对《化工传递过程》课程教学的思考

李昌进

(安庆师范学院化学化工学院，安徽　安庆　246011)



对《化工传递过程》课程教学的思考

李昌进

(安庆师范学院化学化工学院，安徽安庆246011)

《化工传递过程》是化工专业的必修课程，难度大，课时少。《化工传递过程》课程的理论性和工程性强，它研究化工过程中动量、热量和质量传递的机理及三类传递过程之间的类似性。同时，培养学生的数学思想和意识，掌握化工过程的量化方法，是本课程学习的重要目的。本文基于该课程内容上与化工原理的区别与联系、贯穿整个课程的传递机制、数学模型的建立与求解、提高学生的学习兴趣几个重要方面，开展了提高教学质量的探索。

课程特点；传递机制；数学模型

《化工传递过程》是本科化学工程与工艺专业的专业基础课，它是是继化工原理、化学反应工程之后，进一步学习化学工程与工艺专业的专业课程。《化工传递过程》课程的理论性和工程性强，它研究化工过程中动量、热量和质量传递的机理，揭示三类传递过程之间存在的类似性，并且还涉及到主要单元操作的典型设备构造、过程计算及实验研究方法等内容[1]。该课程具有以下特点：具有很强的工程理论性，课程内容公式多、推理逻辑性强；对高等数学的依赖性强；要求理解复杂物理过程的能力强，基本规律多，需建立数学模型。我院化学工程与工艺专业大三本科生开设了本课程，我院的课时安排只有34学时，学时有限。由于本课程的以上特点，学生普遍反映比较难掌握，对物理过程和数学模型的本质理解不清，还有涉及大量理论公式，授课过程沉闷，导致他们对该课程的兴趣不足。针对我院的实际情况和在教学实践中的经验，本文从教学内容和教学形式两方面做了以下思考和探索。

1　课程内容上与化工原理的区别与联系

《化工传递过程》是在化工原理和化学反应工程等课程的基础上研究三传过程变化规律的学科，因此它与这些课程的关系是需要向学生重点讲明的。在授课过程中可将本门课程的内容与这些相关课程的内容进行对比。例如在化工原理中讲过流体流动，那么它与本课程的动量传递有什么联系，又有什么不同，这样设问就可引发学生的思考。教学中要充分重视传递过程与单元操作的联系与区别，传递过程是在对化工单元操作的基础上，进一步对化工生产过程作的归纳。在讲传递过程时，主要从微观角度研究流体在动量、热量和质量传递产生过程中的作用，研究用的是微分思维，涉及流体的微元传递规律，考察流体场中不同时间的变化情况[2]；而化工原理主要侧重宏观角度研究整个流体的动量、热量和质量传递基本规律，没有考察流体随时间的变化情况。将不同化工生产过程中，遵循相同的物理学规律，具有相似功能的基本物理操作，称为单元操作，这是化学工程研究方法的一大进步。而将化工单元操作(化工原理)的共性归纳为动量、热量和质量传递过程并且系统地论述，则是研究方法的进一步提升，将化学工程的研究方法由经验分析上升为理论分析方法，从宏观深入到微观。如果说单元操作是行业共性的归纳，那么传递过程则是行业共性在科学机理层面上的进一步升华。《化工传递过程》课程实质上是从微观角度考察化学工程本质问题，讲清这一点是非常重要的。这样做可以让学生领会到本门课程的作用和意义，提高学生的学习积极性和兴趣。

2　贯穿整个课程的传递机制

三种传递现象不管是动量传递、热量传递还是质量传递，它们的传递机理只有两种—分子扩散传递和涡流扩散传递。《化工传递过程》围绕三传问题进行讲授，因此传递机理是一个重要的概念，需要让学生理解三传的两种传递机制，分子传递和涡流传递机制。依靠分子运动所控制的传递形式称为分子传递机制；由于流体中充满涡旋及其流动产生强烈的混合运动所控制的传递形式称为涡流传递机制。我们可以进一步展开，即动量传递主要由层流流动和湍流流动中的两种传递形式组成，而热量传递则由导热和对流传热两种形式控制，质量传递由分子扩散和对流传质两种形式控制，这三者前一种形式都是分子扩散传递，后一种形式则是涡流扩散传递。三传在数学处理上不管是动量传递、热量传递还是质量传递，因为它们有相同的传递机理，所以数学表达式(微分方程的形式)是基本相似的[3]。在授课过程中，可以选择一种重点讲，比如对于动量传递部分详细讲解，在接下来的传热和传质过程中可以省略一些，即把一个传递过程讲透彻了，其它相似的传递过程就变得容易。因为传递机制的概念贯穿整个课程，如果学生理解好了，那么他们就能把三传大致串起来，虽然课程中概念和公式较多，基本方程又相当复杂，但利用传递过程的共性，并结合工程实例，对实际问题进行具体分析，就可以用对比法学好《化工传递过程》这门课程。这时学生就会觉得公式没有那么多了，也不是很难理解了，而且公式之间也有着内在联系。

3　数学模型的建立与求解

化工传递中涉及到许多建立数学模型和解数学模型的内容，对于本科生而言，这部分内容掌握起来难度很大，因此需要改进讲授方式。数学模型是实际物理模型的抽象。任何学科发展到较高的理论水平，都需要对研究对象进行抽象处理，归纳出理论原型或数学模型。由于整个模型的建立过程都是在一定的条件下进行的，因此还原体系的初始过程，使学生理解具体的推导过程的逻辑脉络，可以保证学生在模型建立过程中思路清晰。首先确定物理模型，阐述三种传递所遵循的三个基本物理过程的规律；接着建立动量、热量和质量传递的基本微分方程，即建立数学模型，将已知的物理问题归纳为方程组，根据具体问题，由已知条件简化方程组、提出边界条件求解方程，从而达到求解的目标，求出速度、温度或浓度分布规律；也可以进一步求传递速率[4]。这种通用的思路有利于学生按规律来掌握此类问题。而对于方程组的求解，由于实际化工工程问题的复杂性，需要做适当的简化。例如对动量传递，可分为以下几种情况：(1)对于非常简单的层流，方程经简化后，通常可直接积分求解—解析解；(2)对于某些简单层流，可根据流动问题的物理特征进行化简。简化后，积分求解—物理近似解；(3)对于复杂层流，可采用数值法求解；(4)而对于湍流，一般只能结合实验，求半理论解。其它两种传递过程的求解也可通过类似方法得到。由于这部分相关内容难度较大，所以可以将教学分为两个层次，对于那些基础较好或者志在考研的学生，应重点培养他们面对问题而想办法解决问题的能力，养成他们的建模科研思维；而对于基础较差的学生，可以举简单的例子，让他们容易理解，同时重点让他们掌握对结论的应用。这种做法可以显著提高此部分的教学效果。

4　提高学生的学习兴趣

在《化工传递过程》中一些联系工业生产实际的例子和图片比较适合用多媒体来演示，这会使教学过程生动形象[5]。而针对公式推导过程的中间环节应该用板书的方式一步一步地讲解，通过板书教学，给学生留了思考的空间，降低讲授速度，可以使学生更好地理解。因此在《化工传递过程》教学中，理论公式较多，可以采用以板书为主，多媒体辅助的教学手段，将多媒体教学和传统板书有机结合起来授课，发挥优势互补，极大地提高课堂教学效率。这种方法授课效果较好，学生记忆深刻。在教学实践过程中，如果教师在教学过程中过多地注重抽象概念和建立数学模型，单一的理论分析教学将会使学生感到空洞枯燥，而忽视对讲授内容的实际意义和应用场合的介绍，将导致学生学习兴趣不足，严重影响教学效果。这就要求做到理论与实际相结合，拓展学生的思维空间、提高学生对《化工传递过程》学习的热情。这种教学方法，不仅提高了教学效果，也提升了学生理论联系实际的能力。《化工传递过程》的理论性强，可以说是一门研究型的课程，可以以本课程做载体，初步培养学生的科研能力，一方面提高了学生的学习兴趣，一方面学以致用加深学生对知识的理解。这对以后准备进一步读研的学生是大有好处的。最后要布置好习题，做到课堂讲解和习题练习相结合。要想学好化工传递课程，一定量的习题练习是必不可少的环节。习题一定要有针对性的给学生布置，不能没有目的的布置，最好做到每个习题都对应每次课堂理论讲解的内容，使理论和应用相结合，这样提高学习效率，增强学习效果。总之，教师需要运用不同的措施充分地调动起学生的学习兴趣和拓展他们的思维空间。

5　结　语

《化工传递过程》是化工专业的必修课程，内容多、课时短。本文从课程内容上与化工原理的区别与联系、贯穿整个课程的传递机制、数学模型的建立与求解、提高学生的学习兴趣几个方面入手，期望达到从强化课程安排和教学手段来提高教学效果的目的。《化工传递过程》课程成为许多学生必须经历的一门较难的课程；掌握流动、传热与传质三种传递现象的物理规律是理解众多的新老化工单元操作的基础；培养学生的数学思想和意识，掌握化工过程的量化方法，是本课程学习的重要目的。只要在教学实践中把握好以上几个方面的问题，一定可以提高教学质量，减轻学生的课业和精神负担，培养学生的自信心和学习兴趣。

[1]方正东,王国宏,汪敦佳.化工传递过程的类比教学法探讨[J].大学化学,2006,21(5):20-23.

[2]刘志雄.浅谈微分思维在化工传递过程教学的运用[J].广东化工,2013,40(3):153-154.

[3]乔聪震,陈蔚萍,张顺利.化工传递过程的类似性[J].化学研究,2000,11(4):45-47.

[4]陈涛,张国亮.化工传递过程基础[M].北京:化学工业出版社,2011:35,165,243.

[5]张翼东.化工传递过程课程教学探索[J].郑州师范教育,2014,3(4):57-59.

Thinking on the Teaching of Chemical Engineering Transport Processes

LI Chang-jin

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Anqing Normal University,Anhui Anqing 246011,China)

Chemical Engineering Transport Processes is a compulsory course in Chemical Engineering major,it is difficult and has less teaching hour.The course has the features as theory and engineering,it studies the mechanism of momentum,heat and mass transfer in chemical engineering process and the similarity among the three kinds of transfer process.At the same time,it is an important purpose to cultivate students’mathematical thinking and consciousness,and to master the quantitative method of chemical engineering process in the course.Based on the difference and relation with chemical engineering principle,the transport mechanism penetrating the whole course,the establishment and solution of mathematical model,and the improvement of students’learning interest,it launched exploration for improving teaching quality.

course characteristic; transport mechanism; mathematical model

李昌进(1983-)，男，讲师，从事化学工程与工艺专业的教学与研究。

G4

B

1001-9677(2016)06-0207-02