淺談化工教學(xué)的與時俱進問題

化學(xué)工程教學(xué)始終面臨著兩難境地：作為一門傳承性極強但又發(fā)展迅速的學(xué)科，教學(xué)內(nèi)容到底是應(yīng)該與工業(yè)需求緊密結(jié)合，還是應(yīng)該融入最新的科學(xué)熱點和理論?
化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展與化學(xué)工程課程教學(xué)聯(lián)系緊密。第一門化學(xué)工程課程是MIT于1888年開設(shè)的。從1915年Little首次提出單元操作(unitoperation)的概念，到1923年walker等編著《化學(xué)工程原理》，這象征著化學(xué)工程史上第一個里程碑的誕生。隨后，1950年化學(xué)熱力學(xué)和1955年化學(xué)動力學(xué)學(xué)科相繼形成；到了1960年，伴隨Bird等編著的《傳遞現(xiàn)象》的出版及化學(xué)反應(yīng)工程(1963年)、過程系統(tǒng)工程(1965年)等學(xué)科的形成，標志著化學(xué)工程史上第二個里程碑的出現(xiàn)。之后，環(huán)境工程(1968年)、安全與風險評估(1970年)、生物科技(1980年)、計算模擬(1985年)、復(fù)雜系統(tǒng)(1990年)、微納技術(shù)與生命科學(xué)(2000年)等諸多化學(xué)工程的分支學(xué)科又相繼形成。化學(xué)工程的發(fā)展歷程一方面表明化學(xué)工程學(xué)科體系在不斷完善，另一方面顯示了化學(xué)工程本身的多學(xué)科交叉特性和持久的生命力。
與此同時，以大宗化學(xué)品生產(chǎn)為主體的化學(xué)工業(yè)卻進入發(fā)展的瓶頸期，隨之而來的是信息科技輔助的研究方法層出不窮，陳舊落后的工藝技術(shù)不斷被改進，功能型精細化學(xué)品逐漸受到產(chǎn)業(yè)界青睞。但相比之下，化學(xué)工程教學(xué)的更新速度跟不上學(xué)科和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。本文聚焦這一矛盾，擬從內(nèi)容和模式兩個方面對化學(xué)工程教學(xué)的與時俱進問題進行探討。
一、化學(xué)工程教學(xué)內(nèi)容的與時俱進
化學(xué)工程一百多年的發(fā)展史為學(xué)科理論的形成奠定了深厚的基礎(chǔ)，大量經(jīng)典教材在化學(xué)工程教學(xué)過程中起到了極大的傳承作用。隨著化工學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展及化工人才培養(yǎng)標準的變化，課程教材也在不斷與時俱進。
以我校國家級精品課程化工原理的教材為例，該教材已更新至第四版。第二版在第一版的基礎(chǔ)上，補充了非牛頓流體基礎(chǔ)、多元精餾、吸附、結(jié)晶和膜分離等單元操作的基本知識；第三版較第二版，刪除了部分較為專業(yè)的內(nèi)容和計算方法，補充了力學(xué)分離過程的選擇等內(nèi)容。前三版教材注重經(jīng)濟上的參數(shù)優(yōu)化問題，偏重于培養(yǎng)學(xué)生的研究能力；而第四版則強調(diào)學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，并適當強化了實際工程應(yīng)用方面的知識。同時，第四版教材繼續(xù)遵循以傳遞過程共性進行分類的編寫方式，從動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、熱質(zhì)同傳四個方面闡述了各單元操作的相關(guān)知識。
教材的更新對任課教師的專業(yè)知識、學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力提出了新要求。原來教授化工原理課程的教師不一定要具備足夠的傳遞過程專業(yè)知識，但如今要想充分呈現(xiàn)新教材的精髓，他們就需要及時學(xué)習(xí)傳遞過程的專業(yè)知識。同時，教材的更新也帶來了教學(xué)安排上的變化。以本校化工學(xué)院的傳遞過程課程為例，該課程原先安排在化工原理課程之前開設(shè)，共1．5學(xué)分；如今改為化工原理課程之后開設(shè)，共2學(xué)分。之所以做這樣的調(diào)整，是因為化工教研組的教師對這兩門課的內(nèi)涵有了更加深入的認識：化工原理課程主要講授化學(xué)工業(yè)各單元過程和設(shè)備，學(xué)生在授課老師的幫助下，對課程內(nèi)容能有具體和直觀的理解；而傳遞過程課程要求教師從更深層次的“三傳”本質(zhì)上進行闡述，其中涉及大量的建模和高等數(shù)學(xué)知識，內(nèi)容相對抽象，對學(xué)生的物理、數(shù)學(xué)方面的要求更高，因此本著循序漸進、由淺人深的原則，傳遞過程課程應(yīng)該被安排在化工原理課程之后開設(shè)。
另外，化學(xué)工業(yè)的發(fā)展及化學(xué)工程新型研究方法的出現(xiàn)對課程教學(xué)提出了新的要求。工業(yè)界的關(guān)注點從通用化學(xué)品逐漸轉(zhuǎn)移至高附加值的精細化學(xué)品，原本粗放型的生產(chǎn)方式逐漸向精確、定向、高效的方向轉(zhuǎn)變；而原本以經(jīng)驗、實驗為主的化學(xué)工程研究方法開始不斷與數(shù)值模擬手段相融合，從半定性半定量研究逐漸向完全定量研究轉(zhuǎn)變。仍以傳遞過程課程為例，這些轉(zhuǎn)變要求化學(xué)工程師和研究者對設(shè)備、過程涉及的傳遞本質(zhì)有更為深刻、扎實的理解，對如何通過計算機高效利用傳遞過程強化手段提出了更為嚴苛的要求，因此該課程中的相關(guān)理論知識在化學(xué)工程領(lǐng)域發(fā)揮的作用更為重要，課程教學(xué)的要求更高。
筆者之一的戴干策先生作為本校傳遞過程課程的創(chuàng)始人，如今正與其他高校聯(lián)合進行新版教材的編寫，以適應(yīng)新時期的化學(xué)工業(yè)對學(xué)生傳遞相關(guān)知識和素養(yǎng)的要求。由于教材內(nèi)容將出現(xiàn)大幅改動，對于具有豐富教學(xué)經(jīng)驗、習(xí)慣采用既定教學(xué)方式和模式的資深教師而言，這一改革將對他們開展教學(xué)造成一定沖擊。筆者認為，讓資深教師大幅度調(diào)整授課內(nèi)容和模式的可行性不高，因此更好的選擇是吸引青年教師加入本課程教學(xué)隊伍，并結(jié)合課程的新要求，有針對性地接受教學(xué)培訓(xùn)。這樣，新老教師在進行教學(xué)傳承的同時，可以保證課程教學(xué)的與時俱進。
二、化學(xué)工程教學(xué)模式的與時俱進
計算機、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的使用所帶來的教學(xué)模式的多樣化和便捷性有目共睹。從板書到使用投影儀和PPT，從原聲教學(xué)加教棒到使用麥克風、激光筆等一體化設(shè)備，在這一發(fā)展過程中，教師的課堂教學(xué)變得方便、簡單，教學(xué)效果也得到了大幅度強化。此外，還有更多、更深層次的變革對化學(xué)工程教學(xué)模式產(chǎn)生了影響。如大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程(MassiveOpenOnlineCourse，M00C)創(chuàng)造了一種全新的教學(xué)模式，還衍生了同行評議、自動化評估、個性化定制課程、自我評價等諸多教學(xué)模塊。2013年，MOOC開始大規(guī)模進入亞洲高等教育領(lǐng)域。根據(jù)“中國大學(xué)MOOC”App的統(tǒng)計，迄今為止，國內(nèi)已有286所高校在該App上發(fā)布了4069門課程，涵蓋計算機、經(jīng)濟管理、心理學(xué)、外語、文學(xué)歷史、藝術(shù)設(shè)計、工學(xué)、理學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生等十多個領(lǐng)域。化學(xué)反應(yīng)工程、化學(xué)工程與工藝專業(yè)實驗、化工原理、傳質(zhì)與分離工程、化工熱力學(xué)等諸多化工專業(yè)課程幾乎涵蓋了整個化工領(lǐng)域的專業(yè)知識。本校化工原理課程已部分引入MOOC教學(xué)模式。可以預(yù)見，在不遠的將來，化學(xué)工程教學(xué)將大幅推廣M00C模式，該模式所具有的工具資源多元化、課程易于使用、受眾面廣、參與自主性強等優(yōu)點也將得到充分發(fā)揮。
化學(xué)工程教學(xué)有自身的特殊性。化學(xué)工藝大多涉及不同程度的易燃易爆、有毒物質(zhì)，也會涉及常見的高溫高壓等極端操作工況，以及形式各異且內(nèi)部過程復(fù)雜的化工設(shè)備，因此從安全和教學(xué)效果方面來講，化工教學(xué)具有較高難度。幸運的是，科技發(fā)展在一定程度上降低了化工教學(xué)的難度，如模擬和仿真技術(shù)大規(guī)模引入化工教學(xué)，可以實現(xiàn)直接觀察現(xiàn)場設(shè)備和工藝，并利用鼠標和鍵盤進行交互式操作，這就使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感覺，達到了語言描述所不能實現(xiàn)的效果。華北電力大學(xué)針對煤化工課程內(nèi)容實踐性強、煤化工流程復(fù)雜且設(shè)備多樣化的特點，利用VisualBasic語言開發(fā)了仿真界面，實現(xiàn)了設(shè)備結(jié)構(gòu)和運行流程的動態(tài)顯示。
陜西師范大學(xué)采用LabVIEW等制作了雷諾實驗仿真模擬軟件，該軟件既提高了實驗效果，又提高了學(xué)生的計算機應(yīng)用能力。華東理工大學(xué)向?qū)W生開放的虛擬現(xiàn)實教學(xué)，使2014級環(huán)境工程專業(yè)的本科生體驗了“污水廠Ⅵ之教學(xué)和實訓(xùn)”。
以上教學(xué)模式的改革，一方面促進了教學(xué)效果的提升，另一方面對任課教師掌握現(xiàn)代化技術(shù)和操作智能設(shè)備的能力提出了新的要求。
三、結(jié)語
為了培養(yǎng)符合新時代標準的化學(xué)工程人才，化學(xué)工程教學(xué)要與時俱進。教學(xué)內(nèi)容改革要建立在經(jīng)典化學(xué)工程原理的基礎(chǔ)上，合理把握學(xué)科熱點領(lǐng)域、研究方法的引入；教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變要借助現(xiàn)代化信息技術(shù)進行，以期提高教學(xué)效率和教學(xué)效果。歸根結(jié)底，化學(xué)工程教學(xué)的與時俱進是教師不斷提升自身教學(xué)能力、優(yōu)化教學(xué)方法的過程。