論化工原理教學過程中的認識及其問題論文
目前，大學的教學過程愈發注重引導學生主動學習。因此，教師需要通過明確的目標問題幫助學生明晰每個學習階段(章節、課時)的學習目的，更需要理解并影響學生的學習過程，據此組織教學內容和選擇考核方式。學生的學習過程往往呈現出個性化，不免會受到知識信念的影響，如何看待知識的性質對其學習過程的影響很大。
教育和心理學文獻中存在三種主要的認識論取向：客觀主義(objectivism)認為現實獨立于意識，知識應是絕對意義上正確的，專業知識應能夠被客觀地驗證，或符合理性原則，可以從原有的基礎課知識體系經邏輯推理得到;解釋主義(interpretivism)認為現實世界的真相是由人的思想主觀構建出來的而不是客觀唯一的，在教科書中解釋主義往往被稱為經驗性或半經驗性方法，但經驗主義的認識論更片面強調感性認知，而解釋主義對外界物質世界的“解釋”依據不僅包括感性的經驗，也可包含理性的邏輯;客觀主義和解釋主義通常被認為是對立的兩極，而實用主義(pragmatism)則介于兩者之間，也可認為是對兩者的超越，認為知識僅是行動的工具，絕對意義上正確的知識是不可能存在的。
實用主義是大多數心理學家的工作哲學，客觀主義則受到教育學家的青睞，而解釋主義在工程科學研究中更為重要。在化工原理這門專業基礎課程學習過程中，每一種認識論傳統都具有積極的意義，但片面強調任何一種認識論都會對學習造成不利影響。下面我們結合本課程的教學實踐，分別對各種認識論傳統進行分析，進而闡釋教學過程中需要關注的一些問題，并與同行探討。
一、客觀主義的分析
學生在學習化工原理之前，已經經歷了中學和大學基礎課程數理知識的學習，因此心目中的知識應符合客觀主義標準。同時，本課程中各操作單元對過程效率的計算方法都基于質量和能量守恒這兩種客觀規律，操作單元過程的方向則與前期剛學過的物理或化學平衡狀態相關(表1)，這也應該是本課程通常作為化工專業首門專業基礎課程的原因。
需要警惕的是，某些學生(往往是優秀的學生)過于注重客觀主義的知識標準，從而陷入科學主義的誤區。化工原理作為學生接觸的第一門工程專業課程，教學過程中需要不斷強調工程的本質。工程是運用科學原理、經驗、判斷和常識來造福人類的藝術，是一種通過生產技術產品或系統滿足具體需要的過程。化工原理不是物理學的化工分支，動量、熱量和質量的傳遞理論是認識各種操作單元過程規律，進而解決化工實際問題的工具。
二、解釋主義的分析
工程交融于科學、藝術和社會，本質上包含藝術元素。某些復雜的工程現象，不能采用符合客觀主義標準的科學理論直接分析，而需要采用一些經驗和半經驗的方法進行分析、解釋和研究，工程的藝術元素集中體現于此。本文認為化工原理課程中涉及的工程思維模式主要體現為近似和類似(類比)。
實際工程現象的相關因素紛雜，近似簡化體現了工程科學中抓主要矛盾的分析特點。比如圓管層流流動的拋物線速度分布需要一系列的近似假設：穩態流動、流體等溫、流體不可壓縮、忽略進口端效應等;庫特流用于描述狹縫中的流體流動，需要忽略兩端的界面摩擦阻力;固體邊界的無滑移是受限流動分析的重要定解條件，需要基于流體連續性的前提，一旦微小尺度流道中流體的非連續性特征(滑動流或分子流)影響增強，固體表面的無滑移條件將不再成立;普朗特建立邊界層方程采用的數量級分析是具有數學依據的近似簡化。
同學們在前期課程學習中對近似簡化的方法多有接觸，比較容易接受由該方法所得出的結論。相對而言，教學中對類比方法需要作更多的講解和闡釋。
類比方法在人類工程實踐中的運用歷史悠久，在中世紀的歐洲，人類在缺乏力學知識的情況下主要依靠這種方法建造幾十米高的教堂。在認識過程的物理本質和變量的基礎上，感性的尺度類比逐漸發展為動態過程的量綱分析方法，這種用無量綱準數描述過程規律的方法至今仍廣泛用于許多工程裝置的放大研究。量綱分析是實驗數據分析手段，與正交實驗表一樣可以指導實驗方案的設計，進而大幅度減少實驗工作量。三種相際傳遞系數(流動摩擦系數、對流傳熱系數和傳質系數)是化工原理課程的核心內容，許多關聯式都是采用量綱分析進行實驗研究的結果。
除了量綱分析，類比方法更多體現為知識和概念的移植，即將類似的用于其他領域的方法用來分析一些工程現象。這樣的知識點在化工原理課程中比比皆是，如借助當量直徑將圓形管路的流動規律用于各種非圓形或不規則形狀的流道，借助當量長度將局部阻力類比為直管阻力。普朗特提出的湍流“混合長”概念則移植了分子運動論中的“分子自由程”，由其所導出的摩擦系數方程的形式(具有1/槡λ和對數項)仍出現在各種版本的化工原理教科書中，如Nikuradse與Karman公式及Colebrook公式。類比和概念移植也是很高超的科研技巧，著名的化工科學家Cussler教授將化工研究人員分類為adaptors、innovator和champions，他也很認同具有創新能力、并將創新成果應用于工程實際的champions，但認為自己不過是“將已有知識移植應用到其他場合”的adaptors。工原理教學過程中，幫助學生理解相關的工程思維模式，不僅可以使其領會一些工程規律之“所以然”，還可以為學生以后從事科研工作提供思路。
隨著科學和計算技術的發展，客觀主義的應用領域正在擴展，解釋主義的方法則從一些領域逐漸退出。如湍流流動的“混合長”模型和Karman相似理論已經讓位于N-S方程相關聯的二階模式，曾經用于許多工程放大研究的量綱分析也逐漸由CFD替代。
三、實用主義的分析
《莊子·徐無鬼》有言：“足之于地也踐，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謂也”。人的腳板很小，如果期望去踩踏見到的每一寸土地，那么將不可能欣賞到山川壯美、湖泊秀麗的景色。旅游如此，學習亦然。教學中要引導學生避免某些細枝末節對學習的干擾，使其能夠恰當地有所“不蹍”或“不知”，需要教師對課程知識點的作用了然于心，同時借助實用主義的認識論，明確目標問題，幫助學生避開專業學習過程中可能遭遇的雷區。
比如離心泵蝸殼內流動分析，其目的在于得到一些機械因素對揚程影響的定性規律，而旋轉流場中黏性流體的嚴格分析需要深厚的流體力學背景，這遠非化工原理學習可以做到的;再如湍流“混合長”模型推導過程中有關應力分布的假設并不適合實際情況，這里的解釋主義方法顯然經不起嚴格推敲，其目的僅在于理解Nikuradse與Karman公式等摩擦系數方程之“所以然”。
在化工原理教學中，筆者認為可從如下三個方面選擇化工職業素養相關的目標問題以引導學生的學習過程。
第一，化工過程的規劃是根據一些已知條件確立某個狀態或過程參數，這在化工原理中通常被歸納為設計型和操作性計算問題，在教學中受到了普遍重視。學生在掌握了基本原理之后求解復雜的規劃問題，需要思考方法上的指導，教師通過例題討論向學生介紹Wankat和Oreovicz提出的工程計算問題思考步驟，以及Arnold Arons提出的十項批判性思考原則，并建議學生在一些復雜的習題求解中采用，可以增強學生面對復雜計算問題時的自信心。目前需要迭代計算的過程規劃問題通常可以使用專業計算軟件完成，但諸如ASPEN Plus的使用也需要對單元原理和計算方法的理解。
第二，化工過程的定性判斷包括各種過程參量之間的相互影響。東、西方思維方式在定性分析上有所不同，對于西方思維，性質固化是分析開展的前提，定量則是定性的前提，西方數理邏輯把被老子稱為“非常道”的原理也試圖用數字固定和神圣化。而東方思維更多需要借助對過程變化趨勢的正確認識去“拍腦門”，決策過程參量的調整方向。有些定性分析問題只需要讓學生去關注即可，如“如何從機械能差異判斷流動方向?”“回流比增加，精餾塔底和塔頂溫度如何變化?”而有些問題，如“復雜管路中各支路流量或不同位置壓力的相互影響”，則需要教師通過實例給予學生分析方法上的引導。
第三，恰當的解釋問題可以引導學生進行知識點的梳理。從學生提交的文字闡釋，我們可以判斷其對概念的理解是否準確，對過程的分析是否有疏漏。解釋問題可包含諸如“邊界層如何形成，其厚度受哪些因素影響”之類的概念題，也可包含“鋪設一條輸水管線，從水源地向1000米外的建筑物供水，需要哪些已知條件?如何選擇合適的管徑?”之類的綜合性復雜計算的思路問題。教育過程作為“特殊的生活過程”，乃是受教育引導的個人生活逐漸展開的過程，知識賦予一個人的內涵絕非一日之功。化工原理作為專業基礎課程，首要目的在于引導學生建立科學有效的專業思維模式。知識的實用性需要以對基本概念、原理和方法的理解為前提，功利色彩的實用主義必將導致“知識無用”。教育家B F Skinner的名言“Education is what survives when what hasbeen learned has been forgotten”很好地詮釋了這一點。
四、認識論對教學過程的影響
基于上述對三種認識論傳統的分析，本文提出化工原理教學過程中要注重三種認識論觀點的融合運用。本課程的基本理論框架(動量、熱量和質量傳遞)可以作為學生剛經歷的數學、物理課程內容的延伸，教學中應借助明確的目標問題，幫助學生領會單元過程的原理和計算方法，并了解課程中分析工程問題的解釋主義方法;此外，基于學生的職業成長角度，應鼓勵他們參與大學生創新實驗和PRP(Participation inReasearch Program，是我校針對本科生的研究項目計劃)項目等科研活動，將解釋主義的方法付諸實踐，并在后續專業課程的學習中注意從整體學科角度領會本課程知識的作用。
教學中依靠教師對知識性質的正確認知，同時借助適當的教學內容與考核方式安排，可以避免學生受被動認知和主觀認知的影響，并強化其獨立認知和關聯認知能力，提高教學效果。我校學生的總體素質好，學習中基本可以避免死記硬背式的被動認知模式。但《化工原理》教材在內容組織上基本以操作單元的設計和操作計算為主線，傳遞原理講解較少，并缺乏與單元操作內容的有機融合，學生對諸多解釋主義方法給出的規律(如流動摩擦系數、對流傳熱系數和傳質系數)難以理解，即使根據關聯式能夠從數學意義上分析各因素的影響，經過習題訓練后也往往停留于“知其然，不知其所以然”的程序認知模式。為此，我們在2014年的教學中并行采用兩種教材，傳遞部分重點講解與單元操作關系密切的相際傳遞原理、關聯式包含的影響因素分析及解釋主義方法，幫助學生理解關聯式之“所以然”。此外，我們允許學生在閉卷考試時帶入1頁A4紙摘抄筆記，以減輕其死記硬背的負擔。
人們在主觀認知模式下往往會受到感覺的誤導，如地球中心學說在歐洲盛行千年，就顯示了主觀認知思維模式對人們的影響力。化工原理教學中對學生的主觀認知判斷要區別對待：一些重要的概念性問題務必運用傳遞基本原理講清楚，如有的學生根據剛體力學的規律判斷“光滑管”內沒有流動阻力，個別優秀的學生在了解管路進口端效應之前對壁面無滑移很感懷疑：“進口處后面的流體一定會被推著向前走，怎么可能無滑移?”而根據解釋主義方法得出的一些規律，確實存在見仁見智的主觀認知偏差，例如不同的湍流光滑圓管內摩擦系數關聯式，對同一種流動情形的計算結果并不完全吻合，但這種偏差應在工程允許的誤差范圍之內。
學生的學習風格是很具個性化的，沒有一種教學理論能夠準確考量一個教學班內所有學生的學習過程。學習風格問卷可以幫助教師有針對性地關注與自己風格迥異的學生。此外，在課程教學的后期，學生對課程的內容特征和學習方法有了一定認識之后，教師可以布置一些與成績相關聯的大作業供學生根據興趣選做，并給出難度系數，對教材給出的一些規律和方法的合理性進行質疑，以提升學生基于客觀主義和解釋主義角度的獨立認知能力，或從實用主義角度梳理運用相關知識，以強化關聯認知能力。以下是筆者采用的部分大作業題目。
1.圓管內流體流動的拋物線速度分布需要什么前提?對每個前提考慮一種不能滿足的情況，并說明其對速度分布的影響(客觀主義角度的獨立認知，難度系數0.95)。
2.推導Bingham 塑性流體在垂直圓管中的速度分布和Buckingham-Reiner方程，即體積流量與流動阻力之間的關系(客觀主義角度的獨立認知，難度系數1.0)。
3.舉例說明量綱分析方法的適用前提條件和局限性(解釋主義角度的獨立認知，難度系數0.95)。
4.煮水餃是沸騰傳熱過程。水的劇烈湍動(曳力)會導致水餃皮破裂，可采用小火煮、敞開鍋、間歇加入冷水的方式，維持至皮餡熟并避免皮破裂。應用所學的沸騰和其他傳熱原理，分析煮水餃過程中的如下技術問題：肉餡難熟、普通面粉餃皮水煮易破裂，如何解決;煮凍)餃子與手工即時鮮餃的操作區別?鍋內放入的水量及加熱功率對過程的影響?說明理由(實用主義角度的關聯認知，難度系數0.9)。
5.長春市的民警在零下20攝氏度的嚴冬中執勤的輪換時間為2個小時，為防止手腳出現凍傷，穿戴的手套和皮靴需要滿足什么要求?交警服裝廠希望在技術咨詢公司供職的你提供技術報告，你準備如何考慮?需要對方提供或自行測定什么數據(實用主義角度的關聯認知，同時需要從客觀主義角度運用非穩態傳熱知識，難度系數1.0)?
6.在電鍍過程中，金屬離子從稀電解液中流向旋轉圓盤式電極的速率，一般是由離子到圓盤的擴散率來控制的。這個過程的變量包括：k—傳質系數，量綱L/t;D—擴散系數，量綱L2/t;d—盤徑，量綱L;α—角速度，量綱1/t;ρ—密度，量綱M/L3;μ—黏度，量綱M/Lt。試以這些變量導出一組無量綱參數并使k、μ、D 分別出現在不同的參數中。另外，我們對這個系統，應該如何采集和記錄實驗數據(理解過程背景并運用量綱分析，實用主義角度的關聯認知，難度系數0.95)?
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