彰显化工原理课程内容特点 强化学生工程能力的培养

　在高等工科教育中，完善的知识体系框架为基础科学知识、工程科学知识、工程技术与设备知识。从自然科学到工程技术之间，必须有一个中间知识层次，这一中间知识层次的教育就是通过技术基础课程来承担。可以看出，技术基础课程在学生的知识教育计划中起着承前启后、由理及工的“桥梁”作用，是从自然科学领域的基础课向工程科学的专业课过渡的入门课程。化工原理课程是化工类及相近专业的一门重要的技术基础课。该课程的主要内容是利用数学、物理和化学等自然科学的原理，研究实际化工物理过程中的客观规律，并利用这些规律进行化工过程设计、工艺计算、设备构造设计等。它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务。科学是反映自然、社会和思维等的客观规律的分科的知识体系；科学从自然现象中被抽象出来，再应用到生产实践活动中去。技术是人类在利用自然和改造自然的过程中积累起来并在生产劳动中体现出来的经验和知识。可见，技术的根基是科学。笔者结合多年从事化工原理课程教学的体会，谈一下在该课程教学过程中，有意识彰显化工原理课程内容特点，对学生进行工程能力培养的做法及认识。
　　一、应用科学理论进行工程技术问题分析的能力培养
　　化工原理课程内容的研究对象就是实际化学工程中的问题。某些化工过程中的实际问题在做合理的简化处理的基础上，可以直接应用相关的基础科学理论进行分析描述。这种方法是基础理论课程中常用的方法，是培养学生由科学到技术、由理到工的基本能力和工程问题基本分析能力的重要环节。Www.11665.coM通过这种方法引导学生学会观察问题、描述问题，培养学生理性逻辑思维的能力，同时引导学生认识科学理论在工程实际中的应用，培养理论联系实际的工程能力。例如，应用相关的物理定律和数学手段，进行流体静力学方程式的导出、柏努利方程式的导出、圆管中流体定态流动时的剪应力分布式、圆管中牛顿型流体定态层流流动时流速分布式、沿程能量损失公式、一维定态温度场中热传导速率式、一维定常态浓度场中分子扩散传质速率式等都应用了这种数学解析方法。
　　二、应用实例分析进行工程观点的培养
　　化工原理课程各种单元操作的发展积累了丰富的材料。在讲授这些工程科学和工程技术知识时要突出工程观点。例如，以建立循环流动说明蒸发设备的沿革；以机械能平衡和动量平衡的观点观察管内流动和均布现象；结合吸收和传质设备的分析引入返混的工程概念。学者们非常重视在教学中突出对学生工程观点的培养教育［1-3］。
　　在授课过程中通过列举实例分析的思路中对学生工程观点的形成给予引导和强调。在基础理论课程中，从一个理论出发分析影响某一物理量的诸因素时，学生会不分实际与否、不分主次地找出各种影响因素和影响关系。但是，在分析实际工程问题时就不同了，在分析影响某一工程中物理量的各种因素时，首先要考虑实际可能性，分清因果关系，其次再要善于分清主次因素。例如，在通过传热实验测定换热器的传热总系数k时，由实验数据计算传热总系数是根据传热基本方程式 。如果要求学生指出在实验中影响k测定准确性的各主要因素的话，很多学生就围绕着传热基本方程式考虑问题，不分主次地罗列出t1、t2、t1、t2、qm1、qm2等因素。传热基本方程式是通过实验数据反映换热器的传热总系数的一个方法。如果分析实验中影响k测定准确性的各因素的话，应该从本质上来考虑问题，根据k的表达式 来考虑，该式是从根本上反映各影响因素的关系式。并非该式中的每个物理量都是工程中的变量因素，对于实验中某一确定的换热器来说，仅有对流给热系数out、in是变量因素，因此，影响out、in的变量因素就是影响k测定准确性的因素。再根据对流给热系数的表达式可知，流体的流速（即流量）是最敏感的影响因素。因此，对于上述问题，实验中的qm1、qm2是影响k测定准确性的关键因素。这样来分析问题，注重了问题的客观实际性，使学生认识到哪些是表面关系（或者纯数学关系）、哪些是本质关系，并且认识到同一台换热器的换热性能参数k是因流体流量不同、操作条件不同而变化的，从而建立起灵活的而非僵化的工程概念。
　　从化工原理的教学内容中多提炼出此类问题进行课堂分析，对于引导学生建立工程概念、树立工程经济意识起着非常重要的教育作用。
　　三、工程处理方法应用能力的培养
　　在化工原理各单元操作的分析和描述中，体现了研究工程问题的共性和方法论。对于所研究问题（对象）进行受力分析、物料衡算、能量衡算、相平衡关系描述、传递速率描述等以及经济性基本分析，是研究工程问题的最基本而有效的处理方法[4]。在研究复杂的工程问题时，根据复杂工程问题的特性，灵活采用的系数校正法、参数论文联盟http://归并法、过程分解组合法、实验研究法、数学模型法和极限处理法等，更体现出工程技术研究者的智慧和工程处理方法的策略性。
　　1．系数校正法
　　对于所研究问题分清共存的主要矛盾和次要矛盾，首先抓住主要矛盾忽略次要矛盾，利用理论分析描述问题，得到反映问题规律的数学关系式。然后再考虑次要矛盾的影响，根据实践经验在数学关系式中加上合理的系数给予校正。在研究孔板流量计流量计算式、毕托管流量计算式、重力射流流量计算式、压力射流流量计算式等问题时都运用了这样的工程处理方法。
　　2．参数归并法
　　参数归并法又可以称集总参数法。很多化工实际问题通过数学描述后所得到的数学关系式的形式特别复杂。为了将这种数学关系式的形式进行简化并且使得公式变得更为简捷实用，此时就要根据实际生产中的情况做分析，哪些物理量是在生产过程中需要不断调整的工程参数，哪些是在一般情况下不易发生变化的、或者不需要作调整的，尤其是对某些工程因素，尽管从理论上做出了定义，但是其数值必须通过实验获得。这种情况下，可以将不易发生变化的、一般不需要作调整的以及必须通过实验获得数值的多个工程因素进行归并，定义为一新的参数来表示这多个工程因素的组合式，便得到在通常情况下方便应用的简捷的数学关系式，这个组合式的值一般通过实验确定之。如果是某种生产参数作了调整，所定义的多个工程因素组合式中的某种因素数值发生了变化，我们便可以根据所定义的组合式的数学形式有目的地将组合式值给予校正得到新生产状况下的值。这样，无需重新通过实验测定组合式的值了，使得实际生产变得更为经济。过滤速率表达式以及恒压过滤方程式的表示法即是一典型的例子。实际上，表示流体对流传热速率的牛顿冷却定律和流体对流传质速率的方程式的提出，将诸多复杂的工程因素全归并到传热系数及传质系数中，然后通过实验研究方法再研究之，就是工程上集总参数法的处理方法。
　　3．过程分解组合法
　　将一个复杂的过程（或系统）分解为联系较少或相对独立的若干个子过程（或子系统），分别研究各子过程（或子系统）的特有规律，然后再将各子过程（或子系统）联系起来，探求各子过程（或子系统）之间的相互影响及总体效应。在研究带泵管路时首先分别研究管路的特性方程和泵的特性方程，然后将问题综合起来分析泵的工作点。在研究填料层高度时分别分析影响传质单元高度的因素和影响传质单元数的因素。在研究板式塔高度时分别研究理论塔板数、塔板效率和板间距。此类问题都是过程分解与组合法基本工程思想的体现。