工程技术类课程教学中注重科学研究方法论的教育

工程技术类课程教学中注重科学研究方法论的教育
摘要：工程技术类课程在教学内容、性质、任务等方面有其自身的特点。

该类课程的内容性质是利用自然科学原理研究实际工程问题的客观规律，并利用这些规律进行工业过程设计、工艺计算、设备构造设计等。

笔者就在工程技术课程的教学中注重科学研究方法论的教育，结合自身的教学谈具体做法和认识。

关键词：工程技术类课程；化工原理；工程研究；方法论
高等教育的特点具有科学理论的系统性和科学技术知识的专业性。

在高等教育中实施对于人才的素质教育是现代教育的核心。

实施素质教育不是抽象的概念，而应有具体的行动，必须落到实处。

素质教育的效果具体体现在学生所接受到的知识和能力上，而教师讲解科学知识过程的教学方法直接决定着这一效果。

工程技术基础类课程是架设于科学理论基础课和专业技术课之间的“桥梁”课程。

讲授工程技术类课程时，如何引导学生学会合理利用基础理论知识，技巧性地分析和解决复杂的工程实际问题，培养学生科学的思维意识和能力，应该是评价授课质量的关键。

在化学工程与工艺专业的教学培养计划中，化工原理课程是重要的化工技术基础课程之一。

笔者结合化工原理这门课程的内容性质特点，讲授这门课程的过程中，通过融入科学研究的方法论，有意识地将知识传授、能力培养、素质教育融为一体，谈些体会和认识。

一、工程技术类课程的性质与作用
工程技术是以科学理论为基础的，应用是学习的目的。

工程技术类课程的中心任务，是利用自然科学原理研究工程实际问题的客观规律，并利用这些规律进行工业过程设计、工艺计算、设备构造设计等。

尤其是工程技术基础类课程是架设于基础课和专业技术课之间的“桥梁”课程。

基础课程一般都是描述的纯理论性问题，矛盾单一，条件严密，结论明确。

工程技术基础类课程研究内容为工程实际问题，多数这类的问题中存在着错综复杂的矛盾，一般很难采用某一种简单的科学理论进行描述。

例如，化工原理这一工程技术课程是研究化学工程中的各种单元操作的客观规律，并利用这些规律进行化工设计计算和设备计算。

流体流动、传热、吸收、精馏、萃取、干燥等为最常用的化工单元操作。

要研究这些单元操作，首先应该深刻剖析各单元操作的本质及特征，分析其共性和个性。

发生传递现象是各种单元操作的共性，也是联系各单元操作的一条主线。

无论发生哪种特征量的传递，其传递的机理均归结为两方面的原因：(1)物质分子扩散；(2)流体微团之间的对流。

因此，研究这三类传
递的方法必然有着相似性，或者说存在着某种内在的联系。

研究各种传递过程的方法论，又是联系各单元操作的另一条主线。

对课程内容及性质的深刻剖析是合理划分教学知识点，计划讲课时的重点、难点，采用合适的讲解方法的基础。

二、工程技术类课程教学中融入科学思维方法教育的必然性
工程技术类课程的内容性质，最突出的特点是理论与实践相结合，工程技术的发展过程恰好反映了人类认识的发展过程。

要进行一种工程技术的讲解，诚然，研究所得到的结果成就很重要，但是，教师教学的职责不能对学生仅授之以鱼，更重要的是要授之以渔，让学生不仅要知其然，更要知其所以然。

化学工程中的技术问题复杂程度不等，其中的某些问题在忽略了一些次要因素的条件下，可以引用数学、物理和化学的基本概念定理进行数理分析描述。

例如，化工原理课程，分析圆管内牛顿型流体层流流动管截面上的速度分布的规律时，可以引用牛顿第二定律和牛顿粘性定律来分析问题，得到了在管截面上剪应力的分布规律(随半径增大，剪应力成线性增加)、流速的分布规律(随半径增大，流速成二次曲线关系减小)。

并且，根据对于问题的全面深刻认识，管截面上剪应力的分布规律可以拓展到任何流动形态、任何类型的流体上。

稳定的热传导、稳定的分子扩散质量传递是相类似的分析思路。

化学工程中的某些复杂技术问题，矛盾错综复杂，难以利用单一的物理概念和方法进行描述。

例如，管内流体湍流流动时的机械能损失问题；流体穿流过固定颗粒层时的机械能损失问题，都是非常典型的复杂技术问题。

处理这类复杂的实际工程问题时，量纲分析方法和数学模型方法是两种典型的方法。

1.量纲分析法
该方法即为传统的实验研究方法(或称经验研究方法)，直接通过实验考察所研究问题中各变量之间的联系。

但是，如果实验工作必须遍及各种尺寸的设备和各种不同的物料的话，那么这样的实验将不胜其烦，而且失去了实验的指导意义。

因此，必须建立实验研究的方法论，使实验结果在物料品种方面能“由此及彼”，在几何尺寸上能“由小见大”。

在实验研究方法中，因次理论和л定理对于科学地设计实验，减少试验次数，起到了非常有益的指导作用。

因次分析方法是对于所研究的问题具有一定的经验基础之上，能够比较全面而准确的寻找出影响工程问题的诸因素的条件下开始进行研究。

该方法不去剖析问题的本质，而是将问题视作一“黑箱”，只关注其输出量与各种输入变量，研究目的是获得输出量与各种输入变量的函数关系。

将所要研究的未知函数设成幂函数的形式，并非直接组织实验，而是利用因次理论和л定理的理论指导，尽可能地减少实验自变量个数，经
过分析演绎，得到无因次准数的关联式，在此基础之上，再通过实验明确所研究的函数关系式。

2.数学模型方法
数学模型方法又称为半理论半经验方法。

化工技术问题的研究成果发展到一定程度的基础上，人们遇到新的技术问题时总善于同相关的问题联系起来考虑，并尽量引用已有的基础理论和研究成果，在对所研究问题深刻理解的基础上，在保持所研究目标函数值等效的前提下，将复杂的真实问题进行合理的简化，转变为可以利用已有数学公式进行描述的简单问题。

这就是数学模型方法的思维方法。

要保持所研究目标函数值等效，最关键的是在复杂问题简化的过程中，一定要保持问题的本质不变，决定研究问题的关键就在于此步骤，即得到一个足够简单、可用数学方程式描述的又不失真的物理模型。

所谓不失真，并不是要求模型与原型在每个方面都维妙维肖(如是这样，则根本没有简化的余地)，而是要求问题的本质不变，关键变量具有可替代性，对于所研究的目标函数值，简化后的物理模型与真实原型要等效。

显然，要做到这一点，必须对于问题的内在规律，特别是决定所研究目标函数值的本质因素有着深刻的理解。

数学模型方法直接正视所研究问题，是基于对所研究问题的深刻剖析、深刻认识的基础之上的，在由复杂真实原型，简化为等效的物理模型的过程中，既要根据相关的基础理论知识，又要具有全面而深刻的分析判断问题的能力，尤其要具有创新性思维的能力。

总之，数学模型方法从思维方式土来说是具有创造性的方法，合理简化的物理模型的建立是创造性思维的产物。

该方法中充分利用已有基础理论的严密性，又根据实验进行模型参数的确定及模型检验，显示了其科学实用性，具有明显的优越性及发展潜力。

这两种典型的方法各有其特点，是工程复杂问题研究中最常应用的思维方法。

在工程技术课程的教学中，应结合具体的实例，将这两种研究方法的基本思想、思维步骤、思维特点进行系统的分析阐述。

诚然，随着人们认识思维能力及水平的提高，新的思维方式会不断产生出来。

教师要成为人类灵魂的工程师，首先应该是一个思想家，对于研究开发新的认识方法，探索科学思维模式，并且及时传授于学生，是义不容辞的职责，每位教师应努力去做，并且尽力做好。

三、工程技术类课程教学中融入科学研究方法论教育的实施对策
在工程技术类课程的教学中融入科学研究方法论的教育并无明确的一成不
变的做法，不同的课程可以有不同的组织结构和传授重点，不同的传授视角和传授方式。

笔者建议从如下几方面入手。

1.将科学研究方法论和科技发展史纳入工程技术课程教学内容之中
每个工程技术领域都有自己的发展历史和研究方法，将其领域的知识、方法及技术发展历史结合起来，建立综合性的课程结构，确定共同的学术目标，可以将科学与社会、知识与责任、专业与历史练习起来，给学生更加广阔的视野，促使学生对那些在人类发展进程中起过重大作用的科学思想，从学科起源、发展及其社会应用价值等角度进行思考和理解。

2.注重在探究和应用知识的过程中培养科学精神
探究知识和应用知识的过程本身就是一种学习，对于学生来说其过程比结果更为重要。

把科学看做一种动态的活动，把科学活动的结果(知识)和探究科学活动的过程(研究)有机地统一起来，把科学真理和求真过程有机地统一起来，能够使学生更深切地认识科学真谛，从更广泛的人类活动背景上把握科学本质，培养科学的品格和社会责任感。

3.教师授课过程中突出科学思维方法论
教师授课时明显会表现出知识讲解的方法和科学知识研究的思维方法。

在选择采用何种教学方法进行讲课时，应首先对教学的内容作细致的分析。

一般来说，讲课内容分为讲解性的内容和讲述性的内容。

对于讲解性的内容，在做好前提条件铺垫的基础上，引用有关理论和数学公式，进行层次分明的逻辑推理，引导学生进行逻辑思维，这个过程正是引导学生应用基础理论知识，善于分析问题和解决问题，进行能力培养的过程。

当然，应精心选择最重要、最有意义的内容采取这样的教学方法，例如，化工原理课程中，结合管内流体湍流流动时阻力损失的研究问题，讲解“实验研究方法”的基本思想和方法步骤；结合滤液穿过滤饼层阻力损失的研究问题，讲解“数学模型方法”。

对各单元操作中，从有关的基本理论、基本公式，逐步应用到描述实际工程问题，并分析演绎出解决实际工程问题的数学公式。

该过程中，主要是讲解，穿插一些叙述和讲述。

在引出有关的基本理论和基本数学公式时，在叙述已知的相关问题时，在讲述内容中遇到应联想到或想象到的相关问题时，应采用启发式方法，让学生回想和思考，请学生讲话描述或表达观点，采用互动式思维与交流。

当基本公式的应用掌握后，列举综合性强的例题。

在例题分析时，层层剖析，逐步启发。

4.教师应加强自身人文知识和科学研究方法论意识
科学知识中蕴涵着丰富的人文资源，并非人人都能看到并将其发掘出来。

没有敏锐的科学研究意识，只能是视而不见或者心有余而力不足。

教师应加强自身的人文知识学习和自然辨证法理论知训的学习，树立科学研究方法论意识。

改变那种狭隘的工程专业课程教学模式，使得科学研究进程中的历史背景、人文故事、思维技巧、方法手段等有机地融入工程技术课程的教学之中，通过工程技术课程丰富生动的教学，达到全面进行素质教育的效果。