化学工程教育的挑战与创新.ppt

化学工程教育的挑战与创新,Challenges & Creations of Chemical Engineering Education 金涌 张立平 余立新 骆广生 清华大学化工系 2008.11,各国抽样数目（共2，158人）DECHEMA：World Chemical Engineering Council WCEC Survey“How Does Chemical Engineering Education Meetthe Requirements of Employment ?” September 2004,找到第一职位时间（月）,抽样人员就业专业分布,图 教育对多种能力培养分类,1. 基础知识运用能力,2.一般性教育重要性,3.跨学科思维,4.科研潜力,5.在团队中工作效率,6.领导能力,7.收集信息能力,8.分析信息能力,9.信息资源,10.批判式思维,11.系统的过程和产品设计能力,12.社交能力,13.外语能力,14.多元文化理解能力,15.提出问题的能力,16.解决问题的能力,17.管理能力,18.财务基础分析理解力,20.对可持续发展原则的认知,19.自学能力及全生命周期学习,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,21.对市场原则的认知,22.职业道德、伦理、责任心,,,,,,,,,表 被调查者评分最高的选项,教师的激励作用,分数,分数,教师授业满意度,分数,分数,就业所需课程深度,分数,分数,教师的优秀和敬业精神,分数,分数,课程组织的优势,分数,分数,大学毕业生的反馈,中国略优条目： 对教师优秀敬业精神 整体略优条目 授课满意度 课程深度 教师的激励作用 两者持平 课程设置和组织,对学习化工的愉悦度,学生对学习化工专业不愉悦程度,中国 ~ 33% 美国 ~ 5% 英国 ~ 8% 德国 ~ 22% 平均 ~ 17% 受教育者不满意是最大的挑战,提高学生学习的自觉性,化学工程科学有着强大的学术魅力 可满足学生的好奇心（Curiosity）——好奇心是自儿时起，终生推动对未知世界探索的动力。 世界资源—能源—环境容量的有限性和人类改善生活品质要求的持续性,急切把最新科学成果用于最重要领域 纳米技术 生物技术 系统科学与非线性数学 材料科学 等的研究都是化工的新生长点，有宽阔的科学研究舞台。,可满足学生的事业心（Ambition）,化工科学研究面宽阔，它的产品种类多，数量大，应用于人们衣、食、住、行、视听各方面须臾不可缺少。 化工科学研究基本内涵与炼油、建材、冶金、有色制药、环保等工业有共同之处。辐射能力强。 有创造大工程创新，有培育大企业家的沃土。,化学工程科学范式的讨论十分重要,决定核心课程、辅助课程的内容、深度等及它们的内在联系 决定教学手段的组织运用 决定学科创新方向，新的生长点，交叉扩张。 决定了学科的吸引力和生命力。,化学工程学范式的演化,第一阶段范式： 1915年 Little【美】提出单元操作概念 1921年 MIT世界第一个化工系诞生 确认 以机械系（传热、流体力学等）+化学系（热力学、动力学、扩散、混合等）核心课程组成，确立了单元操作的课程理论体系。 第二阶段范式 1957年 欧洲第一届化学反应工程学会议界定了它的学科范畴、研究方法……完成了“三传一反”即向动量传递、热量传递、质量传递和反应工程的范式转变。 1970年以后，化学工业特别石油化工规模加大，计算机融入，系统工程成功运用，生物化工的发展等孕育着突破。,第三阶段范式： 人们感到了原来化工范式的局限，企望新突破。郭慕孙提出第三阶段范式应是“三传一反”+X，其中X是待定、可变、形成中的要素。 韦潜光提出第三阶段范式应是跳出“过程工程”藩篱而定义为“产品工程”，以产品性能与结构关系设计为主要特征。 金涌等曾以化工的研究对象已扩展到物质—能量—信息三要素的关系，提出以“物质传递与转化”、“能量传递与转化”和“信息传递与转化”的“三传三化”为新范式。成为区别其他工程学科的显著特点。,化学——化工学科贯通,化学家： 研究单个原子或分子在反应中的细节，可以在飞秒（10-15s）量级内，即在化学键断裂和成键的时间尺度内进行解释和控制。 研究分子间作用力，理解物质的性能和相互作用。 化工学家： 研发大规模合成新物质的能力 把化学与物理非线性、强交联、多变量巨系统的优化设计能力 ——跨越分子前沿（美） 创新型社会要求： 产、学、研无缝链接的社会需要，2007年六部委推动新技术研发产业联盟的组建。,“因材施教”和“少而精”的教学理念,承认人的智商，前期教育水平，主观努力等是有差别的，大学生和研究生应没有统一负担过重的尺度。 鼓励学生通过弹性作业、指导教学、参加专题研究、选课、分级考试等并在成绩单上反应出来。 国外MIT、哈佛等校的学生负担远高于一般州立大学，这些学校享有资源多、生源好，应该有不同的教学课程设置，不同的教材，不同的教学效果，理所应当。,“工程教育”与“工程”渐行渐远,教师工程经验不足 科研趋向基础研究，工程转化难度大。 学生生产实习弱化 软课题增多，实验课题下降 全课程教育理念（Total Engineering Education）,跨学科素质养成,超越本专业的知识范畴 综合整体思考——难题分解>解决复杂实际命题 突破专家教育目标的局限 “An expert is one, who knows more and more about less and less”。,领域划分,无机和复合材料化工,无机和复合材料化工,21世纪,20世纪,19世纪,18世纪,化 工,机 械,工 艺,农林食品,纤维造纸化工,生物医药化工,化工基础,能源和基本有机化工,无机和复合材料化工,化 学,生 物,数 学,动热 力力 学学,,,天 文 学,物 理,声 学,光 学,电 磁 学,力 学,微 积 分,医 学,植 物 学,微 生 物 学,无 机,有 机,物 化,分 析,学科划分： 化学工程 化学工艺 应用化学 生物化工 工业催化,哲学,学科时空划分变化,领域划分,动 物 学,世界著名大学办学新理念,哈佛大学： 着力培养能引领世界，具有国际视野的各领域的领袖人物。 “综合性、选择性、基础性、灵活性”原则 检讨自从70年代执行的核心课程体制（The core curriculum) ——过于集中于专论（Academic Topics) ——忽视现实问题（real-life issues) ——学校培养越来越窄，解决现实问题需要知识面越来 越宽。 ——其结果使哈佛大学成为越来越有名，却越来越失去 灵魂的学校之一。 [2007.2.7，三年教改讨论会最终报告 ],哈佛大学培养学生标准,对于世界、社会和自身的认识和鉴别能力。 对各种文明、信仰、价值取向有广阔的视野。 道德伦理选择的判断能力。 对自然、社科、工程、艺术的兴趣 某一领域有较高专业水平。 ——加强通识教育、解决现实生活问题的能力。,瑞士苏黎世大学跨学科教学与科研模式——以社会伦理学研究为例,研究内容延伸至医学、自然科学、社会学、环境学、生物学、经济学。 综合交叉课题：道德的取向、结构、基本理念、正义基本概念、个人自律…… 学生从不同学科出发→伦理学→回到原各自领域 知识个性化，创新认知内化。 组建综合研究中心、虚拟实验室……,普林斯顿高等研究院创始人弗莱克斯,大学不是温度计，对社会每一流行风尚都作出反应。 大学给予社会的是：不总是它想要的，是它需要的。 与社会保持一定距离，才能免世俗干扰，潜心学术，免于投机泡沫。,世界著名大学办学新理念,MIT： 2006.10.13 对教育使命和核心课程综合审议报告： ——更灵活，更宽广，跨学科教育 ——大力发展人文、艺术、社科与自然科学、工程 技术的交叉。 耶鲁大学： 定位是培养国家和世界领袖，已为美国、墨西哥、德国培养了7~8位总统。 加州理工： 至2005年已有31人获诺贝尔奖32次，中国的著名科学家周培源、赵忠尧、谈家祯、钱学森都获该校博士学位。,清华大学定位及人才培养目标,学术大师：学派奠基人、领域先驱者……（两院院士1537人，2001年12月占25%） 兴业之士：企业家、金融家、经理…… 治国之材：主席、总理、部长……,了解人材素质的内涵,16~17世纪：科学精神与人文精神互相支持、交融。 哥白尼、伽利略等解开心灵枷锁，人主体意识觉醒。 对宇宙、对自然、对自身重新审视，人性解放，促进了科 学，科学发展证明人性价值。 18~20世纪：科学与人文走向分立、疏离和对抗，科学是冰冷的，精密 的，普适的表述自然规律，人文是鲜活的，具体的，混沌 的，诗意的，解构社会和个体。 科学家抨击人文学者对科学、数学的无知。 人文学者抨击科学家，科学不过是“众多故事中的一个，对客 观认知的追求是一种唐吉珂德式的幻想。”,20~21世纪 物理学与生物学的发展揭示了自然科学中蕴涵 的人文价值。 基因的发现——分子层面上生命现象与非生命现象的统一性。 孕育了生命现象的自然生态环境与生命现象一样高贵和重要。 科学与人文无论和谐还是分立，共有一个载体——“人”。 超越具体学术领域，走出现代文明发展困境。,科学是工程创造的依据（如永动机是不可行的） 工程为科学提出新命题 （如航天、可控核聚变、可燃冰开采等，提出科学新命题） 区分 真—伪,科学与工程关系,陀螺仪结构与唐代被中香炉 ——科学与工程的巧妙结合,工程与人文关系,人文指导创造方向（核科学可用于氢弹，也用于核电站） 工程创造（小说、电视、戏剧、人文表达工程创造中可歌可泣的故事）丰富人文发展内涵，为其物质基础（提供电视、录像、动画手段）,工程与人文,人与机器人，谁是最终主宰？ 机器人的信息处理速度快（IBM“深蓝”每秒判断2亿个棋盘位置），信息储存量大，运转准确性高，比人更有优势。 机器人三定律（艾萨克.阿西莫夫） （一）机器人不得伤人 （二）服从人的一切命令，但命令不与第一定律抵触 （三）机器人保护自己的存在，但不得与第1、2定律抵触。,工程与艺术关系,工程对美进行科学表达（建筑、汽车、家具设计） 艺术的大胆想象，对完美追求的品格指导工程去创造美的事物（科幻）,工程与艺术,玛丽莲.梦露大厦： 北京MAD建筑师事物所（马岩松）参与 加拿大多伦多地区设计竞赛获奖,利用大脑对清晰和模糊画面反应的差异 大脑分析清晰图像的速度比分析模糊图像速度快 一部分图像保持清晰，另一部分图像保持粗糙 可以创造出随距离而改变的画面,遥见翠色近看无 ——古人咏“清明”诗,北魏嵩岳寺塔（公园523年）,内部为楼阁式，外部为密檐式砖塔 平面呈12角形，内部为八角形，共15层，高40多米。,工程与艺术,艺术捕捉瞬间的能力，超前虚拟，协助抓住和突破关键。 通过科学思维与先进手段把虚拟创造性的复原为真实。,科学与艺术的关系,低维凝聚态物理国际学术研讨会招贴画 ——华君武,两个电子结成“库珀对”呈超导性，单电子则被困扰无超导行为。 60个碳原子的“布基球”成蜂巢状，没有伴侣的蜜蜂被束缚。,科学与艺术,相对论性重离子碰撞国际学术研讨会招贴画——李可染,碰撞后两个迅速背向飞离的原子核之间在很短时间内没有物质，却被激发，与宇宙大爆炸最初瞬间相似。,对称与不对称 ——吴冠中,对称是美妙的。 镜象组合充满活力。 基本粒子在弱相互作用下宇称不守恒定律和手性化合物都显示出不对称美。,作业：,“弦论”——现实世界4维空间是由比夸克更小，具有10维空间的基本单元的“弦”所构成的。 可以比喻为以一个3维空间的丝线绣出一个2维空间的图像。 请对“弦论”理念做一个类似的艺术表达。,“理论物理（弦论）学术会议”拟设计的招贴画方案,里白芒德布罗图形,“分形”——简单性产生复杂性的例证 知道结构的一小部分就能从标度关系预言整体结构,人文与艺术的关系：,人文指导创造方向（向上的、阳光的还是颓废的、暴力的） 艺术化的表达人文（会更成功，更有感染力，相反说教式的表达必然失败）,人文与艺术 ——理趣诗,青山遮不住，毕竟东流去（辛弃疾） ——对事物发展必然性认识 不识庐山真面目，只缘身在此山中（苏轼） ——个体认识的局限性 雏凤清子老凤声（李商隐） ——新生事物的无限生命力 山外青山楼外楼（林生，题临安邸 ） ——认识的无止境,人文与科学的关系,人文通过思维，价值取向，政令影响科学发展方向和速度 科学思想传播改变人们思维、价值取向（如反对迷信）,人文与科学,关于医学目的之讨论 治愈疾病：阻止死亡，延长生命 现代医学不能解决疾病、衰老和死亡 所有国家迟早要导致医疗系统危机 解除疼痛和疾苦 安乐死和医助自杀是否正当 管理疾病对于疾病起因的探寻，预防和维持健康，以健康人群为服务对象 “生得好，老得晚，病的少，死得静”。 医疗资源配置与市场与社会地位的关系 科学本身无法确定其目的，人文决定价值取向。,哲学与自然科学,思索基因的人文意义 基因不会衰老，一代一代从一个体转移到另一个体。 基因生存时间以千百万年计算，在个体死亡前抛弃这个个体。 各种生物的出现，是基因与环境和同类拼杀的机器。 基因的目的是繁衍自身，改善生存品质奋斗。 各种生物都是基因的傀儡，恋爱、择偶也是为了基因优化和有利突变。 这种对人生的解释也许引起我们深思。,伦理与自然科学——干细胞研究,嵌合体(Chimera)——两个（或以上）遗传上不同组织组成的机体。如器官移植、两个受精卵融合等，伦理认同。 杂合体（Hybrid)——两个不同物种的配子（精子、卵子）发育成的个体，如骡子，伦理不认同人与兽杂合体。 细胞质杂合体（Cybird)——英国人工受精与胚胎学管理局2008.1.17正式批准研究人兽混合胚胎（人的干细胞与动物卵细胞培养克隆胚胎），了解干细胞在体内如何发展成各种器官的，研究老年痴呆症、脊椎萎缩、帕金森症。,人文科学有助于开拓视野,形成思维的整体性 养成批判意识，增加想象力 超越传统规范 培养宽泛广博，触类旁通，交融互补的综合思维。,《资源·能源· 环境· 社会》课程设计,选题与时代发展特征，国家重大需求密切相关。 有一定的科学内涵和深度。 可以从多学科角度切入 如：自然科学：生态学、热力学、环境学、化学等 社会科学：哲学、经济学、伦理学等 工程科学：化工、冶金、建材中节能减排和资源高效利用等。 中外不同视角切入。 又防止内容分散，逻辑离乱。,21世纪进入自然资源稀缺的时代 我国两型社会建设，经济的全面，和谐和持续发展 循环经济：资源的高效、重复、循环利用的理念、技术和创造。 低碳经济：能源的梯级利用节能，CO2的减排、捕集、再利用、封闭，环境和生态的保护。,循环经济,中国经济面临的机遇与挑战 可持续发展的形成演变沿革 循环经济的哲学、人文社会学、经济学、生态学、工程科学基础 循环经济的 理论平台、工程平台、法律和教育平台的建设。,生态工业工程,生态工业工程的内涵、生态学原理、系统分析方法 生态工业的工程技术原则 —— 进化替代原则 —— 减量化原则 —— 循环利用原则 —— 再资源化原则 —— 系统综合规划原则,低碳经济,低碳经济理念 产业结构与能源结构 科技创新推进低碳经济 CO2的捕集、再利用、埋藏 政策、法规与低碳经济,考核与总结,学习小组自由研究型选题 结合身边或结合当前实际选题 文献、实际调查、设计计算、分析、总结、PPT制作 演讲、提问、评论、答辩 评奖,密歇根大学跨学科课程设计,合作课程：不同学科领域教师共同选题、组织和讲授。 整合讲授：顶层策划、协调、分工讲授。 协同式课程：两门以上独立但相关课程，同步讲授，不同视角、定期研讨整合交流。 阶梯式课程：深度不同，相互为基础，分时段讲授，总体跃升。 综合式课程：设计供不同系，不同专业选修共同兴趣的课程，如可持续发展等。,,清华大学化学工程与工业生物工程专业本科生课程设置,教学方式的变革,演绎式与案例式教学结合 基础知识与工业应用实例结合 教学与科学研发前沿相结合 课堂传授与学生专题调研相结合 基础理论与计算机工具相结合 教材与文献阅读相结合,小 结,启发学生的求知欲和主观能动性是提高质量的根本，化学工程科学有着强大的学术魅力。 可满足学生的好奇心（Curiosity）——好奇心是自儿时起，终生推动对未知世界探索的动力。 世界资源—能源—环境容量的有限性和人类改善生活品质要求的持续性。 急切需要把最新科学成果用于过程工程领域，成为化工的新生长点，它有着宽阔的科学研究舞台。,谢谢关注！,