摘 要：化工原理課程是化工類專業一門重要的技術基礎課。該課程的內容是利用數學、物理和化學等自然科學的原理，研究實際化工過程中的客觀規律，并利用這些規律進行化工過程設計、工藝計算、設備構造設計等。它承擔著工程科學與工程技術的雙重教育任務。在化工類專業人才培養中，它起著由理及工的“橋梁”作用。在化工原理課程研究工程問題的思想方法中蘊涵著豐富的能力培養作用，值得進行研究和挖掘。

關鍵詞：化工原理；教學內容；工程處理方法；能力培養

在高等工科教育中，完善的知識體系框架為基礎科學知識、工程科學知識、工程技術與設備知識。從自然科學到工程技術之間，必須有一個中間知識層次，這一中間知識層次的教育就是通過技術基礎課程來承擔?？梢钥闯觯夹g基礎課程在學生的知識教育計劃中起著承前啟后、由理及工的“橋梁”作用，是從自然科學領域的基礎課向工程科學的專業課過渡的入門課程?；ぴ碚n程是化工類及相近專業的一門重要的技術基礎課。該課程的主要內容是利用數學、物理和化學等自然科學的原理，研究實際化工物理過程中的客觀規律，并利用這些規律進行化工過程設計、工藝計算、設備構造設計等。它承擔著工程科學與工程技術的雙重教育任務?？茖W是反映自然、社會和思維等的客觀規律的分科的知識體系；科學從自然現象中被抽象出來，再應用到生產實踐活動中去。技術是人類在利用自然和改造自然的過程中積累起來并在生產勞動中體現出來的經驗和知識。可見，技術的根基是科學。筆者結合多年從事化工原理課程教學的體會，談一下在該課程教學過程中，有意識彰顯化工原理課程內容特點，對學生進行工程能力培養的做法及認識。

一、應用科學理論進行工程技術問題分析的能力培養

化工原理課程內容的研究對象就是實際化學工程中的問題。某些化工過程中的實際問題在做合理的簡化處理的基礎上，可以直接應用相關的基礎科學理論進行分析描述。這種方法是基礎理論課程中常用的方法，是培養學生由科學到技術、由理到工的基本能力和工程問題基本分析能力的重要環節。通過這種方法引導學生學會觀察問題、描述問題，培養學生理性邏輯思維的能力，同時引導學生認識科學理論在工程實際中的應用，培養理論聯系實際的工程能力。例如，應用相關的物理定律和數學手段，進行流體靜力學方程式的導出、柏努利方程式的導出、圓管中流體定態流動時的剪應力分布式、圓管中牛頓型流體定態層流流動時流速分布式、沿程能量損失公式、一維定態溫度場中熱傳導速率式、一維定常態濃度場中分子擴散傳質速率式等都應用了這種數學解析方法。

二、應用實例分析進行工程觀點的培養

化工原理課程各種單元操作的發展積累了豐富的材料。在講授這些工程科學和工程技術知識時要突出工程觀點。例如，以建立循環流動說明蒸發設備的沿革；以機械能平衡和動量平衡的觀點觀察管內流動和均布現象；結合吸收和傳質設備的分析引入返混的工程概念。學者們非常重視在教學中突出對學生工程觀點的培養教育［1-3］。

在授課過程中通過列舉實例分析的思路中對學生工程觀點的形成給予引導和強調。在基礎理論課程中，從一個理論出發分析影響某一物理量的諸因素時，學生會不分實際與否、不分主次地找出各種影響因素和影響關系。但是，在分析實際工程問題時就不同了，在分析影響某一工程中物理量的各種因素時，首先要考慮實際可能性，分清因果關系，其次再要善于分清主次因素。例如，在通過傳熱實驗測定換熱器的傳熱總系數K時，由實驗數據計算傳熱總系數是根據傳熱基本方程式 。如果要求學生指出在實驗中影響K測定準確性的各主要因素的話，很多學生就圍繞著傳熱基本方程式考慮問題，不分主次地羅列出T1、T2、t1、t2、qm1、qm2等因素。傳熱基本方程式是通過實驗數據反映換熱器的傳熱總系數的一個方法。如果分析實驗中影響K測定準確性的各因素的話，應該從本質上來考慮問題，根據K的表達式 來考慮，該式是從根本上反映各影響因素的關系式。并非該式中的每個物理量都是工程中的變量因素，對于實驗中某一確定的換熱器來說，僅有對流給熱系數out、in是變量因素，因此，影響out、in的變量因素就是影響K測定準確性的因素。再根據對流給熱系數的表達式可知，流體的流速（即流量）是最敏感的影響因素。因此，對于上述問題，實驗中的qm1、qm2是影響K測定準確性的關鍵因素。這樣來分析問題，注重了問題的客觀實際性，使學生認識到哪些是表面關系（或者純數學關系）、哪些是本質關系，并且認識到同一臺換熱器的換熱性能參數K是因流體流量不同、操作條件不同而變化的，從而建立起靈活的而非僵化的工程概念。

從化工原理的教學內容中多提煉出此類問題進行課堂分析，對于引導學生建立工程概念、樹立工程經濟意識起著非常重要的教育作用。

三、工程處理方法應用能力的培養

在化工原理各單元操作的分析和描述中，體現了研究工程問題的共性和方法論。對于所研究問題（對象）進行受力分析、物料衡算、能量衡算、相平衡關系描述、傳遞速率描述等以及經濟性基本分析，是研究工程問題的最基本而有效的處理方法[4]。在研究復雜的工程問題時，根據復雜工程問題的特性，靈活采用的系數校正法、參數歸并法、過程分解組合法、實驗研究法、數學模型法和極限處理法等，更體現出工程技術研究者的智慧和工程處理方法的策略性。

1．系數校正法

對于所研究問題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，利用理論分析描述問題，得到反映問題規律的數學關系式。然后再考慮次要矛盾的影響，根據實踐經驗在數學關系式中加上合理的系數給予校正。在研究孔板流量計流量計算式、畢托管流量計算式、重力射流流量計算式、壓力射流流量計算式等問題時都運用了這樣的工程處理方法。

2．參數歸并法

參數歸并法又可以稱集總參數法。很多化工實際問題通過數學描述后所得到的數學關系式的形式特別復雜。為了將這種數學關系式的形式進行簡化并且使得公式變得更為簡捷實用，此時就要根據實際生產中的情況做分析，哪些物理量是在生產過程中需要不斷調整的工程參數，哪些是在一般情況下不易發生變化的、或者不需要作調整的，尤其是對某些工程因素，盡管從理論上做出了定義，但是其數值必須通過實驗獲得。這種情況下，可以將不易發生變化的、一般不需要作調整的以及必須通過實驗獲得數值的多個工程因素進行歸并，定義為一新的參數來表示這多個工程因素的組合式，便得到在通常情況下方便應用的簡捷的數學關系式，這個組合式的值一般通過實驗確定之。如果是某種生產參數作了調整，所定義的多個工程因素組合式中的某種因素數值發生了變化，我們便可以根據所定義的組合式的數學形式有目的地將組合式值給予校正得到新生產狀況下的值。這樣，無需重新通過實驗測定組合式的值了，使得實際生產變得更為經濟。過濾速率表達式以及恒壓過濾方程式的表示法即是一典型的例子。實際上，表示流體對流傳熱速率的牛頓冷卻定律和流體對流傳質速率的方程式的提出，將諸多復雜的工程因素全歸并到傳熱系數及傳質系數中，然后通過實驗研究方法再研究之，就是工程上集總參數法的處理方法。

3．過程分解組合法

將一個復雜的過程（或系統）分解為聯系較少或相對獨立的若干個子過程（或子系統），分別研究各子過程（或子系統）的特有規律，然后再將各子過程（或子系統）聯系起來，探求各子過程（或子系統）之間的相互影響及總體效應。在研究帶泵管路時首先分別研究管路的特性方程和泵的特性方程，然后將問題綜合起來分析泵的工作點。在研究填料層高度時分別分析影響傳質單元高度的因素和影響傳質單元數的因素。在研究板式塔高度時分別研究理論塔板數、塔板效率和板間距。此類問題都是過程分解與組合法基本工程思想的體現。

4．實驗研究法

工程技術的發展過程恰好反映了人類認識的發展過程?；瘜W工程中的某些問題，矛盾錯綜復雜，難以利用單一的物理概念和數學方法進行描述。解決復雜工程問題存在著兩種典型的思維方式，即實驗研究方法和數學模型方法。

管內流體湍流流動時的機械能損失和管內流體湍流流動時的對流傳熱系數的研究就是采用的這種方法。該方法是在量綱理論的科學指導下分析問題的。如果實驗工作必須遍及各種尺寸的設備和各種不同的物料的話，那么這樣的實驗將不勝其煩，而且失去了實驗的指導意義。因此，必須建立實驗研究的方法論，使實驗結果在物料品種方面能“由此及彼”，在幾何尺寸上能“由小見大”。在實驗研究方法中，量綱理論和π定理對于科學地設計實驗，減少試驗次數，起到了非常有益的指導作用。實驗研究方法是在對于所研究的問題具有一定的經驗基礎之上，能夠比較全面而準確地尋找出影響工程問題的諸多因素的條件下開始的，該方法不去剖析問題的本質，將問題視作一“黑箱”，只關注其各輸入變量及輸出量，研究的目的是獲得輸出量與各種輸入變量的函數關系。將所要研究的未知函數首先設成冪函數的形式，利用量綱理論和π定理的理論指導，經過分析演繹，得到無因次（量綱）準數的關聯式。在此基礎之上，再通過實驗使得所研究的函數關系具體化。

5．數學模型法

數學模型方法又稱為半理論半經驗方法，流體穿流過固定顆粒床層時的機械能損失問題的研究就是采用的這種方法?；ぜ夹g問題的研究成果發展到一定程度的基礎上，人們遇到新技術問題時總善于同相關的問題聯系起來考慮，并盡量引用已有的基礎理論和研究成果。數學模型方法是在對所研究問題深刻剖析的基礎上，在保持所研究目標函數值等效（即不失真）的前提下，將復雜的真實模型轉化成一個足夠簡單并且可以進行數學描述的物理模型，將復雜的真實問題轉變為可以利用已有數學公式進行描述的簡單問題，這是數學模型方法中創新性思維的關鍵。要保證所研究目標函數值等效，關鍵是在復雜問題簡化的過程中，一定要保持影響目標函數值的諸因素值相等，即保持所研究問題的本質不變。顯然，要做到這一點，必須對于所研究問題的內在規律，特別是對于決定所研究目標函數值的本質因素有著深刻的理解。

6．極限處理方法

在傳質單元操作中需要確定某些重要的工程參數，例如氣體吸收操作中的吸收劑用量、液體解吸操作中解吸氣用量、液體連續精餾中的塔頂液相回流比以及多級逆流萃取中的溶劑比等。處于工程的角度總是希望盡量降低這些工程參數值，但是，根據單元操作的原理來分析，這些工程參數存在著最小值和最佳值（經濟性最好）的問題。工程上如何確定這些參數呢？采用了極限處理方法，即首先在工程中達到極限的條件下確定工程參數的最小值，然后根據最小值乘以一個合適的倍數擴大到實際值，并且盡量達到最佳值。要特別注意，在工程中達到極限的條件下正對應于工程參數的最小值，如：氣體吸收操作中當填料層高度為無限大時所需的吸收劑用量為最小；液體連續精餾中當塔內的理論塔為無限多時所需的塔頂液相回流比為最??；多級逆流萃取中當萃取的理論級數為無限多時所需的溶劑比為最小等。因此，盡管工程上的極限處理方法確實找到了一種解決問題的巧妙途徑，但是一定要意識到這是一種極端的工程狀態，在實際工程中是不可能存在的。在教學中要提醒學生特別注意。

四、應用工程問題考察方法的能力培養

化工原理課程中所研究的問題是發生于化工生產設備或管路中化工物料中的傳遞過程規律，例如，動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞等過程。在化工原理這門工程學科發展的過程中，在研究工程問題上形成了一套獨具特色且行之有效的方法?；み^程通常是多因素、多變量的復雜工程問題。在著手分析這類問題時，應首先建立起科學而又實用的考察方法。典型的考察方法有如下幾種。

（1）定常態與非定常態。為了首先分清所研究的工程過程問題中是否涉及時間變量，將所研究的工程過程分為兩大類。如果沒有時間這個變量，所研究的過程稱為定常態過程；如果研究過程中的某些或某個參數隨著時間發生變化，則這個過程是非定常態。在分析描述過程時，要重視時間這個變量。

（2）擬定常態考察法。對于非定常態的工程過程問題，過程中的某些參數隨著時間發生變化。但是，在某一瞬時，參數為某一值。當經歷一微元時間段時，某些參數可以認為不變，從而可以在一微元時間段內進行問題的分析與描述，或者在經歷一微元時間段前后進行問題的分析與描述。

（3）流體質點考察法。大多化工生產物料呈現流體狀態，如果要考察物料的流動形態，從流體的分子尺度上去考察會將問題變得非常復雜，并且根據工程上的研究目的也無此必要。因此，在工程研究上提出了流體質點的概念。流體質點是由其大量分子所組成，質點的體積比分子自由程長度大得多，但比容納流體的設備尺寸小得多。流體的質點之間無任何間隙（無需考慮質點的形狀）從而形成了連續的流體，這樣連續的流體在一般生產條件下的運動過程中是連續的，從而可以利用連續的數學函數、微分及積分等數學手段進行描述。

（4）微元體考察法。如果所研究的工程過程在空間一定范圍內某些參數發生著變化，為了研究參數的變化規律，首先引用數學微分積分為指導思想，在空間中的某一代表性部位，取一微元體作為重點考察對象，利用相關基礎理論進行數學描述。微元體的取法有很多技巧，具體問題應具體分析，通常與分析問題時坐標系的靈活取法有直接關系。例如平壁熱傳導時取直角坐標系，圓筒壁熱傳導時取柱坐標系，而球壁熱傳導時取球坐標系。

（5）整體考察法。如果對于所研究的工程過程，僅關注輸入物理量與輸出物理量之間的關系，則取整體作為考察對象，進行分析及描述。例如整臺換熱器的熱量平衡、吸收塔的物料平衡、精餾塔的物料平衡和熱量平衡等。

五、教師在教學過程中認真做好實踐智慧者

化工原理課程內容中蘊涵著人類基于科學走向技術的豐富實例材料，教師希望學生們都能夠真正理解掌握到腦子里。但是，畢竟因學生思維較為幼稚，且在學習化工原理課程時剛剛轉入工程類課程的學習，理解能力有限。這就要求教師在這門課程一開始講好課程緒論，使得學生首先全面了解這門課程的內容性質特點及其在育人中的地位和作用。教師在課程內容講授過程中，在彰顯內容性質特點和重要性的基礎上，認真做好一名實踐智慧者[5]。首先貫徹一切為了學生學習好的意向，其次在教學意向中理解學生的具體需求，進而在理解學生的基礎之上采取為了學生學習好的機智行動。教師在教學過程中使得學生受益的機智行動有待于做專門的理論研究與教學實踐。但是，某些基本的做法，例如善于進行多種復雜問題的歸納總結，或許就可以使得學生受益不少。

化工原理中所涉及的實際工程問題表面看上去種類繁多，但是，根據問題的已知條件和待求物理量的性質來分析。實際工程中的多種問題都可以歸納為兩大類，設計型問題和操作型問題。設計型問題是指定了生產任務，在給定的某些生產條件下，計算所需設備的主要工藝尺寸或者性能參數。操作型問題是在已有的設備中，在給定的某些生產條件下操作，計算所能夠達到的生產操作結果。這兩類問題都很重要，從思維方式上來說這兩類工程問題正好一是正向思維，一是反向思維。對于工科學生來說，既要能夠進行工程與設備設計，又要能夠進行生產技術管理和生產調節，這是現代工業的基本要求。課程教學中將各單元操作中的工程問題給予分類，有利于培養學生善于剖析問題、抓住問題的本質，從根本上找出解決問題的思路、方法和步驟的能力。課程中各種單元操作工程理論的研究基本上都是沿著設計型問題的思路展開的，因此，教學中應突出工程設計的意識和思維過程，即強化設計型問題，這既突出了各單元操作學習的主要目的性，真正弄清各單元操作工程理論的來龍去脈、培養學生的工程設計能力，又奠定了學生分析解決工程操作型問題的能力，可謂是一箭雙雕。解決設計型問題的訓練可通過單元操作綜合性設計課題來進行。學生分析解決操作型問題的能力主要通過教師多列舉實例或者設置問題，使學生學會分析思路和方法，得到能力的培養。

綜之，化工原理課程的教學內容是進行理論聯系實際教育和進行實際工程能力培養的極好載體。深刻分析認識化工原理課程教學內容的工程觀點、工程處理方法以及工程問題分類方法等，強化研究工程問題的科學性、思想性及方法論教育，對于培養學生的工程能力和素質，能夠起到很好的效果。

參考文獻：

[1]歸鳳鐵，劉立新，余自明.化工原理教學中工程觀點的培養[J].化工高等教育，2000(2).

[2]劉慶林，鄧旭，葉李藝.化工基礎教學中學生工程觀念的培養初探[J].化工高等教育，2000(4).

[3]劉麗英，蘇海佳，翁南梅.在化工原理教學中注重工程觀點的培養[J].化工高等教育，2001(1).

[4]陳敏恒，叢德滋等.化工原理（第三版）（上、下）[M]. 北京：化學工業出版社，2006.

[5]熊華軍. 教師：成為實踐智慧者[J].現代大學教育，2010 (6).

[責任編輯：文和平]

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