化工原理教學(xué)中的系統(tǒng)與邏輯思維培養(yǎng)

肖少華 劉冰 洪景萍

摘 要： 文章提出用系統(tǒng)思維和邏輯思維貫穿化工原理的知識(shí)點(diǎn)講授，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維和邏輯思維，幫助學(xué)生樹立良好的大局觀。

關(guān)鍵詞： 化工原理 系統(tǒng)思維 邏輯思維

化工原理是化工工藝類及其相近專業(yè)的一門主干課，是一門很重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，在系統(tǒng)地學(xué)習(xí)基本理論知識(shí)的同時(shí)，通過本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，逐步培養(yǎng)學(xué)生掌握一定的基本實(shí)驗(yàn)技能和工程測(cè)試方法，提高分析和解決工程實(shí)際問題的能力?；ぴ韺?shí)驗(yàn)具有承上啟下、理論聯(lián)系實(shí)際、從科學(xué)基礎(chǔ)教育向工程技術(shù)教育過渡的橋梁作用，是化工高等教育必不可少的核心課程。

由于本門課程屬于工程科學(xué)，與原來所學(xué)的高等數(shù)學(xué)、普通物理等自然科學(xué)課程有較大差別，需要思維方式從嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維切換到工程思維，對(duì)學(xué)生系統(tǒng)思維和邏輯思維的要求較高，如何學(xué)好這門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課是擺在化工專業(yè)教師面前的一個(gè)普適性的問題。結(jié)合課堂教學(xué)實(shí)踐，通過把化工原理課程知識(shí)點(diǎn)以系統(tǒng)思維和邏輯思維為主線編排，以很強(qiáng)的邏輯關(guān)聯(lián)性、層次性展示出來，并不斷用系統(tǒng)思維在局部與整體之間切換視野，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)的過程中體會(huì)邏輯性與系統(tǒng)思維，從而很好地把培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維和邏輯思維的教學(xué)目標(biāo)融合到課程教學(xué)中去[1-2]。

一、透過現(xiàn)象抓本質(zhì)與共性，培養(yǎng)抽象思維與邏輯思維

化工原理是在研究化學(xué)工業(yè)共性的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。也就是說這門課程本身就是在不斷透過現(xiàn)象抓本質(zhì)和共性，不斷拔高、不斷凝練出來的理論，然后用理論指導(dǎo)實(shí)踐，解決實(shí)際問題，并用實(shí)踐檢驗(yàn)理論或修正理論，最后回歸實(shí)踐，周而復(fù)始，不斷凝練提升形成的。所以，課程講授時(shí)把抽象凝練共性的過程體現(xiàn)出來，整個(gè)知識(shí)的脈絡(luò)、邏輯層次就很清楚了，自然而然地就把知識(shí)點(diǎn)的講授與抽象思維與邏輯思維很好地融合在一起。

化工原理主要研究化工生產(chǎn)中的物理加工過程，按其操作原理的共性歸納成若干個(gè)單元操作，單元操作作為化工原理的研究對(duì)象，根據(jù)原理又可進(jìn)一步凝練歸納為三類傳遞過程：動(dòng)量傳遞（流體流動(dòng)、流體輸送機(jī)械、沉降與過濾）、熱量傳遞（傳熱）和質(zhì)量傳遞（吸收、蒸餾、干燥）。每一個(gè)傳遞又分為兩個(gè)方面：原理和設(shè)備。整本書的大脈絡(luò)就出來了，每一個(gè)細(xì)節(jié)知識(shí)點(diǎn)的講授都時(shí)不時(shí)地切換到這個(gè)大脈絡(luò)中，讓學(xué)生準(zhǔn)確定位所學(xué)知識(shí)點(diǎn)在邏輯層次中的歸屬，并與平行邏輯層次中的相對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)對(duì)比學(xué)習(xí)，在加深印象的同時(shí)，促進(jìn)總結(jié)凝練。

二、抓主要矛盾，培養(yǎng)工程（系統(tǒng)）思維

自然科學(xué)課程通常采用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、邏輯推理的思維方法進(jìn)行問題分析，而所分析的問題也大多處于理想條件下的非實(shí)際問題；而作為工程科學(xué)，化工原理所面臨的是大量的工程實(shí)際問題；只有在錯(cuò)綜復(fù)雜的各影響因素中，抓住主要影響因素，進(jìn)行合理簡化，才能找到解決實(shí)際問題的正確途徑。這種思維方法上的轉(zhuǎn)變凸顯出工程思維的重要性。

遇到新問題，解決問題最常用的思路：希望通過某種轉(zhuǎn)化，比如理想化的假設(shè)簡化，把新問題轉(zhuǎn)化為熟悉的、已經(jīng)解決了的問題。所謂理想化的假設(shè)簡化，其實(shí)就是抓主要矛盾，理想化次要矛盾，做出科學(xué)合理的假設(shè)。這種處理思維在化工原理中很常見，也是處理實(shí)際工程問題的常用思維。在課程知識(shí)點(diǎn)的傳授過程中，注意這種思維方式的融合，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

熱量傳遞的基本方式有三類：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射?；すI(yè)基本都是對(duì)流傳熱，很顯然，對(duì)流傳熱是傳熱理論研究的重點(diǎn)。為了解決這個(gè)新問題，通過抓主要矛盾：流體和固體壁面之間對(duì)流傳熱過程的熱阻主要集中在層流底層中。提出有效膜理論，科學(xué)合理地把處于次要矛盾地位的過渡區(qū)和湍流主體的傳熱阻力全部疊加到厚度為8的層流底層中，于是把對(duì)流傳熱這個(gè)新問題成功轉(zhuǎn)化為熟悉的已經(jīng)解決了的三層圓筒壁的熱傳導(dǎo)問題。適用于熱傳導(dǎo)的傅里葉定律也就可以用來解決化工工業(yè)中隨處可見的對(duì)流傳熱問題了。

類似的情況同樣適用于質(zhì)量傳遞過程。氣體吸收單元操作中存在氣液兩相之間的對(duì)流傳質(zhì)，對(duì)流傳質(zhì)中又同時(shí)存在分子擴(kuò)散與湍流擴(kuò)散。實(shí)際情況中肯定是湍流擴(kuò)散占主導(dǎo)，即主要矛盾，為了解決這個(gè)接近實(shí)際的新問題，同樣是抓住主要矛盾的主要方面：傳質(zhì)阻力主要集中在相界面兩側(cè)的層流膜層。然后進(jìn)行科學(xué)合理化的假設(shè)——雙膜理論，認(rèn)為流體主體沒有濃度梯度即沒有傳質(zhì)阻力，所有的阻力都理想化集中到兩個(gè)虛擬的膜層內(nèi)，于是把對(duì)流傳質(zhì)這個(gè)新問題轉(zhuǎn)化成了可以用分子擴(kuò)散這個(gè)熟悉的已經(jīng)解決了的問題來求解。于是，適用于分子擴(kuò)散的菲克定律被用來解決氣體吸收單元操作的對(duì)流傳質(zhì)問題。

綜上所述，當(dāng)以這樣一種方式講解知識(shí)點(diǎn)時(shí)，就給了學(xué)生一種全新的視野和感受，看到邏輯思維在表達(dá)時(shí)的清晰思路與明確的層級(jí)關(guān)系的通透之美，看到工程思維在解決實(shí)際問題時(shí)的“避輕就重”與“直擊要害”的簡約而不簡單。在邏輯思維與工程思維的美感的吸引下，有益于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以拋磚引玉，把這種思維和方法論應(yīng)用到其他課程的學(xué)習(xí)甚至生活中。

參考文獻(xiàn)：

[1]王志魁，劉麗英，劉偉.化工原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]大連理工大學(xué).化工原理[M].北京：高等教育出版社，2002.

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（CZQ13004）。