养科学的思维方法及创新意识。缺乏通过研学结合、评价反馈机制构建的标准，对传递理论和专业实验耦告带来的高阶性学习评价体系不完善[7-8]。

基于上述存在问题，我们在教学中秉持科学研究实践-理论教学指导-模块化学研管理的三效促进改革机制。从教学理论中拓展出研究课题，并通过创新实验开展理论结合实践的教学过程，在整个实施过程中建立模块化管理机制。

3.化工传递原理知识框架模块化管理

针对《化工传递原理》课程的独特性，进行了教学内容的整合和管理，围绕动量传递、热量传递和质量传递拓展基本教学内容核心知识体系，如图1所示。围绕核心教学内容，梳理了重难点，这样的知识框架整理为后续拓展挖掘科学研究资源提供了有力支撑。

图1 化工传递原理知识框架模块化关联

4.以水净化膜表面特性影响的动量分子传递过程为例的化工传递课程改革实践

（1）理论课程和实验研究过程的结合设计。在进行《化工传递原理》课程中动量传递部分教学内容开展的时候，由于动量传递理论的复杂性，我们通过实验研究启发学生对化工传递过程中的动量传递原理和过程进行学习，具体思路和分析如图2所示。有别于传统的流体流过平板膜的模糊抽象的模型讲解和推导过程，我们最新的讲解过程结合了化工材料膜特性[9]，把动量传递的抽象理论过程放在具体的科学研究环境中讲解，这样的方式可以明显地改变学生学习的内驱力，提升学习的机动性。将纯粹的理论性公式讲解升级成通过实验结果来展示理论的重要性，达到学研结合改革教学的目的。

图2 (a)传统授课方式和(b)学研结合的授课方式的差异性对比分析

（2）学研结合范式下的新型净化膜制备。具体以水处理过程中新颖的净化膜表面特性为例进行实验结合理论的教学。首先是关于新型的碳基-复合双金属氢氧化物不同表面特征净化膜的制备，具体的制备流程示意图如图3所示。通过净化膜的制备可以让学生直观地体会到《化工传递原理》课程中提到的平板、圆管和套管等相关概念，用化工材料的特性去启发学生对不同材质表面流体介质的流动过程和动量传递速率和通量有直观认识。在制备示意图中我们特意进行了两类单体膜以及复合膜的制备，分别是石墨烯和氧化石墨烯的碳基膜材料[10-11]，这种膜材料表面的特性、粗糙度和官能团分布会对流体流动的动量传递性质产生影响。同时，我们也制备了双层金属氢氧化物的单体膜，该类膜的特性完全不同于碳基膜[12]，该类双层金属氢氧化物的单体膜表面富含大量的羟基以及其片层整体尺寸较大[13-14]，这些方面的特性也会影响流体流动的动量特性。此外，我们还制备了两者的复合膜层，探讨相互协同作用下的流体流动特性的变化。

图3 不同特征的水净化膜的制备示意图

这样的实验设计，可以让学生摆脱以往教师一直讲的平板概念的限制和束缚，通过多类型的化工材料来促进学生从理论认知向实践认知的转变。这样研学结合的方式，还进一步拓展到本科生小组的大学生创新实验研究中，通过小组任务，设置学研课题，让学生们追求理论学习和实践认知方面的共同发展，更加切合实际地提升学生们学习《化工传递原理》课程的兴趣爱好以及对该课程带来的前沿课题的理解。

（3）传统模糊平板流动教学概念向具象化工材料膜结构的转变。摆脱传统《化工传递原理》课程讲解平板流动概念，带领学生深入探讨平板特性对流通流动特性的思考和分析。基于这样的出发点又分别制备了具有差异性的表面特性的平板基碳膜、金属氢氧化物膜和复合膜，图4展示的就是不同膜的宏观特性和微观形貌。并且主要针对流体流动前后不同平板膜上变化特征，引领学生思考动量传递过程的变化规律，通过流体流动前后膜的表面破损和污染情况，可以直观地让学生理解动量传递过程的速度分布和动量通量的差异性。通过对比碳基膜和金属氢氧化物膜，可以明显的看出，碳基膜上流体流动的动量传递速度更快以及通量更大，导致流动前后膜表面的破损更为严重。让学生和金属氢氧化物膜形成直观对比，同时通过碳基和金属氢氧化物膜的复合，可以进一步告诉学生，对膜表面的组成特性的调控可以更好地控制动量传递的过程，包括速度分布、表面摩擦力和通量大小。

图4 真实膜结构材料下的动量传递过程的宏观显示和微观形貌

（4）小结。依据《化工传递原理》课程的理论性强和抽象推理多的特征，开展了以水净化膜表面特性影响的动量分子传递过程为例的化工传递课程研学结合的改革实践研究，有别于传统的纯粹理论性讲解和推导分析过程，此次案例分析主要通过实际具象的科学研究辅助理论指导进行教学过程的开展。让学生们产生原始学习系统理论并运用到实践的内驱力，提升教学质量和效果。

5.结语

基于工程教育理念开展全面的化工传递原理课程建设改革与实践探索对推动和提升化工教育发展至关重要，本研究旨在通过借助研学结合范式来有效推动工程教育理念的发展和实施，针对化工传递原理课程存在理论性强、抽象推理多等难题，重点突出以前沿科学研究为契机的学研结合新范式进行化工传递原理课程改革与实践，以水净化膜表面特性影响的动量分子传递过程为例，深入浅出地展示了学研结合在提升学生们学习内驱力和提升教学质量的关键作用，对后续培养学生解决复杂化学工程问题能力的显著提升至关重要，为综合型本科化工类专业的改革发展提供重要支撑。