论化工原理教学过程中的认识及其问题论文

1、论化工原教学过程的认识及问题论文论化工原理教学过程中的认识及其问题论文目前，大学的教学过程愈发注重引导学生主动学习。因此，教师需要通过 明确的目标问题帮助学生明晰每个学习阶段(节、课时)的学习目的，更需要理解 并影响学生的学习过程，据此组织教学内容和选择考核方式。学生的学习过程往往 呈现出个性化，不免会受到知识信念的影响，如何看待知识的性质对其学习过程的 影响很大。教育和心理学文献中存在三种主要的认识论取向：客观主义objectivism) 认为现实独立于意识，知识应是绝对意义上正确的，专业知识应能够被客观地验 证，或符合理性原则，可以从原有的基础课知识体系经逻辑推理得到解释主义 (inter

2、pretivism)认为现实世界的真相是由人的思想主观构建出来的而不是客观唯 一的，在教科书中解释主义往往被称为经验性或半经验性方法，但经验主义的认识 论更片面强调感性认知，而解释主义对外界物质世界的“解释”依据不仅包括感性 的经验，也可包含理性的逻辑;客观主义和解释主义通常被认为是对立的两极，而 实用主义(pragmatism)则介于两者之间，也可认为是对两者的超越，认为知识仅是 行动的工具，绝对意义上正确的知识是不可能存在的。实用主义是大多数心理学家的工作哲学，客观主义则受到教育学家的青 睐，而解释主义在工程科学研究中更为重要。在化工原理这门专业基础课程学习过 程中，每一种认识论传统都具有

3、积极的意义，但片面强调任何一种认识论都会对学 习造成不利影响。下面我们结合本课程的教学实践，分别对各种认识论传统进行分 析，进而阐释教学过程中需要关注的一些问题，并与同行探讨。一、客主义的析学生在学习化工原理之前，已经经历了中学和大学基础课程数理知识的学 习，因此心目中的知识应符合客观主义标准。同时，本课程中各操作单元对过程效 率的计算方法都基于质量和能量守恒这两种客观规律，操作单元过程的方向则与前 期刚学过的物理或化学平衡状态相关(表 1)，这也应该是本课程通常作为化工专业 首门专业基础课程的原因。需要警惕的是，某些学生(往往是优秀的学生过于注重客观主义的知识标 准，从而陷入科学主义的误区。

4、化工原理作为学生接触的第一门工程专业课程，教 学过程中需要不断强调工程的本质。工程是运用科学原理、经验、判断和常识来造 福人类的艺术，是一种通过生产技术产品或系统满足具体需要的过程。化工原理不是物理学的化工分支，动量、热量和质量的传递理论是认识各种操作单元过程规 律，进而解决化工实际问题的工具。二、解释主义的分析工程交融于科学、艺术和社会，本质上包含艺术元素。某些复杂的工程现 象，不能采用符合客观主义标准的科学理论直接分析，而需要采用一些经验和半经 验的方法进行分析、解释和研究，工程的艺术元素集中体现于此。本文认为化工原 理课程中涉及的工程思维模式主要体现为近似和类似类比)。实际工程现象的相关

5、因素纷杂，近似简化体现了工程科学中抓主要矛盾的 分析特点。比如圆管层流流动的抛物线速度分布需要一系列的近似假设：稳态流 动、流体等温、流体不可压缩、忽略进口端效应等库特流用于描述狭缝中的流体 流动，需要忽略两端的界面摩擦阻力;固体边界的无滑移是受限流动分析的重要定 解条件，需要基于流体连续性的前提，一旦微小尺度流道中流体的非连续性特征 (滑动流或分子流)影响增强，固体表面的无滑移条件将不再成立普朗特建立边界 层方程采用的数量级分析是具有数学依据的近似简化。同学们在前期课程学习中对近似简化的方法多有接触，比较容易接受由该 方法所得出的结论。相对而言，教学中对类比方法需要作更多的讲解和阐释。类比方

6、法在人类工程实践中的运用历史悠久，在中世纪的欧洲，人类在缺 乏力学知识的情况下主要依靠这种方法建造几十米高的教堂。在认识过程的物理本 质和变量的基础上，感性的尺度类比逐渐发展为动态过程的量纲分析方法，这种用 无量纲准数描述过程规律的方法至今仍广泛用于许多工程装置的放大研究。量纲分 析是实验数据分析手段，与正交实验表一样可以指导实验方案的设计，进而大幅度 减少实验工作量。三种相际传递系数(流动摩擦系数、对流传热系数和传质系数是 化工原理课程的核心内容，许多关联式都是采用量纲分析进行实验研究的结果。除了量纲分析，类比方法更多体现为知识和概念的移植，即将类似的用于 其他领域的方法用来分析一些工程现象

7、。这样的知识点在化工原理课程中比比皆 是，如借助当量直径将圆形管路的流动规律用于各种非圆形或不规则形状的流道， 借助当量长度将局部阻力类比为直管阻力。普朗特提出的湍流“混合长”概念则移 植了分子运动论中的“分子自由程”，由其所导出的摩擦系数方程的形式具有 1/ 槡 和对数项)仍出现在各种版本的化工原理教科书中，如 与 Karman 公式及 Colebrook 公式。类比和概念移植也是很高超的科研技巧，著名的化工科学 家 Cussler 教授将化工研究人员分类为 adaptors、innovator champions，他也 很认同具有创新能力、并将创新成果应用于工程实际的 ，但认为自己不 过是

8、“将已有知识移植应用到其他场合”的 adaptors工原理教学过程中，帮助 学生理解相关的工程思维模式，不仅可以使其领会一些工程规律之“所以然”，还 可以为学生以后从事科研工作提供思路。随着科学和计算技术的发展，客观主义的应用领域正在扩展，解释主义的 方法则从一些领域逐渐退出。如湍流流动的“混合长”模型和 相似理论已 经让位于 N-S 方程相关联的二阶模式，曾经用于许多工程放大研究的量纲分析也逐 渐由 CFD 替代。三、实用主义的分析庄子徐无鬼有言：“足之于地也践，然恃其所不蹍而后善博也人 之知也少，而恃其所不知而后知天之所谓也”。人的脚板很小，如果期望去踩踏见 到的每一寸土地，那么将不可能欣

9、赏到山川壮美、湖泊秀丽的景色。旅游如此，学 习亦然。教学中要引导学生避免某些细枝末节对学习的干扰，使其能够恰当地有所 “不蹍”或“不知”，需要教师对课程知识点的作用了然于心，同时借助实用主义 的认识论，明确目标问题，帮助学生避开专业学习过程中可能遭遇的雷区。比如离心泵蜗壳内流动分析，其目的在于得到一些机械因素对扬程影响的 定性规律，而旋转流场中黏性流体的严格分析需要深厚的流体力学背景，这远非化 工原理学习可以做到的;再如湍流“混合长”模型推导过程中有关应力分布的假设 并不适合实际情况，这里的解释主义方法显然经不起严格推敲，其目的仅在于理解 Nikuradse 与 Karman 公式等摩擦系数方

10、程之“所以然”。在化工原理教学中，笔者认为可从如下三个方面选择化工职业素养相关的 目标问题以引导学生的学习过程。第一，化工过程的规划是根据一些已知条件确立某个状态或过程参数，这 在化工原理中通常被归纳为设计型和操作性计算问题，在教学中受到了普遍重视。 学生在掌握了基本原理之后求解复杂的规划问题，需要思考方法上的指导，教师通 过例题讨论向学生介绍 Wankat 和 Oreovicz 提出的工程计算问题思考步骤，以及 Arnold Arons 提出的十项批判性思考原则，并建议学生在一些复杂的习题求解中 采用，可以增强学生面对复杂计算问题时的信心。目前需要迭代计算的过程规 划问题通常可以使用专业计算

11、软件完成，但诸如 Plus 的使用也需要对单元 原理和计算方法的理解。第二，化工过程的定性判断包括各种过程参量之间的相互影响。东、西方 思维方式在定性分析上有所不同，对于西方思维，性质固化是分析开展的前提，定 量则是定性的前提，西方数理逻辑把被老子称为“非常道”的原理也试图用数字固 定和神圣化。而东方思维更多需要借助对过程变化趋势的正确认识去“拍脑门”， 决策过程参量的调整方向。有些定性分析问题只需要让学生去关注即可，如“如何 从机械能差异判断流动方向?”“回流比增加，精馏塔底和塔顶温度如何变化?”而 有些问题，如“复杂管路中各支路流量或不同位置压力的相互影响”，则需要教师 通过实例给予学生分

12、析方法上的引导。第三，恰当的解释问题可以引导学生进行知识点的梳理。从学生提交的文 字阐释，我们可以判断其对概念的理解是否准确，对过程的分析是否有疏漏。解释问题可包含诸如“边界层如何形成，其厚度受哪些因素影响”之类的概念题，也可 包含“铺设一条输水管线，从水源地向 1000 外的建筑物供水，需要哪些已知条 件?如何选择合适的管径?”之类的综合性复杂计算的思路问题。教育过程作为“特 殊的生活过程”，乃是受教育引导的个人生活逐渐展开的过程，知识赋予一个人的 内涵绝非一日之功。化工原理作为专业基础课程，首要目的在于引导学生建立科学 有效的专业思维模式。知识的实用性需要以对基本概念、原理和方法的理解为前

13、 提，功利色彩的实用主义必将导致“知识无用”。教育家 F Skinner 的名言 “Education is what survives when what hasbeen learned has been forgotten”很好地诠释了这一点。四、认识论对教学过程的影响基于上述对三种认识论传统的分析，本文提出化工原理教学过程中要注重 三种认识论观点的融合运用。本课程的基本理论框架动量、热量和质量传递)可以 作为学生刚经历的数学、物理课程内容的延伸，教学中应借助明确的目标问题，帮 助学生领会单元过程的原理和计算方法，并了解课程中分析工程问题的解释主义方 法;此外，基于学生的职业成长角度，应鼓

14、励他们参与大学生创新实验和 PRP(Participation inReasearch Program，是我校针对本科生的研究项目计划项 目等科研活动，将解释主义的方法付诸实践，并在后续专业课程的学习中注意从整 体学科角度领会本课程知识的作用。教学中依靠教师对知识性质的正确认知，同时借助适当的教学内容与考核 方式安排，可以避免学生受被动认知和主观认知的影响，并强化其独立认知和关联 认知能力，提高教学效果。我校学生的总体素质好，学习中基本可以避免死记硬背 式的被动认知模式。但化工原理教材在内容组织上基本以操作单元的设计和操 作计算为主线，传递原理讲解较少，并缺乏与单元操作内容的有机融合，学生对诸

15、 多解释主义方法给出的规律(如流动摩擦系数、对流传热系数和传质系数难以理 解，即使根据关联式能够从数学意义上分析各因素的影响，经过习题训练后也往往 停留于“知其然，不知其所以然”的程序认知模式。为此，我们在 的教学 中并行采用两种教材，传递部分重点讲解与单元操作关系密切的相际传递原理、关 联式包含的影响因素分析及解释主义方法，帮助学生理解关联式之“所以然”。此 外，我们允许学生在闭卷考试时带入 1 页 A4 摘抄笔记，以减轻其死记硬背的负 担。人们在主观认知模式下往往会受到感觉的误导，如地球中心学说在欧洲盛 行千年，就显示了主观认知思维模式对人们的影响力。化工原理教学中对学生的主 观认知判断要

16、区别对待：一些重要的概念性问题务必运用传递基本原理讲清楚，如 有的学生根据刚体力学的规律判断“光滑管”内没有流动阻力，个别优秀的学生在 了解管路进口端效应之前对壁面无滑移很感怀疑：“进口处后面的流体一定会被推 着向前走，怎么可能无滑移?”而根据解释主义方法得出的一些规律，确实存在见 仁见智的主观认知偏差，例如不同的湍流光滑圆管内摩擦系数关联式，对同一种流 动情形的计算结果并不完全吻合，但这种偏差应在工程允许的误差范围之内。学生的学习风格是很具个性化的，没有一种教学理论能够准确考量一个教 学班内所有学生的学习过程。学习风格问卷可以帮助教师有针对性地关注与自己风 格迥异的学生。此外，在课程教学的后

17、期，学生对课程的内容特征和学习方法有了 一定认识之后，教师可以布置一些与成绩相关联的大作业供学生根据兴趣选做，并 给出难度系数，对教材给出的一些规律和方法的合理性进行质疑，以提升学生基于 客观主义和解释主义角度的独立认知能力，或从实用主义角度梳理运用相关知识， 以强化关联认知能力。以下是笔者采用的部分大作业题目。1.圆管内流体流动的抛物线速度分布需要什么前提对每个前提考虑一种 不能满足的情况，并说明其对速度分布的影响客观主义角度的独立认知，难度系 数 0.95)。2.推导 Bingham 塑性流体在垂直圆管中的速度分布和 Buckingham-Reiner 方程，即体积流量与流动阻力之间的关系

18、(客观主义角度的独立认知，难度系数 1.0)。3.举例说明量纲分析方法的适用前提条件和局限性解释主义角度的独立 认知，难度系数 0.95)。4.煮水饺是沸腾传热过程。水的剧烈湍动曳力)会导致水饺皮破裂，可采 用小火煮、敞开锅、间歇加入冷水的方式，维持至皮馅熟并避免皮破裂。应用所学 的沸腾和其他传热原理，分析煮水饺过程中的如下技术问题：肉馅难熟、普通面粉 饺皮水煮易破裂，如何解决;煮冻)饺子与手工即时鲜饺的操作区别锅内放入的水 量及加热功率对过程的影响?说明理由(实用主义角度的关联认知，难度系数 0.9)。5.长春市的民警在零下 20 摄氏度的严冬中执勤的轮换时间为 个小时， 为防止手脚出现冻伤，穿戴的手套和皮靴需要满足什么要求交警服装厂希望在技 术咨询公司供职的你提供技术报告，你准备如何考虑需