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《化工原理》教学过程中的认识论问题

已有 7796 次阅读 2015-1-10 11:42 |个人分类:专业教学|系统分类:教学心得

去年暑期的一篇文稿,近期发表在《化工高等教育》


Epistemological Thinking on TeachingChemical Engineering Courses

 

JianminYan, Wende Xiao

Departmentof Chemical Engineering, Shanghai JiaoTong University, Shanghai 200240

 

Abstract: It is significant forstudents to understand the essence of knowledge in learning specialized core coursesafter learning foundationcourses. In teaching course transportphenomena and unitoperations for students majoring in chemical engineering subject, wefound that the epistemological thinking is more important anduseful. In this paper, the general epistemological traditionsofobjectivism, interpretivismand pragmatismare analysed. Each kind ofthe three epistemology is helpfulfor knowledge aquantance by itself, but on the other hand is harmful ifone goes to its extemity and absoluteness. The coupling and combination of the three epistemologicalthinking could be emphasized for a better performance inthe teaching processes.

Keywords: chemical engineering, epistemology,teaching study

 

目前,大学的教学过程愈发注重引导学生的主动学习,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(章节、课时)的学习目的。同时,教师更重要的责任在于理解并影响学生的学习过程,并据此组织教学内容和考核方式[1]。学生学习的过程往往很个性化,但都不免受知识信念的影响,如何看待知识的性质对于学习过程的影响很大。

在教育和心理学文献中存在三种主要的认识论取向[2]:客观主义(objectivism)认为现实独立于意识,知识应是在绝对意义上正确的,专业知识应能够客观地验证,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(interpretivism)认为现实世界的真相是由人的思想主观构建出来而不是客观唯一的,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”依据不仅包括了感性的经验,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)则居于两者之间,也可认为两者的超越,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达到的。

实用主义是大多数心理学家的工作哲学,客观主义更受到教育学家的青睐,解释主义在工程科学研究中则更为重要。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积极的意义,但片面强调任何一种认识论都会对学习形成不利影响。下面结合本课程的教学实践,分别对各种认识论传统进行分析,进而阐释教学过程需要关注的一些问题,并与同行探讨。

客观主义的分析

学生在学习《化工原理》之前,经历了中学和大学基础课程数理学习,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也都基于质量守恒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习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。

表1 化工单元中的守恒与平衡规律

操作单元

质量守恒规律

能量守恒主要规律

相关平衡

流体流动

连续性方程

柏努利方程

力平衡

传热

冷、热介质质量不变

热量衡算与传热速率

热平衡

吸收

操作线

温度变化趋势

气液相平衡

萃取

操作线

温度变化趋势

液液相平衡

精馏

操作线

再沸器、冷凝器负荷

汽液相平衡

气流干燥

气体用量

热消耗

热平衡

气固相平衡

更需要警惕某些学生(往往是优秀的学生)过于注重客观主义的知识标准,而陷于科学主义的误区。《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[3]。工程是运用科学原理、经验、判断和常识来造福人类的艺术,一种通过生产技术产品或系统以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。

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。某些复杂工程现象的,不能采用符合客观主义标准的科学理论直接分析,而需要采用的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。本文将在《化工原理》课程中涉及到的工程思维模式主要体现为近似和类似(类比)。

工程实际现象的相关因素纷杂,近似简化体现了的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、忽略了进口端效应,等;库特流用于描述狭缝中的流体流动忽略了两段的界面摩擦阻力;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,在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,相对容易接受由此所得结论。比较而言,教学中对类比方法需要做更多讲解阐释。

类比方法在人类工程实践的运用具有悠久历史,欧洲中世纪缺乏力学知识的情况下,主要依靠这种方法能够建造几十米高的教堂。对过程的物理本质和变量具有认识基础上,感性的尺度类比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,可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》课程内容的核心,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,将类似的其他领域的方法类比用于分析一些工程现象,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”,所导出摩擦系数方程的形式(具有开方和对数项)仍出现在各种版本的《化工原理》教科书中,如NikuradseKarman公式,以及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adaptorsinnovatorchampions,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champions,但自认为不过是“将已有知识移植应用到其他场合”的adaptors[4]。《化工原理》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想准备。

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Karman相似理论已经让位于N-S方程相关联的二阶模式,量纲分析曾经主导的许多工程放大也渐由CFD替代。

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,那么将不可能欣赏到山川壮美、湖泊秀丽的景色。旅游如此,学习中亦然。教学中引导学生避免有些细节末枝的对学习干扰,能够恰当地有所“不蹍”或“不知”,首先需要教师对课程的知识点的作用了然于心,同时,借助实用主义的认识论,以明确的目标问题可以帮助学生避开专业学习过程可能遭遇的雷区。

比如离心泵蜗壳内流动分析,首先要明确其目的在于得到一些机械因素对扬程影响的定性规律,而旋转流场中粘性流体的严格分析需要深厚的流体力学背景,远非《化工原理》学习中可以做到;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合适实际情况[5],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NikuradseKarman公式等摩擦系数方程之“所以然”。

《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习过程。

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,在《化工原理》中通常被归纳为设计型和操作性计算问题,教学中受到了普遍重视。学生在掌握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,通过例题讨论向学生介绍WankatOreovicz提出的工程计算问题思考步骤[6],以及Arnold Arons提出的十项批判性思考原则[1],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的自信心。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软件完成,但诸如ASPENPlus的使用也需要对单元原理和计算方法的理解。

第二方面问题是化工过程的定性判断,包括过程各种参量之间相互影响。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。而对于东方思维,更多需要借助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提供给学生去关注即可,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?”;也有些问题,如“复杂管路中各支路流量或不同位置压力的相互影响”,需要通过实例给予学生分析方法上的引导。

此外,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可以判断对概念的理解是否准确,对过程分析是否存在疏漏。解释问题可以包括诸如“边界层如何形成,其厚度受那些因素影响”之类的概念题,也可以包含“铺设一条输水管线,从水源地向1000米外的建筑物供水,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可一蹴而就。《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,知识的实用性需要基本概念、原理和方法的理解作为前提,功利色彩的实用主义必将导致“知识无用”。教育家B F Skinner的名言“Education is whatsurvives when what has been learned has been forgotten很好诠释了这一点。

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,这里提出《化工原理》教学过程中要注重三种认识论观点的融合运用。如图1所示,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了数学、物理课程内容的延伸,同时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,从学生的职业成长角度,应鼓励他们参与大学生创新实验和PRPParticipation in Reasearch Program,是我校针对本科生的研究项目计划)项目等科研活动中将解释主义的方法付诸实践,并在后续专业课程学习中注意从整体学科角度领会本课程知识的作用。

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1三种认识论传统的融合

 

依靠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,可以使避免避免进入被动认知和主观认知的学习境地,并强化学生的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,在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作为主线,传递原理讲解较少并缺乏与单元操作内容的有机融合[7],学生对诸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在“知其然不知其所以然”的程序认知模式。为此,今年的教学中采取两种教材[5,8]并行,传递内容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以及解释主义方法,帮助学生理解关联式之“所以然”。此外允许学生在闭卷考试时带入1A4小抄,免除其死记硬背的负担。

人们在主观认知模式下往往受到感觉或类似性误导,地球中心学说在欧洲得以盛行千年,显示主观认知思维模式的对人们的影响力。《化工原理》学习中对学生的主观认知判断要区别对待: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:“进口处后面流体一定会推着向前走,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[9]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,在课程教学的后期,学生对课程的内容特征和学习方法具有了一定认识之后,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,以提升学生从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。如下是笔者采用的部分大作业题目:

²圆管内流体流动的抛物线速度分布的需要什么前提?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,以及Buckingham-Reiner方程,即体积流量与流动阻力之间的关系。(客观主义角度的独立认知,难度系数1.0)

²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)

²煮水饺是沸腾传热过程。同时水的剧烈湍动(曳力)会导致水饺皮破裂,采用小火盖、敞开锅、间歇加入冷水,维持至皮馅熟并避免皮破裂。应用所学沸腾和其他传热原理,分析煮水饺过程中的技术如下问题:肉馅难熟、普通面粉煮易破裂,如何操作;冻饺子与手工即时煮的操作区别?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)

²长春市的民警零下20度严冬执勤的轮换时间为两个小时,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?需要对方提供或自行测定什么数据?(实用主义角度的关联认知,同时需要从客观主义角度运用非稳态传热知识,难度系数1.0)

²在电镀过程中,金属离子从稀电解液中流向旋转圆盘式电极的速率,一般是由离子到圆盘的扩散率来控制的。这个过程的变量包括:k = 传质系数,量纲L/tD = 扩散系数,量纲L2/td = 盘径,量纲La = 角速度,量纲1/tr = 密度,量纲M/L3m = 黏度,量纲M/Lt。试以这些变量导出一组无量纲参数并使kmD分别出现在不同的参数中。另外,对这个系统,应该如何采集和记录实验数据?(理解过程背景并运用量纲分析,实用主义角度的关联认知,难度系数0.95)

 

参考文献


  1. KenBain,明廷雄,彭汉良译. 如何成为卓越的大学教师[M]. 北京:北京大学出版社, 2007. Page 22,84.

  2. MP Driscoll,王小明等译. 学习心理学[M]. 上海:华东师范大学出版社, 2008. Page41.

  3. 李正,林风. 从工程的本质看工程教育的发展趋势[J]. 高等工程教育研究2007(2):19-25.

  4. ELCussler. The nature of chemical research[J]. Chem Eng Sci 1998, 53:1957-1961.

  5. 阎建民,刘辉. 化工传递过程导论[M]. 北京:科学出版社 2009 p106.

  6. Wankat,P C, and F S, Oreovicz. (1993). Teaching engineering[DB/OL]. New York:McGraw-Hill. https://engineering. purdue.edu/ChE/News_and_Events/Publications/teaching_engineering/index.html

  7. 阎建民, 肖文德.  化工原理教学中关于转子流量计和离心泵的讲解[J].化工高等教育  2014(1):90-93.

  8. 夏清, 贾绍义.  化工原理(2) [M].  天津大学出版社 2012.

  9. BarbaraA, Soloman, Richard M Felder. Index of Learning Styles Questionnaire[DB/OL]. http://www.engr.ncsu.edu/learningstyles/ilsweb.html




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