化工类本科生宏观思维和工程素养的培养

西安工业大学材料与化工学院 强涛

【摘要】宏观思维和工程素养是创新型人才的重要素质和能力。化工原理课程是化工类专业学生必修的专业基础课，具有从基础课向专业课的过渡作用，在该课程的教学过程中培养和强化学生的宏观思维和工程素养，对学生专业课的学习、创新思维和创新能力的培养具有重要的意义和作用。本文就化工原理课程教学中采用的典型教学案例，在课堂教学和实践教学中培养和强化本科生的宏观思维和工程素养进行梳理，使学生能够对化工生产具有鸟瞰式的理解，以推动化工类工程教育教学的深入发展。

【关键词】工程教育；化工原理；宏观思维；工程素养

化工原理是化工类专业学生必修的一门专业基础课[1][2]，具有从基础课到专业课过渡的桥梁作用，探讨化工生产过程中的动量、热量和质量传递的基本规律，研究主要化工单元操作中典型设备的设计、优化与操作，掌握主要化工过程的计算、设计及研究方法，培养学生运用基础知识和基本理论分析、解决化工生产中各种工程实际问题的能力[3]。因此，该课程的教学水平和教学质量是衡量化工类学科教育水准的关键要素[4]。

不管是普通公民，还是接受过高等教育的大学生，分析问题、解决问题的能力，取决于自身的知识视野、宏观思维和科学素养，正所谓“站得高才能看得远”。今天的大学生，就是明天的工程师、科技工作者或从事其他工作的人才。因此，在校学习期间一定要培养自己的宏观思维能力，建立对宏观问题、重大问题进行宏观思考的理念，掌握宏观思维的方法。除了哲学课程，专业课的教学也是培养宏观思维的有效途径[9]。工程素养是工科大学生最重要的品质，是未来工作成效和创新能力的基础[10][11]。随着社会的发展和科学技术的进步，人才的需求已发生了深刻的变化，对培养工程技术人才为主的理工科高等教育提出了新的挑战[12]。近年来，用人单位反馈的信息表明，学生的宏观思维和工程素养比较欠缺，处理工程问题的综合能力较差。宏观思维和工程素养的培养离不开生产实践的锻炼，但也不能忽视学生在校期间的树立、培养和强化[13]。通过学习化工原理课程，培养和强化学生的宏观思维和工程素养，为专业课的学习和未来的发展打下扎实的基础[14][15]。

笔者就化工原理教学中采用的若干典型教学案例对培养和强化化工类专业学生的宏观思维和工程素养加以总结，与同行交流，以期促进化工类教学改革的深入进行。

一、融入最优化思想，培养经济性观念

工程工业追求的是经济效益和社会效益的最大化。化工设计型问题一般包括初选和优化两个步骤。化工技术人员在处理工程问题时，不仅要考虑技术上的可行性、适用性和先进性，而且要考虑经济的最优化[16]。工科专业毕业生处理工程问题时，往往从技术方面考虑较多而从经济角度考虑较少，所以应对化工专业的大学生进行宏观思维和工程经济性观念的培养。最优化的思想核心是在一定条件下如何用最小的代价获得最佳的效果，在化工设计中具有广泛的应用。

例如，用管道输送流体时，流速的参考值范围比较大（如水的流速范围为1-3m/s，低压气体为8-15m/s）。作为设计人员，应该如何取值呢？讲授管路的设计型计算时，教师可以采用启发式教学，引导学生结合管径与流速的关系优化分析工程问题的经济最优化问题：流量一定的情况下，管径增加时，设备费用增加，同时流体的流速减少，操作费用减少；反之，设备费用减小，操作费用增加，所以必然存在最佳的流速使设备费用和操作费用之和最少，即总费用最少，达到经济的最优化。

最优化思想贯穿于各种化工单元操作中，例如换热管的选择、吸收中的液气比、填料塔中填料的选择等。把最优化思想和方法融入化工原理教学中，解决化工设计型问题，既可培养学生分析、解决工程问题的思想和能力，同时有助于学生建立和提升工程经济性观念。

二、掌握基本的研究方法，科学地处理工程问题

学习专业课之前，学生接触工程实践的机会很少，往往对分析和解决问题的方法感到无所适从。为培养具有较强创新精神和实践能力的工程技术人才，使学生具有更强的适应能力和工作能力，在化工原理教学中要加强工程研究方法的培养。工程实际问题往往比较复杂，通常有多种因素同时对某一参数（或指标）产生影响，因此直接处理工程问题是困难的，甚至是不可能的[17]。化工过程中常用的研究方法是数学模型法和因次分析法。

数学建模方法，是在分析影响某一现象或问题的诸多因素的基础上，抓住本质因素，经过合理简化以后建立物理模型，引入模型参数，建立数学模型，用数学模型近似地模拟实际工程问题。数学模型建立得越恰当，对工程问题模拟就越逼真，同时，误差也会越小。

例如，过滤过程阻力的计算，就采用数学模型方法。过滤过程中，流体在细小曲折的孔隙中流过，孔隙间互相连通，形成不规则的网状结构，直接计算流动阻力很困难。为确定过滤阻力，首先建立该过程的物理模型。流体通过颗粒层的流动一般是很缓慢的，流动压降主要来自表面摩擦，与流体通道的表面积成正比，而与通道的形状几乎无关。所以，可将不规则的网状通道简化为许多管径为de、长度为Le的平行细管。简化后的过滤物理模型通过引入模型参数用范宁公式计算阻力，最后通过实验来确定模型参数，检验数学模型的有效性，把复杂的实际问题简化为一个简单的流体流动问题。

因次分析法，通过考察影响某个过程的因素，将这些影响因素无因次化，通过实验确定无因次准数之间的关系。这是理论指导下的实验研究方法，直管中湍流阻力损失和对流传热系数的计算，就是其典型的应用实例。

这两种研究方法是处理化工问题时经常采用的方法，也是最基本的方法，因此在教学中应使学生掌握其基本思想、方法和步骤，以便实验结果在设备几何尺寸上能“由小到大”，在物料品种方面能“由此及彼”，对今后解决工程问题和从事科学研究都是非常重要的。

三、结合教师的科研实践，培养学生的实验能力

化工原理是一门实用性很强的工程学科，其理论来源于化工生产实践，又服务于生产过程。所以，教师在教学过程中应紧密联系生产实践，将实际工程问题与理论教学有机联系起来，使教学环节更具针对性和创新性，激发学生的学习兴趣。否则，往往会显得牵强附会，学生听着枯燥生硬，感觉“化工原理无理”。

例如，在讲授流态化时，结合笔者设计、安装和调试气液固三相流化床的思路、方法和经验，高度吸引学生的注意力，激发了学生的学习热情。解决工程问题不仅要求工程技术人员具有扎实的理论知识，同时也要考虑工程实际的安全、方便和经济性。通过具体实例的讲解，提高学生的学习主动性，使他们掌握基本理论和思维方法的同时，更加明确理论联系实际的重要性。

化工过程中，各种研究方法都需要实验验证：基础数据要依靠实验测定，参数由实验确定，结论的可靠性由实验检验。不论从事科学研究还是作为工程技术人员，实验都具有重要意义。化工原理实验是化工类学生最先开设的专业实验课。为保证实验课的教学质量，学生做每一个实验都必须经过独立的预习、实验、数据处理和分析、撰写实验报告等过程。

建设适合化工类专业的工程训练中心和实习工厂，开辟实习基地，为师生提供广阔的实习实践场所，无疑对提高学生和教师的工程素养提供了有力的保证。

四、灵活地分析工程问题，合理地进行近似处理

影响工程问题的因素众多，处理工程实际问题时考虑所有影响因素是很困难的，所以在允许的误差范围内，进行合理的近似处理是可以接受的，也是必要的。工程上很多计算公式和数学模型是依据经验和实验得到的近似结论。在一定条件下，某些因素的影响是次要的，可以被忽略，但在其他条件下可能成为主要因素而不能被忽略；离开前提和条件，这些公式可能引起较大的误差或者根本不能适用。因此，教师必须引导学生掌握工程上的近似处理、近似计算的思想和方法[18]。

例如，使用对流传热系数关联式计算时，每个公式都有相应的使用条件，离开了这些使用条件，计算得到的对流传热系数的误差很大。又如，自由沉降速度计算式在滞流区内以流体黏性引起的表面摩擦力占主要地位，在湍流区以流体在颗粒后半部出现的边界层分离所引起的形体阻力占主要地位，而在过渡区两者都不能忽略，所以在不同区间计算自由沉降速度的公式是不同的。在教学过程中，教师应引导学生转变计算中力求精确的观念，逐步掌握工程上近似处理和计算的思想和方法。

五、培养临界转变的意识，准确把握过程的变化规律

很多自然现象和过程中，某些因变量随着自变量单调变化。这时，分析问题就比较方便，通常把该过程推到极端状态就可以很容易发现其变化规律。但是，也有很多过程不是单调变化的，特别要注意其由单调递减变为单调递增（或由单调递增变为单调递减）的临界转变状态。

例如，在输送管道外部包扎保温材料减少热损失，随着保温层厚度的增加，单位长度的导热热阻增加，但是对流传热热阻减小，这就可能在某一个保温层厚度时，总热阻最小，热损失最大，此时的厚度称为保温层的临界厚度。当保温层厚度大于临界厚度时，增加保温层厚度，热损失才逐渐减小。通过本案例的训练，打消学生的惯性思维，即“保温层越厚保温效果越好”的模糊认识，培养学生全面、客观地分析解决工程问题的意识和能力。

六、结束语

宏观思维和工程素养的培养绝非一朝一夕的事，一方面需要学生在学习中勤于思索、在生产实践中积极锻炼，另一方面需要教师在各个教学环节中有意识地进行创造性的设计，对学生进行引导和强化。除了化工原理课程，其他课程的教学过程中，也可以结合具体的教学内容和案例，采取有效的措施方法，树立、培养和强化学生的宏观思维和工程素养，培养具有大工程观的适应大化工生产需要的高级化工人才[19]。

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