對《化工傳遞過程》課程教學(xué)的思考

李昌進

(安慶師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽　安慶　246011)

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對《化工傳遞過程》課程教學(xué)的思考

李昌進

(安慶師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽安慶246011)

《化工傳遞過程》是化工專業(yè)的必修課程，難度大，課時少?！痘鬟f過程》課程的理論性和工程性強，它研究化工過程中動量、熱量和質(zhì)量傳遞的機理及三類傳遞過程之間的類似性。同時，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思想和意識，掌握化工過程的量化方法，是本課程學(xué)習(xí)的重要目的。本文基于該課程內(nèi)容上與化工原理的區(qū)別與聯(lián)系、貫穿整個課程的傳遞機制、數(shù)學(xué)模型的建立與求解、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣幾個重要方面，開展了提高教學(xué)質(zhì)量的探索。

課程特點；傳遞機制；數(shù)學(xué)模型

《化工傳遞過程》是本科化學(xué)工程與工藝專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，它是是繼化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程之后，進一步學(xué)習(xí)化學(xué)工程與工藝專業(yè)的專業(yè)課程?！痘鬟f過程》課程的理論性和工程性強，它研究化工過程中動量、熱量和質(zhì)量傳遞的機理，揭示三類傳遞過程之間存在的類似性，并且還涉及到主要單元操作的典型設(shè)備構(gòu)造、過程計算及實驗研究方法等內(nèi)容[1]。該課程具有以下特點：具有很強的工程理論性，課程內(nèi)容公式多、推理邏輯性強；對高等數(shù)學(xué)的依賴性強；要求理解復(fù)雜物理過程的能力強，基本規(guī)律多，需建立數(shù)學(xué)模型。我院化學(xué)工程與工藝專業(yè)大三本科生開設(shè)了本課程，我院的課時安排只有34學(xué)時，學(xué)時有限。由于本課程的以上特點，學(xué)生普遍反映比較難掌握，對物理過程和數(shù)學(xué)模型的本質(zhì)理解不清，還有涉及大量理論公式，授課過程沉悶，導(dǎo)致他們對該課程的興趣不足。針對我院的實際情況和在教學(xué)實踐中的經(jīng)驗，本文從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式兩方面做了以下思考和探索。

1　課程內(nèi)容上與化工原理的區(qū)別與聯(lián)系

《化工傳遞過程》是在化工原理和化學(xué)反應(yīng)工程等課程的基礎(chǔ)上研究三傳過程變化規(guī)律的學(xué)科，因此它與這些課程的關(guān)系是需要向?qū)W生重點講明的。在授課過程中可將本門課程的內(nèi)容與這些相關(guān)課程的內(nèi)容進行對比。例如在化工原理中講過流體流動，那么它與本課程的動量傳遞有什么聯(lián)系，又有什么不同，這樣設(shè)問就可引發(fā)學(xué)生的思考。教學(xué)中要充分重視傳遞過程與單元操作的聯(lián)系與區(qū)別，傳遞過程是在對化工單元操作的基礎(chǔ)上，進一步對化工生產(chǎn)過程作的歸納。在講傳遞過程時，主要從微觀角度研究流體在動量、熱量和質(zhì)量傳遞產(chǎn)生過程中的作用，研究用的是微分思維，涉及流體的微元傳遞規(guī)律，考察流體場中不同時間的變化情況[2]；而化工原理主要側(cè)重宏觀角度研究整個流體的動量、熱量和質(zhì)量傳遞基本規(guī)律，沒有考察流體隨時間的變化情況。將不同化工生產(chǎn)過程中，遵循相同的物理學(xué)規(guī)律，具有相似功能的基本物理操作，稱為單元操作，這是化學(xué)工程研究方法的一大進步。而將化工單元操作(化工原理)的共性歸納為動量、熱量和質(zhì)量傳遞過程并且系統(tǒng)地論述，則是研究方法的進一步提升，將化學(xué)工程的研究方法由經(jīng)驗分析上升為理論分析方法，從宏觀深入到微觀。如果說單元操作是行業(yè)共性的歸納，那么傳遞過程則是行業(yè)共性在科學(xué)機理層面上的進一步升華?！痘鬟f過程》課程實質(zhì)上是從微觀角度考察化學(xué)工程本質(zhì)問題，講清這一點是非常重要的。這樣做可以讓學(xué)生領(lǐng)會到本門課程的作用和意義，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和興趣。

2　貫穿整個課程的傳遞機制

三種傳遞現(xiàn)象不管是動量傳遞、熱量傳遞還是質(zhì)量傳遞，它們的傳遞機理只有兩種—分子擴散傳遞和渦流擴散傳遞?！痘鬟f過程》圍繞三傳問題進行講授，因此傳遞機理是一個重要的概念，需要讓學(xué)生理解三傳的兩種傳遞機制，分子傳遞和渦流傳遞機制。依靠分子運動所控制的傳遞形式稱為分子傳遞機制；由于流體中充滿渦旋及其流動產(chǎn)生強烈的混合運動所控制的傳遞形式稱為渦流傳遞機制。我們可以進一步展開，即動量傳遞主要由層流流動和湍流流動中的兩種傳遞形式組成，而熱量傳遞則由導(dǎo)熱和對流傳熱兩種形式控制，質(zhì)量傳遞由分子擴散和對流傳質(zhì)兩種形式控制，這三者前一種形式都是分子擴散傳遞，后一種形式則是渦流擴散傳遞。三傳在數(shù)學(xué)處理上不管是動量傳遞、熱量傳遞還是質(zhì)量傳遞，因為它們有相同的傳遞機理，所以數(shù)學(xué)表達(dá)式(微分方程的形式)是基本相似的[3]。在授課過程中，可以選擇一種重點講，比如對于動量傳遞部分詳細(xì)講解，在接下來的傳熱和傳質(zhì)過程中可以省略一些，即把一個傳遞過程講透徹了，其它相似的傳遞過程就變得容易。因為傳遞機制的概念貫穿整個課程，如果學(xué)生理解好了，那么他們就能把三傳大致串起來，雖然課程中概念和公式較多，基本方程又相當(dāng)復(fù)雜，但利用傳遞過程的共性，并結(jié)合工程實例，對實際問題進行具體分析，就可以用對比法學(xué)好《化工傳遞過程》這門課程。這時學(xué)生就會覺得公式?jīng)]有那么多了，也不是很難理解了，而且公式之間也有著內(nèi)在聯(lián)系。

3　數(shù)學(xué)模型的建立與求解

化工傳遞中涉及到許多建立數(shù)學(xué)模型和解數(shù)學(xué)模型的內(nèi)容，對于本科生而言，這部分內(nèi)容掌握起來難度很大，因此需要改進講授方式。數(shù)學(xué)模型是實際物理模型的抽象。任何學(xué)科發(fā)展到較高的理論水平，都需要對研究對象進行抽象處理，歸納出理論原型或數(shù)學(xué)模型。由于整個模型的建立過程都是在一定的條件下進行的，因此還原體系的初始過程，使學(xué)生理解具體的推導(dǎo)過程的邏輯脈絡(luò)，可以保證學(xué)生在模型建立過程中思路清晰。首先確定物理模型，闡述三種傳遞所遵循的三個基本物理過程的規(guī)律；接著建立動量、熱量和質(zhì)量傳遞的基本微分方程，即建立數(shù)學(xué)模型，將已知的物理問題歸納為方程組，根據(jù)具體問題，由已知條件簡化方程組、提出邊界條件求解方程，從而達(dá)到求解的目標(biāo)，求出速度、溫度或濃度分布規(guī)律；也可以進一步求傳遞速率[4]。這種通用的思路有利于學(xué)生按規(guī)律來掌握此類問題。而對于方程組的求解，由于實際化工工程問題的復(fù)雜性，需要做適當(dāng)?shù)暮喕?。例如對動量傳遞，可分為以下幾種情況：(1)對于非常簡單的層流，方程經(jīng)簡化后，通?？芍苯臃e分求解—解析解；(2)對于某些簡單層流，可根據(jù)流動問題的物理特征進行化簡。簡化后，積分求解—物理近似解；(3)對于復(fù)雜層流，可采用數(shù)值法求解；(4)而對于湍流，一般只能結(jié)合實驗，求半理論解。其它兩種傳遞過程的求解也可通過類似方法得到。由于這部分相關(guān)內(nèi)容難度較大，所以可以將教學(xué)分為兩個層次，對于那些基礎(chǔ)較好或者志在考研的學(xué)生，應(yīng)重點培養(yǎng)他們面對問題而想辦法解決問題的能力，養(yǎng)成他們的建?？蒲兴季S；而對于基礎(chǔ)較差的學(xué)生，可以舉簡單的例子，讓他們?nèi)菀桌斫?，同時重點讓他們掌握對結(jié)論的應(yīng)用。這種做法可以顯著提高此部分的教學(xué)效果。

4　提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

在《化工傳遞過程》中一些聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)實際的例子和圖片比較適合用多媒體來演示，這會使教學(xué)過程生動形象[5]。而針對公式推導(dǎo)過程的中間環(huán)節(jié)應(yīng)該用板書的方式一步一步地講解，通過板書教學(xué)，給學(xué)生留了思考的空間，降低講授速度，可以使學(xué)生更好地理解。因此在《化工傳遞過程》教學(xué)中，理論公式較多，可以采用以板書為主，多媒體輔助的教學(xué)手段，將多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)板書有機結(jié)合起來授課，發(fā)揮優(yōu)勢互補，極大地提高課堂教學(xué)效率。這種方法授課效果較好，學(xué)生記憶深刻。在教學(xué)實踐過程中，如果教師在教學(xué)過程中過多地注重抽象概念和建立數(shù)學(xué)模型，單一的理論分析教學(xué)將會使學(xué)生感到空洞枯燥，而忽視對講授內(nèi)容的實際意義和應(yīng)用場合的介紹，將導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。這就要求做到理論與實際相結(jié)合，拓展學(xué)生的思維空間、提高學(xué)生對《化工傳遞過程》學(xué)習(xí)的熱情。這種教學(xué)方法，不僅提高了教學(xué)效果，也提升了學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力?！痘鬟f過程》的理論性強，可以說是一門研究型的課程，可以以本課程做載體，初步培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，一方面提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一方面學(xué)以致用加深學(xué)生對知識的理解。這對以后準(zhǔn)備進一步讀研的學(xué)生是大有好處的。最后要布置好習(xí)題，做到課堂講解和習(xí)題練習(xí)相結(jié)合。要想學(xué)好化工傳遞課程，一定量的習(xí)題練習(xí)是必不可少的環(huán)節(jié)。習(xí)題一定要有針對性的給學(xué)生布置，不能沒有目的的布置，最好做到每個習(xí)題都對應(yīng)每次課堂理論講解的內(nèi)容，使理論和應(yīng)用相結(jié)合，這樣提高學(xué)習(xí)效率，增強學(xué)習(xí)效果。總之，教師需要運用不同的措施充分地調(diào)動起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和拓展他們的思維空間。

5　結(jié)　語

《化工傳遞過程》是化工專業(yè)的必修課程，內(nèi)容多、課時短。本文從課程內(nèi)容上與化工原理的區(qū)別與聯(lián)系、貫穿整個課程的傳遞機制、數(shù)學(xué)模型的建立與求解、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣幾個方面入手，期望達(dá)到從強化課程安排和教學(xué)手段來提高教學(xué)效果的目的?！痘鬟f過程》課程成為許多學(xué)生必須經(jīng)歷的一門較難的課程；掌握流動、傳熱與傳質(zhì)三種傳遞現(xiàn)象的物理規(guī)律是理解眾多的新老化工單元操作的基礎(chǔ)；培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思想和意識，掌握化工過程的量化方法，是本課程學(xué)習(xí)的重要目的。只要在教學(xué)實踐中把握好以上幾個方面的問題，一定可以提高教學(xué)質(zhì)量，減輕學(xué)生的課業(yè)和精神負(fù)擔(dān)，培養(yǎng)學(xué)生的自信心和學(xué)習(xí)興趣。

[1]方正東,王國宏,汪敦佳.化工傳遞過程的類比教學(xué)法探討[J].大學(xué)化學(xué),2006,21(5):20-23.

[2]劉志雄.淺談微分思維在化工傳遞過程教學(xué)的運用[J].廣東化工,2013,40(3):153-154.

[3]喬聰震,陳蔚萍,張順利.化工傳遞過程的類似性[J].化學(xué)研究,2000,11(4):45-47.

[4]陳濤,張國亮.化工傳遞過程基礎(chǔ)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011:35,165,243.

[5]張翼東.化工傳遞過程課程教學(xué)探索[J].鄭州師范教育,2014,3(4):57-59.

Thinking on the Teaching of Chemical Engineering Transport Processes

LI Chang-jin

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Anqing Normal University,Anhui Anqing 246011,China)

Chemical Engineering Transport Processes is a compulsory course in Chemical Engineering major,it is difficult and has less teaching hour.The course has the features as theory and engineering,it studies the mechanism of momentum,heat and mass transfer in chemical engineering process and the similarity among the three kinds of transfer process.At the same time,it is an important purpose to cultivate students’mathematical thinking and consciousness,and to master the quantitative method of chemical engineering process in the course.Based on the difference and relation with chemical engineering principle,the transport mechanism penetrating the whole course,the establishment and solution of mathematical model,and the improvement of students’learning interest,it launched exploration for improving teaching quality.

course characteristic; transport mechanism; mathematical model

李昌進(1983-)，男，講師，從事化學(xué)工程與工藝專業(yè)的教學(xué)與研究。

G4

B

1001-9677(2016)06-0207-02