《化工傳遞過程原理》課程教學(xué)探索

李奕川，李 軍

（中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580）

一、前言

自20世紀(jì)中葉以來，人們對單元操作的研究愈發(fā)深入，發(fā)現(xiàn)各種單元操作之間存在共性，并逐漸歸納為動量、熱量和質(zhì)量三種傳遞原理。傳遞過程注重從理論上揭示各種單元操作過程和設(shè)備的基本原理，因此成為化工單元操作的基礎(chǔ)。經(jīng)過五十多年的發(fā)展，諸多論述動量、熱量和質(zhì)量傳遞的著作相繼問世，化工傳遞過程原理也成為我國高?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)課程體系中的一門主干課程，在冶金、輕工、高分子、醫(yī)藥、原子能和生物技術(shù)等領(lǐng)域均有應(yīng)用。課程涉及化工原理、流體力學(xué)、高等數(shù)學(xué)等學(xué)科內(nèi)容，采用在抽象出物理模型的基礎(chǔ)上通過數(shù)學(xué)模型描述的方法，將單元操作視為三傳的特殊情況或特定組合，從而實現(xiàn)化工過程經(jīng)驗分析向理論分析的轉(zhuǎn)變。

在本課程的學(xué)習(xí)過程中，要求學(xué)生具備一定的空間思維能力和對復(fù)雜物理過程的理解能力，同時對高等數(shù)學(xué)特別是微積分運算能力依賴性極強。因此，學(xué)生普遍存在畏懼心理，制約了學(xué)習(xí)興趣和積極性，不僅對教學(xué)推進(jìn)帶來一定困難，也對課程的講授提出了相當(dāng)高的要求。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.基本情況?！痘鬟f過程原理》是我校針對化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生在第五學(xué)期開設(shè)的一門專業(yè)核心課程，共32學(xué)時。本課程是一門工程理論性和系統(tǒng)性較強的課程，系統(tǒng)地論述化工單元操作的共性原理，并歸結(jié)為動量、熱量和質(zhì)量的傳遞過程，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。各傳遞過程既有獨立性又有類似性，雖然課程中概念、定義和公式較多，基本方程又相當(dāng)復(fù)雜，給學(xué)習(xí)帶來一定的困難，但可運用“三傳”的類似關(guān)系進(jìn)行研究理解。由于本課程主要研究石油和化工生產(chǎn)中各單元操作中動量、能量、質(zhì)量傳遞規(guī)律，其中包括基本原理及計算方法，為后續(xù)的專業(yè)課，如分離工程、石油煉制工程以及實際工作打下基礎(chǔ)，因此，在化工專業(yè)教學(xué)體系中具有承上啟下的作用，安排在通識課程與專業(yè)基礎(chǔ)課之后授課。由于傳遞過程的概念比較抽象，而建模和求解又要求學(xué)習(xí)者具有深厚的高等數(shù)學(xué)功底，學(xué)生普遍反映知識的接受和理解難度較大，教學(xué)效果不甚理想。

2.教材選擇。傳遞過程原理是化學(xué)工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)理論課程之一。通過一些工程中的具體實例使學(xué)生理解動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的基本原理以及三者之間的密切聯(lián)系，掌握建立、求解化工傳遞過程數(shù)學(xué)模型基本方法，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。結(jié)合本校學(xué)生現(xiàn)狀，課程教材選擇了陳濤、張國亮主編的“十一五”國家級規(guī)劃教材：《化工傳遞過程基礎(chǔ)》（第三版）。該書針對化工專業(yè)人才培養(yǎng)方案進(jìn)行了若干次修訂，系統(tǒng)論述了化學(xué)工程中動量、熱量與質(zhì)量傳遞的基本原理、數(shù)學(xué)模型及求解方法，傳遞速率的理論計算，“三傳”的類似性以及傳遞理論的工程應(yīng)用等內(nèi)容。由于課時限制，難以在32學(xué)時內(nèi)將所有章節(jié)內(nèi)容全部詳細(xì)講解，這就要求教學(xué)者根據(jù)課程體系和專業(yè)學(xué)生的實際情況合理地分配學(xué)時、安排教學(xué)內(nèi)容。

3.學(xué)時分配。教材根據(jù)“三傳”將內(nèi)容分為三部分：動量篇、能量篇和質(zhì)量篇?；鬟f通過建模描述抽象問題，涉及大量的非線性方程與偏微分推導(dǎo)。但三種傳遞原理的數(shù)學(xué)模型在分析推導(dǎo)、方程形式和求解方法上存在顯著的共通性。鑒于此，若能較好理解動量傳遞的相關(guān)概念并掌握其推導(dǎo)方法，將對后續(xù)熱量、質(zhì)量傳遞的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。并且流體的流動形態(tài)決定了能量和質(zhì)量傳遞的方式和機理，比如對流傳熱和對流傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型都是以動量篇中的邊界層理論為基礎(chǔ)建立起來的：在采用積分方程近似求解傳遞速率的過程中，積分動量方程、熱流方程和質(zhì)流方程的數(shù)學(xué)形式和求解方法高度類似，且后兩者受到單參數(shù)速度剖面的影響?？梢妱恿總鬟f是能量、質(zhì)量傳遞學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，應(yīng)分配較多的學(xué)時。若能掌握動量推導(dǎo)方法，其后的類似推導(dǎo)難度將會大大降低。綜上所述，傳遞概論分配2學(xué)時，動量傳遞分配16學(xué)時，能量傳遞和質(zhì)量傳遞各分配8學(xué)時。

4.內(nèi)容選擇?；鬟f過程原理涉及概念、公式較為抽象，學(xué)生的化工專業(yè)基礎(chǔ)與數(shù)學(xué)能力也不盡相同，因此精心組織教學(xué)內(nèi)容，合理安排教學(xué)重點顯得尤為重要。（1）傳遞過程緒論：傳遞過程概論，流體流動導(dǎo)論，闡述三傳的類似性，重點掌握微分衡算方程的推導(dǎo)過程和總質(zhì)量衡算方法。（2）動量傳遞篇：理解連續(xù)性方程與運動方程的推導(dǎo)過程與普朗特邊界層理論；掌握運用變化方程求解平壁間、圓管以及套管環(huán)隙內(nèi)的穩(wěn)態(tài)層流；重點掌握卡門積分動量方程的推導(dǎo)思路與求解方法；了解流函數(shù)、勢函數(shù)的概念，柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)系下變化方程各變量的含義。（3）質(zhì)量傳遞篇：根據(jù)三傳類似性，理解兩種質(zhì)量傳遞形式的概念和質(zhì)量微分方程的推導(dǎo)；掌握通過停滯組分以及等分子反向兩種擴(kuò)散系數(shù)的計算方法；理解對流傳熱不同類型的特征以及對流傳質(zhì)模型的建立方法。（4）多種傳遞同時進(jìn)行：了解實際化工生產(chǎn)中常見操作單元主要包含的傳遞類型和概念。

三、課程教學(xué)的實踐與研究

1.授課形式?；鬟f過程原理課程的研究對象較為抽象，涉及的基礎(chǔ)理論知識廣泛而深入，因此秉持“深入淺出”的原則，將相關(guān)概念理解透徹極為重要。本課程教學(xué)內(nèi)容的傳授采用精講與自學(xué)相結(jié)合，在充分講授理論概念的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生消化、吸收；授課方式采用課堂講解與分組討論相結(jié)合，提高師生的互動性，活躍課堂氣氛；講解時將多媒體課件與傳統(tǒng)板書有機結(jié)合，優(yōu)勢互補。例如，講解普朗特邊界層理論時，結(jié)合PowerPoint的動畫功能針對邊界層內(nèi)的流體在上、下游階段以及分離點處的流動特點進(jìn)行直觀的展示和動態(tài)的分析，相比板書不僅提高了授課效率，學(xué)生也會獲得更為形象的概念。而針對各種公式推導(dǎo)的過程，可以利用板書的方式進(jìn)行逐步演算，幫助學(xué)生充分掌握推導(dǎo)思路和計算過程。教師通過將多媒體和板書教學(xué)兩種方式進(jìn)行有序、合理的結(jié)合，既可以在適當(dāng)?shù)臅r候啟發(fā)學(xué)生思考，又可以更好地幫助學(xué)生理解知識。由于三種傳遞存在類似性，類比啟發(fā)式教學(xué)在加深學(xué)生對于傳遞理論的理解方面可以得到有效的利用。比如在講授對流傳質(zhì)的概念時，若根據(jù)積分方程求近似解的相似性，對比講解邊界層內(nèi)三種傳遞機理和模型。這種方法不僅有助于學(xué)生接收新知識，亦可加深其對前期內(nèi)容的理解。

學(xué)生從接觸、學(xué)習(xí)基本理論到運用本課程的所學(xué)知識解決實際工程問題，數(shù)學(xué)訓(xùn)練和實踐環(huán)節(jié)必不可少。因此本課程以課堂教學(xué)為主，重在理論推論過程，應(yīng)突出重點、分散難點，使學(xué)生對于課程的主要內(nèi)容有清晰的整體認(rèn)識和深刻的細(xì)節(jié)印象，牢固掌握所學(xué)知識，并輔以下列重要的教學(xué)環(huán)節(jié)：在學(xué)習(xí)本課程之前應(yīng)先進(jìn)行場論基礎(chǔ)和Matlab數(shù)值計算語言學(xué)習(xí)，在講授理論知識之后設(shè)計相應(yīng)的習(xí)題課，并完成針對典型過程進(jìn)行建模求解的課外作業(yè)。在當(dāng)堂測驗、批改作業(yè)、階段性考試等環(huán)節(jié)中檢驗教學(xué)效果，通過后續(xù)的化工設(shè)計來鞏固學(xué)生運用知識解決問題的能力。

2.與化工原理、分離工程等課程相結(jié)合?；ぴ硪粤黧w流動、傳熱以及傳質(zhì)分離為重點，論述化工、石油、輕工、食品、冶金工業(yè)等的典型過程原理及應(yīng)用，內(nèi)容包括流體的流動原理及輸送機械、傳熱原理及設(shè)備、傳質(zhì)原理及應(yīng)用等涉及的各種單元操作過程；化工傳遞講解各個單元操作之間的共性理論，闡述動量、熱量和質(zhì)量傳遞的實質(zhì)和規(guī)律，以及傳遞過程中強度量分布和傳遞速率，注重與化工過程實際的聯(lián)系；分離工程則是以質(zhì)量傳遞為基礎(chǔ)，介紹化工生產(chǎn)中常用平衡分離過程的基本原理和設(shè)計計算方法，主要講解多組分精餾、吸收過程以及分離方法的選擇和新分離手段的發(fā)展等。由以上三門課程的特點可以看出，課程知識的交叉性強，學(xué)生在化工原理、分離工程的教學(xué)過程中接觸過大量化工類課程的基礎(chǔ)知識。合理運用這些相關(guān)的基礎(chǔ)知識作為鋪墊，便于學(xué)生快速理解、系統(tǒng)學(xué)習(xí)傳遞過程原理。傳遞理論與化工原理相結(jié)合，能使學(xué)生對化工過程理論的認(rèn)識從宏觀提高到微觀，有助于培養(yǎng)學(xué)生正確認(rèn)識化工過程的實質(zhì)，學(xué)會運用數(shù)學(xué)工具來解釋和分析化工過程，從而提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力；將化工分離新技術(shù)的發(fā)展引入化工傳遞的授課過程中，可以提高學(xué)生興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，在開闊學(xué)生思路的同時激發(fā)他們的求知欲望。

3.新型教學(xué)手段的運用。在傳遞過程理論教學(xué)的過程中，該課程的綜合性很強，數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜，模型建立困難。課堂教學(xué)作為授課的重要載體和主要環(huán)節(jié)，不能僅僅延續(xù)傳統(tǒng)的教學(xué)方式。對于理論教學(xué)而言，學(xué)生接觸化工領(lǐng)域的時間尚短，對化工工藝和傳遞過程的認(rèn)識不足，造成理論知識的理解困難。比如依靠板書和少量教具并不易講清系統(tǒng)或者控制體內(nèi)的流體運動狀態(tài)等微觀概念，學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣不高。而且化工傳遞課程的學(xué)時數(shù)不多，但需要講授的內(nèi)容卻很多，須將現(xiàn)代化的數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過程當(dāng)中才能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得事半功倍的教學(xué)效果。

為了解決化工傳遞課程中部分教學(xué)內(nèi)容難以依靠板書和普通課件進(jìn)行組織、講解的問題，應(yīng)當(dāng)不斷豐富、充實教學(xué)手段。隨著現(xiàn)代化教育技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化的計算機輔助教學(xué)（Computer Assisted Instruction，CAI）技術(shù)逐漸發(fā)展成熟。運用新型的教學(xué)技術(shù)能夠破解微觀模型難以描述、板書演示無法動態(tài)展現(xiàn)等難題。

四、基于“菁英班”培養(yǎng)的教學(xué)探索

為了充分發(fā)揮高等院校與科研機構(gòu)在人才教育和培養(yǎng)、科研交流與合作方面各自的優(yōu)勢，我校與中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所于2015年10月合作設(shè)立了聯(lián)合培養(yǎng)本科生暨“菁英班”計劃。旨在通過該計劃的推動，充分利用雙方的智力資源和科技資源，培養(yǎng)研究型人才，更好地促進(jìn)學(xué)生全面化、個性化和最大化發(fā)展。這不僅是對高校本科人才培養(yǎng)模式的豐富和補充，更希望能以此為契機，進(jìn)一步深化我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)人才培養(yǎng)模式和教育教學(xué)改革?；鬟f過程作為專業(yè)核心課程，其理論性雖然強，但卻與實際聯(lián)系緊密，具備研究型課程的條件。因此將本課程作為初步培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力的載體，提高“菁英班”學(xué)員的科研能力與素養(yǎng)，對其今后進(jìn)一步從事科研工作大有裨益。

化工傳遞中涉及許多數(shù)學(xué)模型的建立和求解，這也是從事科研工作所必備的學(xué)術(shù)能力。在面對各種實際問題時，首先要抽象處理研究原型，提煉出數(shù)學(xué)模型并選取適當(dāng)?shù)那蠼獠呗耘c方法。由于整個建模過程往往是在諸多限制條件下進(jìn)行的，因此在授課過程中需要準(zhǔn)確還原問題分析的初始過程，讓學(xué)生理解、體會層層遞進(jìn)的推導(dǎo)邏輯，保證學(xué)生在建模過程中思路清晰，從而培養(yǎng)和建立完整的思維創(chuàng)新能力：根據(jù)實際問題確定物理模型（抽象處理原型）→依據(jù)三傳遵循的基本定律建立微分方程組（提煉數(shù)學(xué)模型）→由各種已知條件簡化方程組（分析數(shù)學(xué)模型）→尋找初始和邊界條件求解方程（回歸解決實際問題）。從科研工作一般規(guī)律出發(fā)，掌握分析化工過程問題的通用思路有利于學(xué)生形成良好的科學(xué)素養(yǎng)。而在講授數(shù)學(xué)模型的求解，豐富學(xué)生解決問題的方式和手段時，則可根據(jù)實際情況的復(fù)雜程度進(jìn)行適當(dāng)?shù)臍w納總結(jié)，便于學(xué)生理解掌握。例如，對于動量傳遞中的不同流動形態(tài)：非常簡單的層流通?？芍苯訉⒎匠谭e分求解析解；某些簡單層流可根據(jù)流動的物理特征進(jìn)行適當(dāng)化簡，再積分求得物理近似解；復(fù)雜層流需采用數(shù)值法得解，湍流則需要結(jié)合實驗求得半理論解。在此基礎(chǔ)上根據(jù)三傳的類似性，講授不同流型下熱量和質(zhì)量傳遞過程的求解內(nèi)容時也可參考這一方法。由于“菁英班”學(xué)員的基礎(chǔ)好、學(xué)習(xí)能力較強，該部分內(nèi)容難度雖然較大，卻是提高他們分析問題、解決問題的能力，養(yǎng)成建?？蒲兴季S的良好載體。

五、結(jié)語

作為工科院?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)的重要專業(yè)課程，化工傳遞過程原理不僅是灌輸基礎(chǔ)專業(yè)知識的主干課程，更是一門培養(yǎng)創(chuàng)新能力的研究型課程。如何在有限的學(xué)時之內(nèi)快速激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、充分調(diào)動學(xué)生的積極性，最大限度地促進(jìn)學(xué)生對知識的理解和吸收，需要每一位專業(yè)培養(yǎng)體系設(shè)計者和課程教學(xué)工作者不斷地思考和努力?；鬟f充分體現(xiàn)了理工類學(xué)科課程抽象性強、邏輯性嚴(yán)密的特點。對此類課程教學(xué)方法的改進(jìn)和探討，乃至化工專業(yè)人才培養(yǎng)模式和教育教學(xué)的改革，仍是化工教學(xué)工作者不斷思考和努力的方向。