一、化學工程學及其與化學的關系
化學工程學是直接服務于化工生產及化工技術進步的一門近代工程科學。它誕生于20世紀初，已歷經近一百年的發(fā)展演變。從誕生至今，化學工程學一直與社會經濟中最活躍的泛化學工業(yè)密切聯(lián)系，極大推進了人類社會的工業(yè)化進程。自20世紀第二次世界大戰(zhàn)后，銅、鐵、水泥、石油化工和高分子工業(yè)推動了世界經濟的振興，其后多晶硅、有機硅產業(yè)、生物化工產業(yè)和納米材料合成技術持續(xù)支撐著世界科技和經濟的發(fā)展。即使是在后工業(yè)化社會的美國，泛化學工業(yè)仍是國民經濟的支柱產業(yè)。21世紀世界進入資源稀缺時代，經濟可持續(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，這些過程產業(yè)化都是以化學工程學為中心學科才有可能發(fā)展起來。
化學與化學工程學雖然分屬于理科與工科，但卻是緊密相關的兩個學科。當代化學家研究原子或單個分子在反應中的細節(jié)，可以在化學鍵斷裂或成鍵的飛秒(10-15秒)量級內，對化學反應選擇性進行解釋和控制，研究分子間作用力，解釋物質的相態(tài)、性能變化和相互作用，可為化學工程師提供有關化學反應的機理性解釋。不僅如此，化學家已突破分子層次藩籬，向高分子、大分子組裝邁進，對信息化學的探究也正向產業(yè)化延伸。化學工程學家研發(fā)大規(guī)模合成新物質的過程，對非線性、強耦合的多變量巨系統(tǒng)進行解析和優(yōu)化設計與控制。當代化學工程學家需要了解物質微觀結構和合成反應的瞬態(tài)過程，從市場需求出發(fā)，設定即將開發(fā)產品的特性，根據(jù)物質結構與性能的關系，尋找合成的目標產物，使化工研究向更為機理與實用的雙方向延伸，將化學家的重要研究成果轉化為生產力�；瘜W與化學工程學的貫通和相互作用是新時代的需要�；瘜W與化工學科領域的交叉要求學生必須具有融合從分子水平的化學到大規(guī)模制備工程科學的寬闊視野和能力。
二、化學工程學的學科范式
對學科范式(Paradigm)的討論十分重要，它決定著學科的價值觀和內涵，關系到學科創(chuàng)新方向、新的生長點和交叉擴張，影響到學科的吸引力和生命力，關系到核心課程、輔助課程和延伸課程之間的配置，其內容深度、廣度以及它們的內在聯(lián)系等，還會影響教學手段的組織和運用。
1.1915年，美國學者Little提出“單元操作”概念。1921年美國麻省理工學院(MIT)組建世界第一個化工系，決定把機械系的流體力學、傳熱學和化學系的熱力學、動力學、擴散、混合等核心內容加合，確立了“化工單元操作”課程的理論體系。從此化學知識向工程延伸得以完成，標志著化學工程學科的誕生。這是化學工程學范式的第一階段，可稱為單元操作階段。
2.1957年歐洲第一屆化學反應工程學會議界定了化學反應工程學的學科范疇、研究方法等，完成了化學工程科學向動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和反應工程即“三傳一反”的新范式演變，為20世紀60—70年代石油化學工業(yè)的蓬勃發(fā)展奠定了基礎�？煞Q為化學工程學范式的第二階段。
3.自20世紀中葉以來，化學工業(yè)規(guī)模迅速擴大，計算機技術的融入使多變量、強耦合的大系統(tǒng)分析在化工中大量使用，生物化工等學科邊界不斷擴展，孕育出多種具有突破意義的化學工程學新范式。第三階段范式有如下幾種不同表達方式：
(1)“產品工程”范式：美國韋潛光教授提出第三階段范式應跳出原有“過程工程”的藩籬，定義為“產品工程”，以產品性能和物質結構的關系及其產品設計和制造作為主要特征。把“過程工程”與“產品工程”相結合，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：中國科學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”范式：清華大學根據(jù)化工的研究對象已涉及“物質-能量-信息”三要素的相互作用，提出以“物質傳遞與轉化”，“能量傳遞與轉化”和“信息傳遞與轉化”的“三傳三轉”為新范式。物質傳遞包括分子擴散、湍流擴散及流體流動等過程，物質轉化包括分子水平的化學反應、超分子間結構的構造與轉化、生物分子的代謝與融合等過程。能量傳遞包括動能傳遞、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，能量轉化包括不同能量形式之間的轉化。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。信息傳遞與轉化同物質和能量傳遞與轉化的優(yōu)化過程密切關聯(lián)。以“物質-能量-信息”三要素相互作用為化學工程科學的基礎，是化學工程學區(qū)別于其他工程科學的本質特征。
三、化學工程教育現(xiàn)狀
在明確了化學工程學的范式以后，可以看出，化學工程教育能夠激勵學生們的事業(yè)心，因為化工是人們衣、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)造巨大財富的寬闊領域。化學工程教育也可滿足學生們的好奇心，對有志于學問的年輕人，可以介入最前沿學科，在生物化工、納米化工技術、再生能源技術、新一代信息材料、非平衡非線性巨系統(tǒng)的數(shù)學應用等科技領域有所作為。
德國化學工業(yè)協(xié)會(DECHEMA)對幾十個國家的大量化工專業(yè)人員調查統(tǒng)計顯示，美國認為學習化工有很高愉悅度的人占95%，而在中國認為學習化工不愉悅的人卻高達33%。這一調查結果不能不引起我們的關注。由于多方面的原因，造成了不少中國家長和學生對化學工業(yè)等實體經濟領域認知的妖魔化和對虛體經濟的盲目追求，嚴重妨礙了最優(yōu)素質的中學生進入這些領域。這種錯誤認識必須澄清，才能防止長此以往對我國經濟發(fā)展造成的負面影響。
同時，我們也注意到當前我國的化學工程教育呈現(xiàn)出與工程漸行漸遠的態(tài)勢。其根本原因有兩點：其一，教師工程背景削弱。大量青年博士和碩士進入教師隊伍，對提高教師隊伍的學術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踐經驗，在SCI論文、引用因子等適用于理科的評價指標的指揮下，大量工科教師的科研選題容易偏向于基礎理論、偏向于軟課題，實踐性、工程性研究課題數(shù)量顯著下降，而他們的基礎性研究成果又難于找到工程應用轉化的機會。其二，工程教育體系弱化。由于實習經費、安全等原因，化工學科學生的工廠認識實習和生產實習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“工程實踐”漸行漸遠。急需建立一種機制，使這一現(xiàn)象得到實質改變。
四、以跨學科教育思維構建化學工程學科的教育體系
著名的哈佛大學一貫的教學理念是著力于培養(yǎng)引領世界、具有國際視野的各界領袖人物。但是在哈佛大學越來越有名氣的同時，校方卻感到他們的學生越來越失去靈魂作用。其自省的結果是哈佛大學自從20世紀70年代起執(zhí)行的核心課程制過于集中于學術專論，忽視現(xiàn)實問題，致使專業(yè)設置內容越來越趨向專門化，而大學畢業(yè)生面對的卻是要應對越來越寬泛、綜合、涉及多種領域的復雜的命題。前車之鑒，后車之緣。為了徹底扭轉我國當前化學工程教育遠離工程、化工專業(yè)學生學習興趣低的現(xiàn)狀，我們主張在對人的培養(yǎng)理念上堅持“綜合性、選擇性、基礎性、靈活性”原則，在廣泛普及化學工程學科內涵及作用正確認識的基礎上，以跨學科教育思維構建新的化學工程學科教育體系，并給予足夠的政策保障。
當前振興化學工程教育的根本是扭轉中國社會對化工的不正確認識，說明它的學科基礎是根植于化學、物理、生物的交叉部，研究涉及“物質一能量一信息”這三個重要元素，它是在人類社會進入自然資源稀缺時代、面臨嚴重的可持續(xù)發(fā)展問題時，對解決資源、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的學科之一。
愛因斯坦曾經說過：交叉組合作用似乎是創(chuàng)造性思維的本質特征。通過跨學科的教學和科研模式，可打破學科間隔絕和壁壘，從不同學科視角，研究闡明某一課題的全貌，才能克服基礎知識與實踐脫節(jié)的問題。特別是對于化學工程學科輻射到煉油、化工、冶金、建材、制藥、生物化工等許許多多工業(yè)領域，跨學科教育更有著關鍵的作用。
關于跨學科課程設置，密歇根大學曾提出以下形式：(1)合作課程：不同學科領域的教師共同選題、組織和講授同一命題的不同側面;(2)整合講授：通過頂層策劃、協(xié)調不同的課程以相互貫通的思路分工講授;(3)協(xié)同式課程：兩門或以上的獨立但相關課程同步講授，不同視角，定期共同研討、整合、交流;(4)階梯式課程：深度不同，可能是相互為先導課程，可以分時段講授，達到整體躍升;(5)綜合式課程：設計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。使學生關注社會、國家和國際面臨的迫切課題，具有社會責任感，提高學生分析和論證實際問題及解決這些問題的能力。
借鑒國際做法并加以創(chuàng)新，清華大學化工系開設了一門面向全校學生的“資源·能源·環(huán)境·社會”選修課，由中國工程院院士金涌和荷蘭皇家科學院院士Arons共同主講，從社會科學、自然科學和工程科學等多學科出發(fā)，研究資源、能源、環(huán)境和社會發(fā)展等領域影響可持續(xù)發(fā)展的具體問題，探討化工與其他學科合作所可能提供的解決方案，既與現(xiàn)實社會問題密切相關，又有一定的基礎科學深度。一反傳統(tǒng)的“單學科理論演繹式”教育的模式，對學生進行“多學科問題分析式”的教育，關注學科之間的非線性強交聯(lián)，注重向學生展示基礎資料，培養(yǎng)獨立思考能力，分析和歸納出其中的問題并探討不同的解決途徑，而不是給出標準答案。將學生直接置于宏大的科學、工程和社會發(fā)展的歷史長河中，直接感受一流工程科學家的眼界、胸襟與智慧，這對于學生樹立科學發(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。事實上，該課程的設立對于宣傳現(xiàn)代化工、促進學科交叉也起到了非常好的作用，其中近半數(shù)的學生來自除化工外的理、工、社科等多個專業(yè)，是學科交叉教育模式的一個嘗試。
21世紀世界進入資源、能源短缺的時代，社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，特別是我國提出轉變經濟發(fā)展模式，需要化學與化工學科的發(fā)展才能解決由國家提出的節(jié)約資源對保護自然生態(tài)環(huán)境的任務。為此，化工教育首先要端正學生和家長對化工產生的片面認識。現(xiàn)代化學工程教育內容既應跨越和涵蓋整個化學和化工領域，融合從分子水平的化學到大規(guī)模制各工程科學的寬闊視野，也仍要重視工程教育的特征，強化工程實踐環(huán)節(jié);正確認識化學工程的學科范式和內涵，探討化工與其他學科的跨學科交叉，并落實到教學實踐中，培養(yǎng)學生解決復雜問題的能力，完成化學工程教育的歷史任務。
來源：精品學習網
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