淺談地方高校的化工過程模擬課程的教改

陸君

摘要：化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科是一門工科性較強(qiáng)的學(xué)科。很多本科是化學(xué)類方向的本科生進(jìn)入化學(xué)工程與技術(shù)碩士點(diǎn)學(xué)習(xí)的時候，由于本科階段是理科化學(xué)，比如應(yīng)用化學(xué)專業(yè)、化學(xué)專業(yè)、有機(jī)化學(xué)專業(yè)、物理化學(xué)專業(yè)等，這些專業(yè)的學(xué)習(xí)以四大化學(xué)為主，較少涉及化工三大傳遞和反應(yīng)工程的理論學(xué)習(xí)。這些學(xué)生缺乏化工類工程計(jì)算知識體系的培訓(xùn)，很難從本質(zhì)上了解化學(xué)工程的三傳一反知識。因此，本文對本科是理科化學(xué)的化工研究生的三傳一反理論的學(xué)習(xí)問題，淺談化工過程模擬課程開設(shè)的必要性，同時談?wù)勱P(guān)于此課程的內(nèi)容框架設(shè)計(jì)心得和授課心得。

化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科是以化學(xué)過程為主體的，研究各種化工過程的工藝參數(shù)優(yōu)化、工程計(jì)算和過程開發(fā)的一門學(xué)科。這對碩士生的化工三傳一反知識體系要求較高。但是一些高?；ごT士點(diǎn)的生源大部分是理科化學(xué)專業(yè)，比如應(yīng)用化學(xué)專業(yè)、化學(xué)專業(yè)、有機(jī)化學(xué)專業(yè)、物理化學(xué)專業(yè)等。這些專業(yè)學(xué)生的化工知識體系較為薄弱，因此作者所在的單位為化工碩士生開設(shè)了化工傳遞過程數(shù)值模擬課。開設(shè)這樣的課程的目的是在較短的時間內(nèi)，為缺乏工程素養(yǎng)的研究生建立化學(xué)工程傳遞守恒和工程計(jì)算的知識體系[1]。

化工傳遞過程數(shù)值模擬課程主要包括流體力學(xué)計(jì)算、化工過程模擬和過程數(shù)值計(jì)算等，主要是對化工過程中的三大傳遞進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，該課程屬于學(xué)位專業(yè)課[2]。國內(nèi)重點(diǎn)高校也開設(shè)了相關(guān)課程，要求學(xué)生需選修兩門數(shù)學(xué)課。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課主要涉及工程領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)學(xué)計(jì)算，數(shù)值統(tǒng)計(jì)以及數(shù)學(xué)物理方程。研究生根據(jù)自己課題的方向選擇相應(yīng)的數(shù)學(xué)課程。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課對學(xué)生的數(shù)學(xué)功底要求較高，碩士階段的數(shù)學(xué)課程的學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)生掌握的程度和學(xué)習(xí)的效果和本科階段數(shù)學(xué)功底有較大的關(guān)系。學(xué)生普遍反映難度較高，難以跟上老師的教學(xué)進(jìn)度。對于作者所在的高校這樣的地方大學(xué)，研究生生源無法保證，這導(dǎo)致本校研究生更難學(xué)好這些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課。

化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科的工科性較強(qiáng)，以工藝開發(fā)和工程優(yōu)化為主，以“三傳一反”的核心理論為主導(dǎo)。在化工過程的研究中，對化工過程進(jìn)行模型化是研究化工過程中傳遞問題、反應(yīng)速率問題和機(jī)理問題的重要工具。過程模擬課程在國內(nèi)眾多高?；ぱ芯可n程中占有重要的位置?；み^程的過程模擬包括的領(lǐng)域方向較多，微觀計(jì)算有量子化學(xué)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)計(jì)算和分子模擬等，宏觀尺度過程計(jì)算有流體力學(xué)、傳質(zhì)模擬和反應(yīng)模擬等。國內(nèi)重點(diǎn)高校（如天津大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、華東理工大學(xué)等）大多開設(shè)這里面的3-5門課程讓研究生選擇一門課程[1，2]。但是學(xué)好這些過程模擬課程的前期條件是，學(xué)生需要有數(shù)值分析和數(shù)理方程的基礎(chǔ)。

筆者在該課程的內(nèi)容安排和框架體系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要思路是，在講授一部分淺顯的數(shù)值分析的基礎(chǔ)上講授過程模擬專業(yè)知識，設(shè)計(jì)淺顯易懂的化工過程讓學(xué)生在較短的時間內(nèi)對數(shù)值分析和過程模擬有較深入的理解。筆者在結(jié)合了學(xué)院目前情況的前提下，將研究生數(shù)學(xué)課程和過程模擬結(jié)合到一起，以簡化的數(shù)學(xué)理論講解的先導(dǎo)，結(jié)合過程模擬為應(yīng)用案例，互補(bǔ)的講解化工過程的過程模擬課程。在講解數(shù)學(xué)模型的模擬和求解之前，有選擇性的講解數(shù)值分析的基礎(chǔ)知識。一方面這能使得本專業(yè)研究生在學(xué)習(xí)數(shù)值分析知識的時候不至于失去寶貴的學(xué)習(xí)興趣；其次通過過程模擬課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能通過建立虛擬的原型來理解工藝工程中的內(nèi)部機(jī)制，通過對數(shù)學(xué)模型的建立和求解來掌握過程中物質(zhì)傳遞機(jī)理和反應(yīng)工程機(jī)理[3]。以典型化工過程模擬案例為主體，逐步引入數(shù)值分析知識，讓學(xué)生帶著興趣去學(xué)習(xí)數(shù)值分析，而不是沒有目的性的學(xué)習(xí)數(shù)值分析。

化工過程模擬是化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科碩士研究生的必修課。針對目前國內(nèi)化學(xué)工程與技術(shù)類研究生的本科是理科的問題，我們將復(fù)雜的數(shù)值分析用淺顯易懂的本科階段高數(shù)微積分知識講解給學(xué)生，選擇一些具有代表性的化工案例，比如管式反應(yīng)器中的質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、動量傳遞、停留時間分布模型等[4]，比如NOX的催化吸附反應(yīng)器的質(zhì)量傳遞和熱量傳遞，比如氫空燃料電池中氣體在流道中的傳質(zhì)和動量傳遞等[4]。在講解數(shù)學(xué)模型的模擬和求解之前，有選擇性的用淺顯易懂的高數(shù)微積分知識講解數(shù)值分析的基礎(chǔ)知識，比如用簡單的擴(kuò)散問題來講解一維和二維的離散化算法。一方面這能使得本專業(yè)研究生在學(xué)習(xí)數(shù)值分析知識的時候不至于失去寶貴的學(xué)習(xí)興趣；其次通過過程模擬課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能通過建立虛擬的原型來理解工藝工程中的內(nèi)部機(jī)制，通過對數(shù)學(xué)模型的建立和求解來掌握過程中物質(zhì)傳遞機(jī)理和反應(yīng)工程機(jī)理。

1.以過程模擬的案例來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)值分析的知識，盡量避免較復(fù)雜的難懂的數(shù)學(xué)理論使得學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。因此整理出數(shù)值分析課程中用到的過程過程模擬的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)理論，在過程過程模擬的講解前期就介紹給學(xué)生。具體包括數(shù)理方程、應(yīng)用數(shù)值統(tǒng)計(jì)和數(shù)值分析的部分內(nèi)容。

2.化工過程的模擬案例的選擇。選擇一些能分別體現(xiàn)“三傳一反”（質(zhì)量傳遞、動量傳遞、熱量傳遞和反應(yīng)工程）理論的經(jīng)典化工過程作為過程模擬的案例?；み^程分類較多，較復(fù)雜的化工過程以及單元操作不適合本校研究生，我們需要尋找一些既讓學(xué)生能很快深入又能激發(fā)學(xué)生研究興趣的化工過程典型案例[5]。我們從化工過程的三大原理（質(zhì)量傳遞、動量傳遞和熱量傳遞）出發(fā)，從揭示三大原理的角度來選擇經(jīng)典的化工過程作為過程模擬的案例[6]。

3.根據(jù)三大傳遞，列出數(shù)學(xué)模型中的質(zhì)量傳遞、熱量傳遞和動量傳遞偏微分方程，若是一維模型，即給出解析解或積分方程的推導(dǎo)過程，若是二維或三維模型，給出模擬軟件認(rèn)可的簡化偏微分方程。根據(jù)上述確定的偏微分方程確定數(shù)值分析部分需要講解的知識，將模型中的偏微分方程按照數(shù)值分析的分類分為雙曲線型、拋物線型和橢圓型等，從數(shù)值分析的角度對這些偏微分方程進(jìn)行推導(dǎo)和講授。對主要的偏微分方程進(jìn)行數(shù)學(xué)離散，從數(shù)值分析的角度進(jìn)行講授離散方法和離散過程。

參考文獻(xiàn)：

[1]余國琮等，化工類專業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)——“化工類專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)技術(shù)改革的研究與實(shí)施”項(xiàng)目成果簡介， 化工高等教育，2006（1）：8-12

[2]鄒麗霞等，“化學(xué)工程與工藝專業(yè)”復(fù)合式應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的研究，化工高等教育，2008（1）：15-18

[3]肖國民等，通用化工模擬軟件在《化工傳遞過程原理》教學(xué)中的應(yīng)用，化工時刊，2012（10）：53-59

[4]葛蔚等，從多尺度到介尺度——復(fù)雜化工過程模擬的新挑戰(zhàn)，化工學(xué)報(bào)，2010（7）：1613-1620

[5]閻建民，化工原理教學(xué)中對傳遞過程的類比，化工高等教育，2004（4）：82-83

[6]孫志仁等，傳遞過程導(dǎo)論教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程觀的探索，化工高等教育，2010（1）：52-55.