化学工程学与化学工程教育

金　涌　王　垚

一、化学工程学及其与化学的关系

化学工程学是直接服务于化工生产及化工技术进步的一门近代工程科学。它诞生于20世纪初，已历经近一百年的发展演变。从诞生至今，化学工程学一直与社会经济中最活跃的泛化学工业密切联系，极大推进了人类社会的工业化进程。自20世纪第二次世界大战后，铜、铁、水泥、石油化工和高分子工业推动了世界经济的振兴，其后多晶硅、有机硅产业、生物化工产业和纳米材料合成技术持续支撑着世界科技和经济的发展。即使是在后工业化社会的美国，泛化学工业仍是国民经济的支柱产业。21世纪世界进入资源稀缺时代，经济可持续发展的核心问题是资源高效利用、循环利用，能源优化利用和可再生能源开发，环境和生态污染的源头防治，这些过程产业化都是以化学工程学为中心学科才有可能发展起来。

化学与化学工程学虽然分属于理科与工科，但却是紧密相关的两个学科。当代化学家研究原子或单个分子在反应中的细节，可以在化学键断裂或成键的飞秒(10^-15秒)量级内，对化学反应选择性进行解释和控制，研究分子间作用力，解释物质的相态、性能变化和相互作用，可为化学工程师提供有关化学反应的机理性解释。不仅如此，化学家已突破分子层次藩篱，向高分子、大分子组装迈进，对信息化学的探究也正向产业化延伸。化学工程学家研发大规模合成新物质的过程，对非线性、强耦合的多变量巨系统进行解析和优化设计与控制。当代化学工程学家需要了解物质微观结构和合成反应的瞬态过程，从市场需求出发，设定即将开发产品的特性，根据物质结构与性能的关系，寻找合成的目标产物，使化工研究向更为机理与实用的双方向延伸，将化学家的重要研究成果转化为生产力。化学与化学工程学的贯通和相互作用是新时代的需要。化学与化工学科领域的交叉要求学生必须具有融合从分子水平的化学到大规模制备工程科学的宽阔视野和能力。

二、化学工程学的学科范式

对学科范式(Paradigm)的讨论十分重要，它决定着学科的价值观和内涵，关系到学科创新方向、新的生长点和交叉扩张，影响到学科的吸引力和生命力，关系到核心课程、辅助课程和延伸课程之间的配置，其内容深度、广度以及它们的内在联系等，还会影响教学手段的组织和运用。

1．1915年，美国学者Little提出“单元操作”概念。1921年美国麻省理工学院(MIT)组建世界第一个化工系，决定把机械系的流体力学、传热学和化学系的热力学、动力学、扩散、混合等核心内容加合，确立了“化工单元操作”课程的理论体系。从此化学知识向工程延伸得以完成，标志着化学工程学科的诞生。这是化学工程学范式的第一阶段，可称为单元操作阶段。

2．1957年欧洲第一届化学反应工程学会议界定了化学反应工程学的学科范畴、研究方法等，完成了化学工程科学向动量传递、热量传递、质量传递和反应工程即“三传一反”的新范式演变，为20世纪60—70年代石油化学工业的蓬勃发展奠定了基础。可称为化学工程学范式的第二阶段。

3．自20世纪中叶以来，化学工业规模迅速扩大，计算机技术的融入使多变量、强耦合的大系统分析在化工中大量使用，生物化工等学科边界不断扩展，孕育出多种具有突破意义的化学工程学新范式。第三阶段范式有如下几种不同表达方式：

(1)“产品工程”范式：美国韦潜光教授提出第三阶段范式应跳出原有“过程工程”的藩篱，定义为“产品工程”，以产品性能和物质结构的关系及其产品设计和制造作为主要特征。把“过程工程”与“产品工程”相结合，作为范式似乎是更为全面的创新思路，但从形式上比较，与第一、第二阶段范式的延续性较差。

(2)“三传一反+X”范式：中国科学院院士郭慕孙教授建议保留新范式与第一阶段、第二阶段范式概念的延续性，提出第三阶段范式应是“三传一反+X”，其中X是待定的、可变的和形成中的要素。

(3)“三传三转”范式：清华大学根据化工的研究对象已涉及“物质－能量－信息”三要素的相互作用，提出以“物质传递与转化”，“能量传递与转化”和“信息传递与转化”的“三传三转”为新范式。物质传递包括分子扩散、湍流扩散及流体流动等过程，物质转化包括分子水平的化学反应、超分子间结构的构造与转化、生物分子的代谢与融合等过程。能量传递包括动能传递、热能传递及各种形式能量(如光能、微波、超声、等离子化等)的引入与输出，能量转化包括不同能量形式之间的转化。信息传递包括化工操作中多变量的信息收集、筛选和剔除，信息转化包括各种物流参数的处理、优化、信息反馈等。信息传递与转化同物质和能量传递与转化的优化过程密切关联。以“物质－能量－信息”三要素相互作用为化学工程科学的基础，是化学工程学区别于其他工程科学的本质特征。

三、化学工程教育现状

在明确了化学工程学的范式以后，可以看出，化学工程教育能够激励学生们的事业心，因为化工是人们衣、食、住、行、视、听、享受生活的各方面须臾不可离开的，是可以成就大事业、创造巨大财富的宽阔领域。化学工程教育也可满足学生们的好奇心，对有志于学问的年轻人，可以介入最前沿学科，在生物化工、纳米化工技术、再生能源技术、新一代信息材料、非平衡非线性巨系统的数学应用等科技领域有所作为。

德国化学工业协会(DECHEMA)对几十个国家的大量化工专业人员调查统计显示，美国认为学习化工有很高愉悦度的人占95％，而在中国认为学习化工不愉悦的人却高达33％。这一调查结果不能不引起我们的关注。由于多方面的原因，造成了不少中国家长和学生对化学工业等实体经济领域认知的妖魔化和对虚体经济的盲目追求，严重妨碍了最优素质的中学生进入这些领域。这种错误认识必须澄清，才能防止长此以往对我国经济发展造成的负面影响。

同时，我们也注意到当前我国的化学工程教育呈现出与工程渐行渐远的态势。其根本原因有两点：其一，教师工程背景削弱。大量青年博士和硕士进入教师队伍，对提高教师队伍的学术水平起了很好的作用。但是许多青年工科教师缺乏必要的工程实践经验，在SCI论文、引用因子等适用于理科的评价指标的指挥下，大量工科教师的科研选题容易偏向于基础理论、偏向于软课题，实践性、工程性研究课题数量显著下降，而他们的基础性研究成果又难于找到工程应用转化的机会。其二，工程教育体系弱化。由于实习经费、安全等原因，化工学科学生的工厂认识实习和生产实习越来越流于表面形式，有的甚至被大幅度压缩或砍掉，促使“工程教育”与“工程实践”渐行渐远。急需建立一种机制，使这一现象得到实质改变。

四、以跨学科教育思维构建化学工程学科的教育体系

著名的哈佛大学一贯的教学理念是着力于培养引领世界、具有国际视野的各界领袖人物。但是在哈佛大学越来越有名气的同时，校方却感到他们的学生越来越失

去灵魂作用。其自省的结果是哈佛大学自从20世纪70年代起执行的核心课程制过于集中于学术专论，忽视现实问题，致使专业设置内容越来越趋向专门化，而大学毕业生面对的却是要应对越来越宽泛、综合、涉及多种领域的复杂的命题。前车之鉴，后车之缘。为了彻底扭转我国当前化学工程教育远离工程、化工专业学生学习兴趣低的现状，我们主张在对人的培养理念上坚持“综合性、选择性、基础性、灵活性”原则，在广泛普及化学工程学科内涵及作用正确认识的基础上，以跨学科教育思维构建新的化学工程学科教育体系，并给予足够的政策保障。

当前振兴化学工程教育的根本是扭转中国社会对化工的不正确认识，说明它的学科基础是根植于化学、物理、生物的交叉部，研究涉及“物质一能量一信息”这三个重要元素，它是在人类社会进入自然资源稀缺时代、面临严重的可持续发展问题时，对解决资源、能源、环境问题有不可替代的作用，并为之可作出最大贡献的学科之一。

爱因斯坦曾经说过：交叉组合作用似乎是创造性思维的本质特征。通过跨学科的教学和科研模式，可打破学科间隔绝和壁垒，从不同学科视角，研究阐明某一课题的全貌，才能克服基础知识与实践脱节的问题。特别是对于化学工程学科辐射到炼油、化工、冶金、建材、制药、生物化工等许许多多工业领域，跨学科教育更有着关键的作用。

关于跨学科课程设置，密歇根大学曾提出以下形式：(1)合作课程：不同学科领域的教师共同选题、组织和讲授同一命题的不同侧面；(2)整合讲授：通过顶层策划、协调不同的课程以相互贯通的思路分工讲授；(3)协同式课程：两门或以上的独立但相关课程同步讲授，不同视角，定期共同研讨、整合、交流；(4)阶梯式课程：深度不同，可能是相互为先导课程，可以分时段讲授，达到整体跃升；(5)综合式课程：设计可供有共同兴趣的不同系、不同专业采用的选修课，也可通过研讨式授课。使学生关注社会、国家和国际面临的迫切课题，具有社会责任感，提高学生分析和论证实际问题及解决这些问题的能力。

借鉴国际做法并加以创新，清华大学化工系开设了一门面向全校学生的“资源·能源·环境·社会”选修课，由中国工程院院士金涌和荷兰皇家科学院院士Arons共同主讲，从社会科学、自然科学和工程科学等多学科出发，研究资源、能源、环境和社会发展等领域影响可持续发展的具体问题，探讨化工与其他学科合作所可能提供的解决方案，既与现实社会问题密切相关，又有一定的基础科学深度。一反传统的“单学科理论演绎式”教育的模式，对学生进行“多学科问题分析式”的教育，关注学科之间的非线性强交联，注重向学生展示基础资料，培养独立思考能力，分析和归纳出其中的问题并探讨不同的解决途径，而不是给出标准答案。将学生直接置于宏大的科学、工程和社会发展的历史长河中，直接感受一流工程科学家的眼界、胸襟与智慧，这对于学生树立科学发展观、培养化工志趣是非常重要的，也是解决前面的化工教育困境的有效方式。事实上，该课程的设立对于宣传现代化工、促进学科交叉也起到了非常好的作用，其中近半数的学生来自除化工外的理、工、社科等多个专业，是学科交叉教育模式的一个尝试。

21世纪世界进入资源、能源短缺的时代，社会经济的可持续发展，特别是我国提出转变经济发展模式，需要化学与化工学科的发展才能解决由国家提出的节约资源对保护自然生态环境的任务。为此，化工教育首先要端正学生和家长对化工产生的片面认识。现代化学工程教育内容既应跨越和涵盖整个化学和化工领域，融合从分子水平的化学到大规模制各工程科学的宽阔视野，也仍要重视工程教育的特征，强化工程实践环节；正确认识化学工程的学科范式和内涵，探讨化工与其他学科的跨学科交叉，并落实到教学实践中，培养学生解决复杂问题的能力，完成化学工程教育的历史任务。

责任编辑：余大品