化學(xué)工程學(xué)與化學(xué)工程教育

金　涌　王　垚

一、化學(xué)工程學(xué)及其與化學(xué)的關(guān)系

化學(xué)工程學(xué)是直接服務(wù)于化工生產(chǎn)及化工技術(shù)進(jìn)步的一門近代工程科學(xué)。它誕生于20世紀(jì)初，已歷經(jīng)近一百年的發(fā)展演變。從誕生至今，化學(xué)工程學(xué)一直與社會(huì)經(jīng)濟(jì)中最活躍的泛化學(xué)工業(yè)密切聯(lián)系，極大推進(jìn)了人類社會(huì)的工業(yè)化進(jìn)程。自20世紀(jì)第二次世界大戰(zhàn)后，銅、鐵、水泥、石油化工和高分子工業(yè)推動(dòng)了世界經(jīng)濟(jì)的振興，其后多晶硅、有機(jī)硅產(chǎn)業(yè)、生物化工產(chǎn)業(yè)和納米材料合成技術(shù)持續(xù)支撐著世界科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。即使是在后工業(yè)化社會(huì)的美國(guó)，泛化學(xué)工業(yè)仍是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。21世紀(jì)世界進(jìn)入資源稀缺時(shí)代，經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的核心問題是資源高效利用、循環(huán)利用，能源優(yōu)化利用和可再生能源開發(fā)，環(huán)境和生態(tài)污染的源頭防治，這些過程產(chǎn)業(yè)化都是以化學(xué)工程學(xué)為中心學(xué)科才有可能發(fā)展起來。

化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)雖然分屬于理科與工科，但卻是緊密相關(guān)的兩個(gè)學(xué)科。當(dāng)代化學(xué)家研究原子或單個(gè)分子在反應(yīng)中的細(xì)節(jié)，可以在化學(xué)鍵斷裂或成鍵的飛秒(10^-15秒)量級(jí)內(nèi)，對(duì)化學(xué)反應(yīng)選擇性進(jìn)行解釋和控制，研究分子間作用力，解釋物質(zhì)的相態(tài)、性能變化和相互作用，可為化學(xué)工程師提供有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理性解釋。不僅如此，化學(xué)家已突破分子層次藩籬，向高分子、大分子組裝邁進(jìn)，對(duì)信息化學(xué)的探究也正向產(chǎn)業(yè)化延伸?；瘜W(xué)工程學(xué)家研發(fā)大規(guī)模合成新物質(zhì)的過程，對(duì)非線性、強(qiáng)耦合的多變量巨系統(tǒng)進(jìn)行解析和優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制。當(dāng)代化學(xué)工程學(xué)家需要了解物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和合成反應(yīng)的瞬態(tài)過程，從市場(chǎng)需求出發(fā)，設(shè)定即將開發(fā)產(chǎn)品的特性，根據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，尋找合成的目標(biāo)產(chǎn)物，使化工研究向更為機(jī)理與實(shí)用的雙方向延伸，將化學(xué)家的重要研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力?；瘜W(xué)與化學(xué)工程學(xué)的貫通和相互作用是新時(shí)代的需要?；瘜W(xué)與化工學(xué)科領(lǐng)域的交叉要求學(xué)生必須具有融合從分子水平的化學(xué)到大規(guī)模制備工程科學(xué)的寬闊視野和能力。

二、化學(xué)工程學(xué)的學(xué)科范式

對(duì)學(xué)科范式(Paradigm)的討論十分重要，它決定著學(xué)科的價(jià)值觀和內(nèi)涵，關(guān)系到學(xué)科創(chuàng)新方向、新的生長(zhǎng)點(diǎn)和交叉擴(kuò)張，影響到學(xué)科的吸引力和生命力，關(guān)系到核心課程、輔助課程和延伸課程之間的配置，其內(nèi)容深度、廣度以及它們的內(nèi)在聯(lián)系等，還會(huì)影響教學(xué)手段的組織和運(yùn)用。

1．1915年，美國(guó)學(xué)者Little提出“單元操作”概念。1921年美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)組建世界第一個(gè)化工系，決定把機(jī)械系的流體力學(xué)、傳熱學(xué)和化學(xué)系的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、擴(kuò)散、混合等核心內(nèi)容加合，確立了“化工單元操作”課程的理論體系。從此化學(xué)知識(shí)向工程延伸得以完成，標(biāo)志著化學(xué)工程學(xué)科的誕生。這是化學(xué)工程學(xué)范式的第一階段，可稱為單元操作階段。

2．1957年歐洲第一屆化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)會(huì)議界定了化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的學(xué)科范疇、研究方法等，完成了化學(xué)工程科學(xué)向動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和反應(yīng)工程即“三傳一反”的新范式演變，為20世紀(jì)60—70年代石油化學(xué)工業(yè)的蓬勃發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?？煞Q為化學(xué)工程學(xué)范式的第二階段。

3．自20世紀(jì)中葉以來，化學(xué)工業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大，計(jì)算機(jī)技術(shù)的融入使多變量、強(qiáng)耦合的大系統(tǒng)分析在化工中大量使用，生物化工等學(xué)科邊界不斷擴(kuò)展，孕育出多種具有突破意義的化學(xué)工程學(xué)新范式。第三階段范式有如下幾種不同表達(dá)方式：

(1)“產(chǎn)品工程”范式：美國(guó)韋潛光教授提出第三階段范式應(yīng)跳出原有“過程工程”的藩籬，定義為“產(chǎn)品工程”，以產(chǎn)品性能和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系及其產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造作為主要特征。把“過程工程”與“產(chǎn)品工程”相結(jié)合，作為范式似乎是更為全面的創(chuàng)新思路，但從形式上比較，與第一、第二階段范式的延續(xù)性較差。

(2)“三傳一反+X”范式：中國(guó)科學(xué)院院士郭慕孫教授建議保留新范式與第一階段、第二階段范式概念的延續(xù)性，提出第三階段范式應(yīng)是“三傳一反+X”，其中X是待定的、可變的和形成中的要素。

(3)“三傳三轉(zhuǎn)”范式：清華大學(xué)根據(jù)化工的研究對(duì)象已涉及“物質(zhì)－能量－信息”三要素的相互作用，提出以“物質(zhì)傳遞與轉(zhuǎn)化”，“能量傳遞與轉(zhuǎn)化”和“信息傳遞與轉(zhuǎn)化”的“三傳三轉(zhuǎn)”為新范式。物質(zhì)傳遞包括分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散及流體流動(dòng)等過程，物質(zhì)轉(zhuǎn)化包括分子水平的化學(xué)反應(yīng)、超分子間結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與轉(zhuǎn)化、生物分子的代謝與融合等過程。能量傳遞包括動(dòng)能傳遞、熱能傳遞及各種形式能量(如光能、微波、超聲、等離子化等)的引入與輸出，能量轉(zhuǎn)化包括不同能量形式之間的轉(zhuǎn)化。信息傳遞包括化工操作中多變量的信息收集、篩選和剔除，信息轉(zhuǎn)化包括各種物流參數(shù)的處理、優(yōu)化、信息反饋等。信息傳遞與轉(zhuǎn)化同物質(zhì)和能量傳遞與轉(zhuǎn)化的優(yōu)化過程密切關(guān)聯(lián)。以“物質(zhì)－能量－信息”三要素相互作用為化學(xué)工程科學(xué)的基礎(chǔ)，是化學(xué)工程學(xué)區(qū)別于其他工程科學(xué)的本質(zhì)特征。

三、化學(xué)工程教育現(xiàn)狀

在明確了化學(xué)工程學(xué)的范式以后，可以看出，化學(xué)工程教育能夠激勵(lì)學(xué)生們的事業(yè)心，因?yàn)榛な侨藗円?、食、住、行、視、聽、享受生活的各方面須臾不可離開的，是可以成就大事業(yè)、創(chuàng)造巨大財(cái)富的寬闊領(lǐng)域。化學(xué)工程教育也可滿足學(xué)生們的好奇心，對(duì)有志于學(xué)問的年輕人，可以介入最前沿學(xué)科，在生物化工、納米化工技術(shù)、再生能源技術(shù)、新一代信息材料、非平衡非線性巨系統(tǒng)的數(shù)學(xué)應(yīng)用等科技領(lǐng)域有所作為。

德國(guó)化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)(DECHEMA)對(duì)幾十個(gè)國(guó)家的大量化工專業(yè)人員調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示，美國(guó)認(rèn)為學(xué)習(xí)化工有很高愉悅度的人占95％，而在中國(guó)認(rèn)為學(xué)習(xí)化工不愉悅的人卻高達(dá)33％。這一調(diào)查結(jié)果不能不引起我們的關(guān)注。由于多方面的原因，造成了不少中國(guó)家長(zhǎng)和學(xué)生對(duì)化學(xué)工業(yè)等實(shí)體經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域認(rèn)知的妖魔化和對(duì)虛體經(jīng)濟(jì)的盲目追求，嚴(yán)重妨礙了最優(yōu)素質(zhì)的中學(xué)生進(jìn)入這些領(lǐng)域。這種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)必須澄清，才能防止長(zhǎng)此以往對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成的負(fù)面影響。

同時(shí)，我們也注意到當(dāng)前我國(guó)的化學(xué)工程教育呈現(xiàn)出與工程漸行漸遠(yuǎn)的態(tài)勢(shì)。其根本原因有兩點(diǎn)：其一，教師工程背景削弱。大量青年博士和碩士進(jìn)入教師隊(duì)伍，對(duì)提高教師隊(duì)伍的學(xué)術(shù)水平起了很好的作用。但是許多青年工科教師缺乏必要的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在SCI論文、引用因子等適用于理科的評(píng)價(jià)指標(biāo)的指揮下，大量工科教師的科研選題容易偏向于基礎(chǔ)理論、偏向于軟課題，實(shí)踐性、工程性研究課題數(shù)量顯著下降，而他們的基礎(chǔ)性研究成果又難于找到工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化的機(jī)會(huì)。其二，工程教育體系弱化。由于實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)、安全等原因，化工學(xué)科學(xué)生的工廠認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)越來越流于表面形式，有的甚至被大幅度壓縮或砍掉，促使“工程教育”與“工程實(shí)踐”漸行漸遠(yuǎn)。急需建立一種機(jī)制，使這一現(xiàn)象得到實(shí)質(zhì)改變。

四、以跨學(xué)科教育思維構(gòu)建化學(xué)工程學(xué)科的教育體系

著名的哈佛大學(xué)一貫的教學(xué)理念是著力于培養(yǎng)引領(lǐng)世界、具有國(guó)際視野的各界領(lǐng)袖人物。但是在哈佛大學(xué)越來越有名氣的同時(shí)，校方卻感到他們的學(xué)生越來越失

去靈魂作用。其自省的結(jié)果是哈佛大學(xué)自從20世紀(jì)70年代起執(zhí)行的核心課程制過于集中于學(xué)術(shù)專論，忽視現(xiàn)實(shí)問題，致使專業(yè)設(shè)置內(nèi)容越來越趨向?qū)ｉT化，而大學(xué)畢業(yè)生面對(duì)的卻是要應(yīng)對(duì)越來越寬泛、綜合、涉及多種領(lǐng)域的復(fù)雜的命題。前車之鑒，后車之緣。為了徹底扭轉(zhuǎn)我國(guó)當(dāng)前化學(xué)工程教育遠(yuǎn)離工程、化工專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低的現(xiàn)狀，我們主張?jiān)趯?duì)人的培養(yǎng)理念上堅(jiān)持“綜合性、選擇性、基礎(chǔ)性、靈活性”原則，在廣泛普及化學(xué)工程學(xué)科內(nèi)涵及作用正確認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，以跨學(xué)科教育思維構(gòu)建新的化學(xué)工程學(xué)科教育體系，并給予足夠的政策保障。

當(dāng)前振興化學(xué)工程教育的根本是扭轉(zhuǎn)中國(guó)社會(huì)對(duì)化工的不正確認(rèn)識(shí)，說明它的學(xué)科基礎(chǔ)是根植于化學(xué)、物理、生物的交叉部，研究涉及“物質(zhì)一能量一信息”這三個(gè)重要元素，它是在人類社會(huì)進(jìn)入自然資源稀缺時(shí)代、面臨嚴(yán)重的可持續(xù)發(fā)展問題時(shí)，對(duì)解決資源、能源、環(huán)境問題有不可替代的作用，并為之可作出最大貢獻(xiàn)的學(xué)科之一。

愛因斯坦曾經(jīng)說過：交叉組合作用似乎是創(chuàng)造性思維的本質(zhì)特征。通過跨學(xué)科的教學(xué)和科研模式，可打破學(xué)科間隔絕和壁壘，從不同學(xué)科視角，研究闡明某一課題的全貌，才能克服基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)踐脫節(jié)的問題。特別是對(duì)于化學(xué)工程學(xué)科輻射到煉油、化工、冶金、建材、制藥、生物化工等許許多多工業(yè)領(lǐng)域，跨學(xué)科教育更有著關(guān)鍵的作用。

關(guān)于跨學(xué)科課程設(shè)置，密歇根大學(xué)曾提出以下形式：(1)合作課程：不同學(xué)科領(lǐng)域的教師共同選題、組織和講授同一命題的不同側(cè)面；(2)整合講授：通過頂層策劃、協(xié)調(diào)不同的課程以相互貫通的思路分工講授；(3)協(xié)同式課程：兩門或以上的獨(dú)立但相關(guān)課程同步講授，不同視角，定期共同研討、整合、交流；(4)階梯式課程：深度不同，可能是相互為先導(dǎo)課程，可以分時(shí)段講授，達(dá)到整體躍升；(5)綜合式課程：設(shè)計(jì)可供有共同興趣的不同系、不同專業(yè)采用的選修課，也可通過研討式授課。使學(xué)生關(guān)注社會(huì)、國(guó)家和國(guó)際面臨的迫切課題，具有社會(huì)責(zé)任感，提高學(xué)生分析和論證實(shí)際問題及解決這些問題的能力。

借鑒國(guó)際做法并加以創(chuàng)新，清華大學(xué)化工系開設(shè)了一門面向全校學(xué)生的“資源·能源·環(huán)境·社會(huì)”選修課，由中國(guó)工程院院士金涌和荷蘭皇家科學(xué)院院士Arons共同主講，從社會(huì)科學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)等多學(xué)科出發(fā)，研究資源、能源、環(huán)境和社會(huì)發(fā)展等領(lǐng)域影響可持續(xù)發(fā)展的具體問題，探討化工與其他學(xué)科合作所可能提供的解決方案，既與現(xiàn)實(shí)社會(huì)問題密切相關(guān)，又有一定的基礎(chǔ)科學(xué)深度。一反傳統(tǒng)的“單學(xué)科理論演繹式”教育的模式，對(duì)學(xué)生進(jìn)行“多學(xué)科問題分析式”的教育，關(guān)注學(xué)科之間的非線性強(qiáng)交聯(lián)，注重向?qū)W生展示基礎(chǔ)資料，培養(yǎng)獨(dú)立思考能力，分析和歸納出其中的問題并探討不同的解決途徑，而不是給出標(biāo)準(zhǔn)答案。將學(xué)生直接置于宏大的科學(xué)、工程和社會(huì)發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，直接感受一流工程科學(xué)家的眼界、胸襟與智慧，這對(duì)于學(xué)生樹立科學(xué)發(fā)展觀、培養(yǎng)化工志趣是非常重要的，也是解決前面的化工教育困境的有效方式。事實(shí)上，該課程的設(shè)立對(duì)于宣傳現(xiàn)代化工、促進(jìn)學(xué)科交叉也起到了非常好的作用，其中近半數(shù)的學(xué)生來自除化工外的理、工、社科等多個(gè)專業(yè)，是學(xué)科交叉教育模式的一個(gè)嘗試。

21世紀(jì)世界進(jìn)入資源、能源短缺的時(shí)代，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，特別是我國(guó)提出轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，需要化學(xué)與化工學(xué)科的發(fā)展才能解決由國(guó)家提出的節(jié)約資源對(duì)保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境的任務(wù)。為此，化工教育首先要端正學(xué)生和家長(zhǎng)對(duì)化工產(chǎn)生的片面認(rèn)識(shí)。現(xiàn)代化學(xué)工程教育內(nèi)容既應(yīng)跨越和涵蓋整個(gè)化學(xué)和化工領(lǐng)域，融合從分子水平的化學(xué)到大規(guī)模制各工程科學(xué)的寬闊視野，也仍要重視工程教育的特征，強(qiáng)化工程實(shí)踐環(huán)節(jié)；正確認(rèn)識(shí)化學(xué)工程的學(xué)科范式和內(nèi)涵，探討化工與其他學(xué)科的跨學(xué)科交叉，并落實(shí)到教學(xué)實(shí)踐中，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力，完成化學(xué)工程教育的歷史任務(wù)。

責(zé)任編輯：余大品