化工原理课程知识体系构建中的“房屋建筑学原理”
袁正求, 曾邹果, 周虎, 曾坚贤, 蹇建, 刘国清
（湖南科技大学化学化工学院, 湖南省普通高校化学与化工创新创业教育中心, 湖南湘潭 411201）
摘要：《化工原理》作为化工类专业的一门技术基础课，是以化工生产中的物料加工过程为背景，运用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题。学生在学习这门课的过程中通常会遇到难以整体把握课程知识等问题，因此建立完备的化工理论知识体系来解决以上问题显得尤为重要。通过对比发现化工原理课程知识体系构建与房屋建筑学具有某种联系。本论文针对学生在学习化工原理过程中存在的困难，从理论上找寻化工原理的知识体系与建筑学原理的相同之处，探索这种相同规律对该课程知识体系构建的指导作用，旨在为学生科学简单全面地掌握好课程知识提供新思路；同时通过改进教学方式以提高教学效果，也为其他课程教学上提供一种新思路。
关键词：高等教育，化工原理，知识体系，教学改革，建筑学原理
Abstrct: As a basic technical course for chemical engineering majors, the
course of Chemical Engineering Principles is based on the material processing
process in chemical production and uses the principles of natural science to
investigate, explain and deal with practical engineering problems. In the
process of learning this course, students usually encounter problems such as
difficult in grasping the overall knowledge of the course. Therefore, it is
important to establish a complete chemical theory knowledge system to solve the
problems. It is found that the process of establishing a knowledge system of
chemical engineering principles is similar to the process of building
construction in architecture. Considering the difficulties which students faced
during study the principles of chemical engineering, therefore, this paper aims
at theoretically finding out the similarities between the knowledge system of
chemical engineering principles and the principles of architecture, and exploring
the guiding effect of the same law on the construction of the knowledge system
of chemical engineering course. Consequently, we can provide new method for
students to rationally construct knowledge system of chemical engineering
principles, and comprehensively master the knowledge of the subject
scientifically. Moreover, this work will enhance the teaching effect via
improve teaching method, and also provide a new method for other courses.
Keywords: Higher education; Principles of chemical engineering; System of
knowledge; Educational reform; Architectural principles
化工原理课程知识体系构建中的“房屋建筑学原理”
袁正求, 曾邹果, 周虎, 曾坚贤, 蹇建, 刘国清
（湖南科技大学化学化工学院, 湖南省普通高校化学与化工创新创业教育中心, 湖南湘潭 411201）
摘要：《化工原理》作为化工类专业的一门技术基础课，是以化工生产中的物料加工过程为背景，运用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题。学生在学习这门课的过程中通常会遇到难以整体把握课程知识等问题，因此建立完备的化工理论知识体系来解决以上问题显得尤为重要。通过对比发现化工原理课程知识体系构建与房屋建筑学具有某种联系。本论文针对学生在学习化工原理过程中存在的困难，从理论上找寻化工原理的知识体系与建筑学原理的相同之处，探索这种相同规律对该课程知识体系构建的指导作用，旨在为学生科学简单全面地掌握好课程知识提供新思路；同时通过改进教学方式以提高教学效果，也为其他课程教学上提供一种新思路。
关键词：高等教育，化工原理，知识体系，教学改革，建筑学原理
Abstrct: As a basic technical course for chemical engineering majors, the
course of Chemical Engineering Principles is based on the material processing
process in chemical production and uses the principles of natural science to
investigate, explain and deal with practical engineering problems. In the
process of learning this course, students usually encounter problems such as
difficult in grasping the overall knowledge of the course. Therefore, it is
important to establish a complete chemical theory knowledge system to solve the
problems. It is found that the process of establishing a knowledge system of
chemical engineering principles is similar to the process of building
construction in architecture. Considering the difficulties which students faced
during study the principles of chemical engineering, therefore, this paper aims
at theoretically finding out the similarities between the knowledge system of
chemical engineering principles and the principles of architecture, and exploring
the guiding effect of the same law on the construction of the knowledge system
of chemical engineering course. Consequently, we can provide new method for
students to rationally construct knowledge system of chemical engineering
principles, and comprehensively master the knowledge of the subject
scientifically. Moreover, this work will enhance the teaching effect via
improve teaching method, and also provide a new method for other courses.
Keywords: Higher education; Principles of chemical engineering; System of
knowledge; Educational reform; Architectural principles
前言：
随着经济社会的快速发展，高等教育需要不断深入改革以适应社会经济的变革。习近平总书记在全国教育大会上指出“要在增长知识见识上下功夫，教育引导学生珍惜学习时光，心无旁骛求知问学”，在知识见识上下功夫，于教师而言，就需要教师在所授知识上的传递形式与内容上下功夫，在知识的结构、表现形式、理解方式与学生的学习意识、学习心理的构建上进行创新。将这种创新融入高校的具体教学，通过课程和各种实践活动来实现，有助于学生体系化地掌握知识 ，增加所学知识的深度与广度 [1]。
《化工原理》是化工类专业的一门技术基础课，以化工单元为核心系统研究操作过程的基本原理和基本规律，以及单元设备的操作特性，是一门联系自然科学与生产应用技术的“桥梁性”学科，具有应用面广、实用性强、注重理论和时间相结合的特点 [2]。该课程在学习《高等数学》、《大学物理》、《工程制图》、《物理化学》等基础知识后开设，对所学基础课程进行综合运用，解决化工生产中的单元操作问题。因此，《化工原理》课程承担着工程科学与工程技术的双重教育任务。然而，在学习化工原理课程过程中，一些学习者对该课程的学习充满困惑，主要原因是化工原理课程包含复杂的半理论半经验公式、准数及准数关联式，同学们学习起来倍感疑惑、难以掌握。此外，化工原理涉及知识面广、各学科多交叉，内容涵盖化工实际生产过程所使用装置中的大多数单元操作，并且各单元操作之间的关联容易让学生产生混淆与困惑。因此，建立完备的化工理论知识体系来解决以上问题显得尤为必要。
1. 化工原理课程的建设和改革
19世纪90年代国外高等学校相继设置化学工程系，我国于20世纪20年代开设化学工程课程 [3]。从本世纪开始，教育工作者对化工原理课程的建设和改革进行了一系列探索 [4]。二十多年来，化工原理课程建设和改革主要取得了以下方面的创新：（1）教师课堂教学方式上的改变。由传统的板书设计和板书实践、备课改作等教学方法逐渐向PPT、视频、音频等计算机信息技术为主的多媒体现代化教学进行转变。多媒体教学改变了传统教学中形式单一的特点，通过电子课件能将抽象、复杂的知识直观形象化，可激发学生学习兴趣和调动学生主动学习的积极性。（2）虚拟仿真实验平台的建立。由于传统实验教学难以满足高校对学生独立思考、创新能力及工程素质的培养，虚拟仿真实验可以作为传统实验教学的补充，实现提高化工原理实验的教学效果。仿真实验录入了正确规范的实验标准步骤，通过与学生操作相比较，能够及时提示学生的操作是否有误。在实验之后，通过判断思考题进一步检验学生对基本实验知识和技能的掌握程度。计算机虚拟仿真实验平台的建立，大大增加了学生的实验兴趣，同时也大幅度提高了学生现场实验技能 [4, 5]。（3）新型现代化智慧教学逐渐兴起，如雨课堂、学习通等线上学习软件已在化工原理课程学习中应用。随着信息技术与学科教学的深度融合，教育信息化步入“2.0时代”，人工智能、大数据等技术在课程教学、个性化学习领域的作用日益凸显。智慧课堂打破常规课堂教学模式，使教学不再受时间和空间的限制，学生可以随时、随地进行学习，并且可以通过网络平台自主选择学习资源，实现个性化学习。由此可见，化工原理课程的建设和改革极大改变了教师 “教”的模式和学生“学”的形式。然而，教与学的目的最终是由教师能够将知识能够全面、系统、准确地传授给学生，使学生通过学习实现知识点的精准吸收和消化。对于化工原理课程教学，虽然教学模式有了较大创新与改变，学习者依旧存在理解困难、知识体系不连贯、难以精准吸收的困惑，因此需要一个可行的视角来学习化工原理，建立灵活且稳固的知识体系。
2. 房屋建筑学与化工原理课程知识体系构建的联系
化工原理的课程体系的构建与房屋建筑原理有极其相似之处。房屋建筑学阐述了建筑设计和建筑构造的基本原理和方法，是研究房屋建筑构造组成、原理及方法的一门课程 [6, 7]。房屋建筑构造组成主要研究房屋的组成部分及各部分的作用；构造原理主要从理论上阐述房屋建筑各部分的构造要求以及符合该要求的构造基本原理；构造方法是研究在构造原理指导下从材料性能、经济核算方面合理开发和选择房屋建筑材料、建筑结构配件以及结构配件间的连接方法 [8]。化工原理课程是研究工程实际问题的过程原理、计算方法及操作设备的一门课程。该课程从理论上阐明化工实际生产过程中各单元操作的基本原理和规律，根据基本原理和规律对典型设备的结构、工艺尺寸设计计算方法和选型。同时，进一步探索强化过程的途径，通过理论解析、定量计算、实践操作和设计能力的训练，以使学生逐步树立牢固的工程意识和理念，为后续专业课的学习奠定良好的基础。由此可见，房屋的建筑与化工原理知识体系的构建是有非常大的契合度。主要表现在以下三个方面：
2.1 基础
房屋建筑学研究的对象是房屋，房屋建筑是由地基、基础和上部结构组成，基础越牢固房屋越稳。化工原理课程研究对象工程实际问题，要求学生在学习化工原理之前有高等数学、物理学、物理化学、工程制图等学科的基础。因此，化工原理课程体系的建设可以看作一栋房屋的建设，而先修课程为化工原理课程体系的建设提供了坚实的基础。
图1 房屋建筑与化工原理课程体系结构联系示意图
2.2 框架
房屋上部结构中是由若干房间组成，房间数量可变，但其联系在一起构成了一栋建筑；比如，主卧是为房主提供休息、睡眠的房间，具有私隐性的特点；客厅是主人用来接待客人的房间，具有功能集聚放松、游戏、娱乐的特点。化工原理按其操作原理的共性归可纳成若干“单元操作”，“单元操作”可以看作是一个个房间，每个房间都有自己的特点，也具有一定的联系。例如，流体流动单元操作可看作是一个房间，用来描述流体流动过程基本规律；吸收单元操作可看作另一房间，其功能是进行气相混合物分离。所以不同“单元操作”的组合可以构建一栋“化工原理大楼”。
图2 房间构造与单元操作关联示意图
2.3 装饰
在搭建好一座房子之后，要对房子的每一间房间进行装修，装饰一些配件、挂饰，以及绘画等，使房间不单调、不空洞，且与每个房间的功能相联系。房屋中每一个房间都有各自的作用和装饰风格，比如主卧的重心就是卧榻，空间的装修风格、布局、色彩和装饰都应以静心舒适地休息为中心而展开。化工原理课程中每一个单元操作的目的各异，具有相对应的基本原理和基本规律，在此基础上分析和计算，最后进行设备设计和选型。所以，在化工原理单元操作的“房间”中，修饰在于根据各个单元操作基本原理和规律进行公式计算，以及机械设备选型等，使每个单元操作更加的丰富，将其功能与作用更好地展示出来。
3.
房屋建筑学原理在化工原理课程知识体系构建中的应用
在化工原理课程中，主要学习一系列的单元操作，研究单元操作之间的共性，讲究的是“循序渐进，由浅入深”。要求我们灵活运用所学知识，培养实验能力、单元操作和设备选择、操作和调整生产过程、过程开发或科学研究、工程设计的能力。我们学习化工原理专业课程的最终目标是培养学生整体设计的综合能力，是可以独立进行工程设计，具备工程技术人员的素质。
3.1 基础—学好先修课程
常言道：“万丈高楼平地起”，“基础不牢，地动山摇”。因此对于房屋建筑来说，地基很重要，整栋房子的重力和应力都传递给地基，地基起到承重作用，所以良好的地基是房屋安全的基本条件。化工原理课程是化学工程与工艺及相近专业的一门主干课，是学生在具备了必要的高等数学、普通物理、物理化学和工程制图等基础知识之后必修的技术基础课。通过学习掌握好这些基础课程知识，便会给化工原理这栋“房子”提供一个用以支撑其课程知识体系建立的“地基”，只有基础牢固才能实现课程知识体系建立的“稳”。
3.2 主体—掌握单元操作基本原理和规律
长期的研究与实践发现，各种化工产品的生产一般是基于特定化学反应协同多个物理操作过程共同来实现的。实际生产过程中，尽管生产的化工产品种类繁多，应用于生产的工艺路线多种多样，但是如果将这些纷杂众多的生产过程进行分解和比较，把遵循共同物理学规律，使用同一类操作设备，具有相同功能的基本物理操作进行集中研究，便可总结归纳出一定的规律。例如，将不同种类流体物料从一个供料点输送至另一个需料点时，需了解流体流动的基本原理；将不同物料通过加热与冷却操作达到设定的操作温度时，需要研究物料在热量传递过程中的基本规律；将目标产物以特定浓度从不同混合物系进行分离提纯时，需要把握目标产物分离的基本要求和理论等。由此可知，任何化工生产过程，无论其规模大小和复杂程度都可以用一系列称为单元操作的技术来解决。因此，每一个单元操作是化工原理课程的组成部分，是在化学工业生产中具有共同的物理变化特点的基本操作，是由各种化工生产操作概括得来的。只有将纷杂众多的化工生产过程这一整体分解为构成它们的单元操作来进行研究，才能系统地揭示其共性的本质、原理和基本规律。通过掌握单元操作的基本功能和特点，才能实现课程知识体系建立的“定”。
3.3 装饰—掌握单元操作基本研究方法
掌握单元操作的基本功能和特点后，需要对每个单元操作的“毛坯房”进行装饰。结合各个单元操作的基本规律和基本原理，设计操作过程中的计算方法，并能够根据生产工艺的要求以及计算结果，合理选择和设计操作设备。单元操作经过一个多世纪的研究，逐渐明确了两种基本研究方法，包括实验研究法和数学模型法。实验研究方法主要用于内在规律尚未进行深入研究的复杂化工问题，通常采用量纲分析和相似理论作为指导，依靠实验来确定过程变量之间的关系，一般通过无量纲准数（或称无因次数）群构成的关系式来表示。数学模型方法首先深入分析实际问题机理并掌握过程发生的本质，在此基础上对研究过程进行合理简化后建立物理模型；然后结合物理化学、传递过程和化工热力学等过程基本原理，获得可描述此物理模型的数学模型；最后采用相关数学方法进行求解后，通过实验方可确定模型参数。因此，通过单元操作过程影响因素的多少以及影响程度的大小，选择适当的研究方法来设计计算过程，可以实现每一个单元操作由“毛坯房”到“精装修”。对于化工原理中每一单元操作的基本原理和基本规律、分析计算、设备选型等便如同是房间内的修饰，才能实现课程知识体系建立的“成”。
4. 以《流体流动》单元操作为例建立知识体系 [9]
《流体流动》单元操作是化工原理“大楼”中的一个重要“房间”，主要研究流体流动过程中的基本原理、计算方法和设备选型。这部分知识涉及到流体输送过程中流体的基本物理属性（密度，压强等）、流速和流量的计算、能量的计算以及过程示意图的绘制等，因此要求学生有高等数学、物理学、物理化学和工程制图等学科的良好基础来支撑这部分知识的学习。所以，流体流动单元操作是在先修课程基础上进行学习的。
《流体流动》单元操作是根据化工生产过程中生产要求进行流体的贮存与输送，其基本功能主要有三个方面，（1）流体物料的输送：根据生产要求，将流体物料通过输送机械和管道从供料处输送到需料处，从而完成物料输送的任务以实现生产连续性。（2）流体压强、流速和流量的测量：化工厂中流体输送管路纵横排列，与各类设备连接，因此对特定管路及设备中流体热力学和流动属性进行监测可以更好地掌握生产状况。（3）强化设备的操作功能：化工生产过程中，物料的热量、动量和质量的传递以及化学反应通常是在流动状态下进行的，因此流体流动的状态将直接影响单元操作的传质传热阻力和设备尺寸。由此可见，流体流动单元操作基本功能是掌握流体流动基本原理。
介绍了流体流动过程的基本原理和流体在管道中的流动规律，并利用这些原理和规律对流体输送问题进行了分析和计算
《流体流动》单元操作学习目的和要求是掌握流体流动过程的基本原理和流体在输送管道中的流动规律，并运用这些原理与规律对流体输送问题进行分析和计算，根据计算结果设计和选择输送设备。只有将这个“房间” 装饰得越丰富，才能覆盖所有知识点，学生进入后才能将单元操作知识掌握更全面。“房间”内装饰有四幅画，分别是：（1）流体静力学：静止流体是流体流动的一种特殊状态，其具有一定的密度和压强。重力场中在同一种静止流体中不同高度上的微元其静压能和位能各不相同，但其总势能保持不变，符合流体静力学基本规律。（2）流体动力学：实际的流体往往处于流动状态，因此具有流量和流速。在理想状况（定态流动的不可压缩理想流体）下，连续流动的流体在各有效截面上的总机械能不变，但是各机械能之间可以相互转换和改变--能量转换原理，符合理想流体伯努利方程。（3）流体阻力：由于理想流体并不存在，因此流体具有阻力，导致流动过程中有能量损失。能量损失与流体流动类型、管路情况以及流体物理属性（黏度和密度）有关，且流动过程中总能量损失由直管阻力和局部阻力组成。（4）外加机械能：为保持稳态流体输送以实现工况要求，需要提供外加机械能，由流体输送机械设备提供。根据不同情况下流体输送要求，需要选择不同结构和特性的流体输送机械设备，其主要性能参数包括扬程、流量、轴功率和功率。为避免输送机械的不正常工作（汽蚀和汽缚），需要确定安装高度以及机械的密封性。
根据《流体流动》单元操作“装饰”的描述，对于化工原理中流体流动单元操作的基本原理和基本规律、分析计算、设备选型等知识都有较清晰把握，即成功构建以下示意图的知识体系：
图3 《流体流动》单元操作知识体系示意图
5.
结论与展望
本论文通过将房屋建筑学原理与《化工原理》课程知识体系构建相结合，旨在促进学生在学习化工原理过程中建立起完善的课程知识体系，从基础、主体和装饰三个层次将两者进行关联，阐述各层次的作用及特点，突出化工原理课程知识体系的整体性和层次感，激发学习者认知和理解能力，从而科学构建较完善课程知识体系。
除此此外，可辅以如下方式帮助学习者以“房屋建筑原理”建立化工原理课程知识体系：一、课本教材的编排上的改变，课本编排上可以在绪论部分加上相关建筑原理，给同学们以启发；二、老师在授课时引导大家以建筑学原理的视角学习化工原理课程，与化工原理与建筑学原理进行类比，将其中的共同之处互相融合学习；三、学生在日常生活中尝试自己构建相关体系，平时可以用建筑学思维思考化工原理问题等方面进行化工原理教学与学习的不断探索，不断创新，不断改变。本论文所述方法将为《化工原理》及其他课程教授与学习提供新的研究思路。
参考文献
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[6]. 孙玲玲, 闫金环. 浅谈房屋建筑结构设计要点[J].
科技促进发展. 2011, 4:100
[7]. 段黎明. 关于房屋建筑结构设计中优化技术的探讨[J]. 山西建筑. 2015, 41(3): 19-20.
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[9]. 王志魁. 化工原理(第五版)[M], 化学工业出版社, 2018.
本文系湖南省普通高等学校教学改革研究项目“基于高等教育国际化背景下化工原理实验教学改革”（HNJG-2020-0491）；湖南省普通高等学校教学改革研究项目“基于教学质量国家标准的化学工程与工艺专业课程体系的构建与实施”（湘教通2018[436]号，序号366）；湖南科技大学校级教学改革研究项目“化工原理实验教学改革研究与实践”（G31913）的研究成果。
作者简介：袁正求（1986-），男，汉族，湖南宁乡人，湖南科技大学化学化工学院讲师、博士、硕士研究生导师，主要从事化工原理课程与实验教学研究。
作者单位：湖南科技大学化学化工学院，湖南 湘潭 邮编 411201。
联系方式：袁正求，湖南省湘潭市湖南科技大学化学化工学院，18811537379
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