化學工程教育的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新

1、化學工程教育的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新,Challenges & Creations ofChemical Engineering Education金涌 張立平 余立新 駱廣生 清華大學化工系 2008.11,各國抽樣數(shù)目（共2，158人）DECHEMA：World Chemical Engineering Council WCEC Survey“How Does Chemical Engineering Edu

2、cation Meetthe Requirements of Employment ?” September 2004,找到第一職位時間（月）,抽樣人員就業(yè)專業(yè)分布,圖 教育對多種能力培養(yǎng)分類,1. 基礎知識運用能力,2.一般性教育重要性,3.跨學科思維,4.科研潛力,5.在團隊中工作效率,6.領導能力,7.收集信息能力,8.分析信息能力,9.信息資源,10.批判式思維,11.系統(tǒng)的過程和產(chǎn)品設計能力,12.社交能力,13.外語能力

3、,14.多元文化理解能力,15.提出問題的能力,16.解決問題的能力,17.管理能力,18.財務基礎分析理解力,20.對可持續(xù)發(fā)展原則的認知,19.自學能力及全生命周期學習,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,21.對市場原則的認知,22.職業(yè)道德、倫理、責任心,,,,,,,,,表 被調查者評分最高的選項,教師的激勵作用,分數(shù),分數(shù),教師授業(yè)滿意度,分數(shù),分數(shù),就業(yè)所需課程深度,分數(shù),分數(shù),教師的優(yōu)秀和敬業(yè)精神,分數(shù),分數(shù),課程組織的

4、優(yōu)勢,分數(shù),分數(shù),大學畢業(yè)生的反饋,中國略優(yōu)條目：對教師優(yōu)秀敬業(yè)精神整體略優(yōu)條目授課滿意度課程深度教師的激勵作用兩者持平課程設置和組織,對學習化工的愉悅度,學生對學習化工專業(yè)不愉悅程度,中國 ~ 33% 美國 ~ 5% 英國 ~ 8% 德國 ~ 22% 平均 ~ 17%受教育者不滿意是最大的挑戰(zhàn),提高學生學習的

5、自覺性,化學工程科學有著強大的學術魅力可滿足學生的好奇心（Curiosity）——好奇心是自兒時起，終生推動對未知世界探索的動力。世界資源—能源—環(huán)境容量的有限性和人類改善生活品質要求的持續(xù)性,急切把最新科學成果用于最重要領域 納米技術 生物技術 系統(tǒng)科學與非線性數(shù)學 材料科學 等的研究都是化工的新生長點，有寬闊的科學研究舞臺。,可滿足學生的事業(yè)心（Ambition

6、）,化工科學研究面寬闊，它的產(chǎn)品種類多，數(shù)量大，應用于人們衣、食、住、行、視聽各方面須臾不可缺少?；た茖W研究基本內涵與煉油、建材、冶金、有色制藥、環(huán)保等工業(yè)有共同之處。輻射能力強。有創(chuàng)造大工程創(chuàng)新，有培育大企業(yè)家的沃土。,化學工程科學范式的討論十分重要,決定核心課程、輔助課程的內容、深度等及它們的內在聯(lián)系決定教學手段的組織運用決定學科創(chuàng)新方向，新的生長點，交叉擴張。決定了學科的吸引力和生命力。,化學工程學范式的演化,第一階段

7、范式： 1915年 Little【美】提出單元操作概念 1921年 MIT世界第一個化工系誕生 確認 以機械系（傳熱、流體力學等）+化學系（熱力學、動力學、擴散、混合等）核心課程組成，確立了單元操作的課程理論體系。第二階段范式 1957年 歐洲第一屆化學反應工程學會議界定了它的學科范疇、研究方法……完成了“三傳一反”即向動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和反應工程的范式轉變。 1970

8、年以后，化學工業(yè)特別石油化工規(guī)模加大，計算機融入，系統(tǒng)工程成功運用，生物化工的發(fā)展等孕育著突破。,第三階段范式：人們感到了原來化工范式的局限，企望新突破。郭慕孫提出第三階段范式應是“三傳一反”+X，其中X是待定、可變、形成中的要素。 韋潛光提出第三階段范式應是跳出“過程工程”藩籬而定義為“產(chǎn)品工程”，以產(chǎn)品性能與結構關系設計為主要特征。金涌等曾以化工的研究對象已擴展到物質—能量—信息三要素的關系，提出以“物質傳遞與轉化”、“能量傳

9、遞與轉化”和“信息傳遞與轉化”的“三傳三化”為新范式。成為區(qū)別其他工程學科的顯著特點。,化學——化工學科貫通,化學家：研究單個原子或分子在反應中的細節(jié)，可以在飛秒（10-15s）量級內，即在化學鍵斷裂和成鍵的時間尺度內進行解釋和控制。研究分子間作用力，理解物質的性能和相互作用?；W家：研發(fā)大規(guī)模合成新物質的能力把化學與物理非線性、強交聯(lián)、多變量巨系統(tǒng)的優(yōu)化設計能力 ——跨越分子前沿（

10、美）創(chuàng)新型社會要求： 產(chǎn)、學、研無縫鏈接的社會需要，2007年六部委推動新技術研發(fā)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的組建。,“因材施教”和“少而精”的教學理念,承認人的智商，前期教育水平，主觀努力等是有差別的，大學生和研究生應沒有統(tǒng)一負擔過重的尺度。鼓勵學生通過彈性作業(yè)、指導教學、參加專題研究、選課、分級考試等并在成績單上反應出來。國外MIT、哈佛等校的學生負擔遠高于一般州立大學，這些學校享有資源多、生源好，應該有不同的教學課程設置，

11、不同的教材，不同的教學效果，理所應當。,“工程教育”與“工程”漸行漸遠,教師工程經(jīng)驗不足科研趨向基礎研究，工程轉化難度大。學生生產(chǎn)實習弱化軟課題增多，實驗課題下降全課程教育理念（Total Engineering Education）,跨學科素質養(yǎng)成,超越本專業(yè)的知識范疇綜合整體思考——難題分解>解決復雜實際命題突破專家教育目標的局限 “An expert is one, who knows more and

12、more about less and less”。,領域劃分,無機和復合材料化工,無機和復合材料化工,21世紀,20世紀,19世紀,18世紀,化工,機械,工藝,農林食品,纖維造紙化工,生物醫(yī)藥化工,化工基礎,能源和基本有機化工,無機和復合材料化工,化學,生物,數(shù)學,動熱力力學學,,,天文學,物理,聲學,光學,電磁學,力學,微積分,醫(yī)學,植物學,微生物學,無機,有機,物化,分析,學

13、科劃分：化學工程化學工藝應用化學生物化工工業(yè)催化,哲學,學科時空劃分變化,領域劃分,動物學,世界著名大學辦學新理念,哈佛大學：著力培養(yǎng)能引領世界，具有國際視野的各領域的領袖人物。“綜合性、選擇性、基礎性、靈活性”原則檢討自從70年代執(zhí)行的核心課程體制（The core curriculum) ——過于集中于專論（Academic Topics) ——忽視現(xiàn)實問題（real-life

14、 issues) ——學校培養(yǎng)越來越窄，解決現(xiàn)實問題需要知識面越來 越寬。 ——其結果使哈佛大學成為越來越有名，卻越來越失去 靈魂的學校之一。 [2007.2.7，三年教改討論會最終報告 ],哈佛大學培養(yǎng)學生標準,對于世界、社會和自身的認識和鑒別能力。對各

15、種文明、信仰、價值取向有廣闊的視野。道德倫理選擇的判斷能力。對自然、社科、工程、藝術的興趣某一領域有較高專業(yè)水平。 ——加強通識教育、解決現(xiàn)實生活問題的能力。,瑞士蘇黎世大學跨學科教學與科研模式——以社會倫理學研究為例,研究內容延伸至醫(yī)學、自然科學、社會學、環(huán)境學、生物學、經(jīng)濟學。綜合交叉課題：道德的取向、結構、基本理念、正義基本概念、個人自律……學生從不同學科出發(fā)→倫理學→回到原各自領域 知識個性化，創(chuàng)

16、新認知內化。組建綜合研究中心、虛擬實驗室……,普林斯頓高等研究院創(chuàng)始人弗萊克斯,大學不是溫度計，對社會每一流行風尚都作出反應。大學給予社會的是：不總是它想要的，是它需要的。與社會保持一定距離，才能免世俗干擾，潛心學術，免于投機泡沫。,世界著名大學辦學新理念,MIT：2006.10.13 對教育使命和核心課程綜合審議報告：——更靈活，更寬廣，跨學科教育——大力發(fā)展人文、藝術、社科與自然科學、工程 技術的交叉。

17、耶魯大學： 定位是培養(yǎng)國家和世界領袖，已為美國、墨西哥、德國培養(yǎng)了7~8位總統(tǒng)。加州理工： 至2005年已有31人獲諾貝爾獎32次，中國的著名科學家周培源、趙忠堯、談家禎、錢學森都獲該校博士學位。,清華大學定位及人才培養(yǎng)目標,學術大師：學派奠基人、領域先驅者……（兩院院士1537人，2001年12月占25%）興業(yè)之士：企業(yè)家、金融家、經(jīng)理……治國之材：主席、總理、部長……,了解人材素質

18、的內涵,16~17世紀：科學精神與人文精神互相支持、交融。 哥白尼、伽利略等解開心靈枷鎖，人主體意識覺醒。 對宇宙、對自然、對自身重新審視，人性解放，促進了科 學，科學發(fā)展證明人性價值。18~20世紀：科學與人文走向分立、疏離和對抗，科學是冰冷的，精密 的，普適

19、的表述自然規(guī)律，人文是鮮活的，具體的，混沌 的，詩意的，解構社會和個體。 科學家抨擊人文學者對科學、數(shù)學的無知。 人文學者抨擊科學家，科學不過是“眾多故事中的一個，對客 觀認知的追求是一種唐吉珂德式的幻想?！?20~21世紀 物理學與生物學的發(fā)展揭示了自然科學

20、中蘊涵 的人文價值?；虻陌l(fā)現(xiàn)——分子層面上生命現(xiàn)象與非生命現(xiàn)象的統(tǒng)一性。孕育了生命現(xiàn)象的自然生態(tài)環(huán)境與生命現(xiàn)象一樣高貴和重要?？茖W與人文無論和諧還是分立，共有一個載體——“人”。超越具體學術領域，走出現(xiàn)代文明發(fā)展困境。,科學是工程創(chuàng)造的依據(jù)（如永動機是不可行的）工程為科學提出新命題（如航天、可控核聚變、可燃冰開采等，提出科學新命題）區(qū)分 真—偽,科學與工程關系,陀螺

21、儀結構與唐代被中香爐 ——科學與工程的巧妙結合,工程與人文關系,人文指導創(chuàng)造方向（核科學可用于氫彈，也用于核電站）工程創(chuàng)造（小說、電視、戲劇、人文表達工程創(chuàng)造中可歌可泣的故事）豐富人文發(fā)展內涵，為其物質基礎（提供電視、錄像、動畫手段）,工程與人文,人與機器人，誰是最終主宰？機器人的信息處理速度快（IBM“深藍”每秒判斷2億個棋盤位置），信息儲存量大，運轉準確性高，比人更有優(yōu)勢。機器人三定律（艾薩克.阿西莫夫）

22、 （一）機器人不得傷人 （二）服從人的一切命令，但命令不與第一定律抵觸 （三）機器人保護自己的存在，但不得與第1、2定律抵觸。,工程與藝術關系,工程對美進行科學表達（建筑、汽車、家具設計）藝術的大膽想象，對完美追求的品格指導工程去創(chuàng)造美的事物（科幻）,工程與藝術,瑪麗蓮.夢露大廈：北京MAD建筑師事物所（馬巖松）參與加拿大多倫多地區(qū)設計競賽獲獎,利用大腦對清晰和模糊畫面反應的差異大腦分析清晰圖像的速度比分析模糊圖像速度快一

23、部分圖像保持清晰，另一部分圖像保持粗糙可以創(chuàng)造出隨距離而改變的畫面,遙見翠色近看無 ——古人詠“清明”詩,北魏嵩岳寺塔（公園523年）,內部為樓閣式，外部為密檐式磚塔平面呈12角形，內部為八角形，共15層，高40多米。,工程與藝術,藝術捕捉瞬間的能力，超前虛擬，協(xié)助抓住和突破關鍵。通過科學思維與先進手段把虛擬創(chuàng)造性的復原為真實。,科學與藝術的關系,低維凝聚態(tài)物理國際

24、學術研討會招貼畫 ——華君武,兩個電子結成“庫珀對”呈超導性，單電子則被困擾無超導行為。60個碳原子的“布基球”成蜂巢狀，沒有伴侶的蜜蜂被束縛。,科學與藝術,相對論性重離子碰撞國際學術研討會招貼畫——李可染,碰撞后兩個迅速背向飛離的原子核之間在很短時間內沒有物質，卻被激發(fā)，與宇宙大爆炸最初瞬間相似。,對稱與不對稱 ——吳冠中,對稱是美妙的。

25、鏡象組合充滿活力。基本粒子在弱相互作用下宇稱不守恒定律和手性化合物都顯示出不對稱美。,作業(yè)：,“弦論”——現(xiàn)實世界4維空間是由比夸克更小，具有10維空間的基本單元的“弦”所構成的?？梢员扔鳛橐砸粋€3維空間的絲線繡出一個2維空間的圖像。請對“弦論”理念做一個類似的藝術表達。,“理論物理（弦論）學術會議”擬設計的招貼畫方案,里白芒德布羅圖形,“分形”——簡單性產(chǎn)生復雜性的例證知道結構的一小部分就能從標度關系預言整體結構,人文與藝術的

26、關系：,人文指導創(chuàng)造方向（向上的、陽光的還是頹廢的、暴力的）藝術化的表達人文（會更成功，更有感染力，相反說教式的表達必然失敗）,人文與藝術 ——理趣詩,青山遮不住，畢竟東流去（辛棄疾） ——對事物發(fā)展必然性認識不識廬山真面目，只緣身在此山中（蘇軾） ——個體認識的局限性雛鳳清子老鳳聲（李商隱）

27、 ——新生事物的無限生命力山外青山樓外樓（林生，題臨安邸 ） ——認識的無止境,人文與科學的關系,人文通過思維，價值取向，政令影響科學發(fā)展方向和速度科學思想傳播改變人們思維、價值取向（如反對迷信）,人文與科學,關于醫(yī)學目的之討論 治愈疾?。鹤柚顾劳?，延長生命現(xiàn)代醫(yī)學不能解決疾病、衰老和死亡所有國家遲早要導致醫(yī)療系統(tǒng)危機 解除疼痛和疾苦

28、安樂死和醫(yī)助自殺是否正當管理疾病對于疾病起因的探尋，預防和維持健康，以健康人群為服務對象“生得好，老得晚，病的少，死得靜”。醫(yī)療資源配置與市場與社會地位的關系科學本身無法確定其目的，人文決定價值取向。,哲學與自然科學,思索基因的人文意義基因不會衰老，一代一代從一個體轉移到另一個體。基因生存時間以千百萬年計算，在個體死亡前拋棄這個個體。各種生物的出現(xiàn)，是基因與環(huán)境和同類拼殺的機器。基因的目的是繁衍自身，改善生存品質奮斗。

29、各種生物都是基因的傀儡，戀愛、擇偶也是為了基因優(yōu)化和有利突變。這種對人生的解釋也許引起我們深思。,倫理與自然科學——干細胞研究,嵌合體(Chimera)——兩個（或以上）遺傳上不同組織組成的機體。如器官移植、兩個受精卵融合等，倫理認同。雜合體（Hybrid)——兩個不同物種的配子（精子、卵子）發(fā)育成的個體，如騾子，倫理不認同人與獸雜合體。細胞質雜合體（Cybird)——英國人工受精與胚胎學管理局2008.1.17正式批準研究人獸混

30、合胚胎（人的干細胞與動物卵細胞培養(yǎng)克隆胚胎），了解干細胞在體內如何發(fā)展成各種器官的，研究老年癡呆癥、脊椎萎縮、帕金森癥。,人文科學有助于開拓視野,形成思維的整體性養(yǎng)成批判意識，增加想象力超越傳統(tǒng)規(guī)范培養(yǎng)寬泛廣博，觸類旁通，交融互補的綜合思維。,《資源·能源· 環(huán)境· 社會》課程設計,選題與時代發(fā)展特征，國家重大需求密切相關。有一定的科學內涵和深度?？梢詮亩鄬W科角度切入 如：自然科學：生態(tài)

31、學、熱力學、環(huán)境學、化學等 社會科學：哲學、經(jīng)濟學、倫理學等 工程科學：化工、冶金、建材中節(jié)能減排和資源高效利用等。中外不同視角切入。又防止內容分散，邏輯離亂。,21世紀進入自然資源稀缺的時代我國兩型社會建設，經(jīng)濟的全面，和諧和持續(xù)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟：資源的高效、重復、循環(huán)利用的理念、技術和創(chuàng)造。低碳經(jīng)濟：能源的梯級利用節(jié)能，CO2的減排、捕集、再利用、封閉，環(huán)境和生態(tài)的保護。,循

32、環(huán)經(jīng)濟,中國經(jīng)濟面臨的機遇與挑戰(zhàn)可持續(xù)發(fā)展的形成演變沿革循環(huán)經(jīng)濟的哲學、人文社會學、經(jīng)濟學、生態(tài)學、工程科學基礎循環(huán)經(jīng)濟的 理論平臺、工程平臺、法律和教育平臺的建設。,生態(tài)工業(yè)工程,生態(tài)工業(yè)工程的內涵、生態(tài)學原理、系統(tǒng)分析方法生態(tài)工業(yè)的工程技術原則 —— 進化替代原則 —— 減量化原則 —— 循環(huán)利用原則 —— 再資源化原則 —— 系統(tǒng)綜合規(guī)劃原則,低碳經(jīng)濟,低

33、碳經(jīng)濟理念產(chǎn)業(yè)結構與能源結構科技創(chuàng)新推進低碳經(jīng)濟CO2的捕集、再利用、埋藏政策、法規(guī)與低碳經(jīng)濟,考核與總結,學習小組自由研究型選題結合身邊或結合當前實際選題文獻、實際調查、設計計算、分析、總結、PPT制作演講、提問、評論、答辯評獎,密歇根大學跨學科課程設計,合作課程：不同學科領域教師共同選題、組織和講授。整合講授：頂層策劃、協(xié)調、分工講授。協(xié)同式課程：兩門以上獨立但相關課程，同步講授，不同視角、定期研討整合交流。階

34、梯式課程：深度不同，相互為基礎，分時段講授，總體躍升。綜合式課程：設計供不同系，不同專業(yè)選修共同興趣的課程，如可持續(xù)發(fā)展等。,,清華大學化學工程與工業(yè)生物工程專業(yè)本科生課程設置,教學方式的變革,演繹式與案例式教學結合基礎知識與工業(yè)應用實例結合教學與科學研發(fā)前沿相結合課堂傳授與學生專題調研相結合基礎理論與計算機工具相結合教材與文獻閱讀相結合,小 結,啟發(fā)學生的求知欲和主觀能動性是提高質量的根本，化學工程科學有著強大的學術魅