唐正姣，陳蘇芳，李萍，覃遠(yuǎn)航，汪鐵林

武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，武漢 430205

教育部2020年5月28日印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》的通知要求：理學(xué)、工學(xué)類專業(yè)課程，要在課程教學(xué)中把馬克思主義立場(chǎng)觀點(diǎn)方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，提高學(xué)生正確認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。習(xí)近平指出：“我們黨自成立起就高度重視在思想上建黨，其中十分重要的一條就是堅(jiān)持用馬克思主義哲學(xué)教育和武裝全黨。學(xué)哲學(xué)、用哲學(xué)，是我們黨的一個(gè)好傳統(tǒng)[1]?！被ぴ碚n程蘊(yùn)含豐富的哲學(xué)元素，提煉出的哲學(xué)元素主要有[2-6]：“運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性和靜止的相對(duì)性、解決問(wèn)題抓主要矛盾、量變到質(zhì)變、對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律、透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)等?！鄙鲜鑫墨I(xiàn)都是從哲學(xué)在化工原理中的映射角度進(jìn)行教學(xué)即課程內(nèi)容體現(xiàn)了某種哲學(xué)思想。鮮見(jiàn)用哲學(xué)原理解決工程問(wèn)題的教學(xué)探討文獻(xiàn)報(bào)道?；ぴ碇泄苈范ㄐ苑治鰡?wèn)題是應(yīng)用化工原理理論解決工程實(shí)際問(wèn)題的重要體現(xiàn)之一，同時(shí)也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)之一。學(xué)生運(yùn)用流體流動(dòng)的守恒原理可以進(jìn)行定性問(wèn)題的分析，但分析過(guò)程相對(duì)繁瑣，學(xué)生理解起來(lái)常常覺(jué)得困難。筆者嘗試運(yùn)用哲學(xué)原理進(jìn)行管路定性分析問(wèn)題的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生學(xué)習(xí)后反映比用流體流動(dòng)的守恒原理解決類似問(wèn)題簡(jiǎn)單，并且容易掌握。

1 用動(dòng)與靜的辯證關(guān)系分析簡(jiǎn)單管路的流量與壓強(qiáng)變化

例1[7]對(duì)于圖1所示簡(jiǎn)單管路，設(shè)各段管徑相同，高位槽內(nèi)液面恒定，流體作定態(tài)流動(dòng)。閥門(mén)由全開(kāi)轉(zhuǎn)為半開(kāi)時(shí)流量、閥前壓力、閥后壓力如何變化？

圖1 例1附圖

分析：對(duì)于一定的管路系統(tǒng)，流量屬于動(dòng)，取決于閥門(mén)開(kāi)度變化；靜壓強(qiáng)則屬于靜，取決于流體積累量的變化。以截面A與截面B包含的范圍作為控制體，閥門(mén)上游壓強(qiáng)pA(靜)、管路流量qV(動(dòng))閥門(mén)下游壓強(qiáng)pB(靜)這三個(gè)物理量相互影響。從pA到qV，從qV到pB反映了靜轉(zhuǎn)化動(dòng)、動(dòng)轉(zhuǎn)化靜兩個(gè)過(guò)程即靜→動(dòng)→靜。在分析過(guò)程參數(shù)變化時(shí)以明顯變化的參數(shù)作為分析問(wèn)題的突破口。當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度變小，流動(dòng)通道變窄，變化空間減小，流量減小。從流動(dòng)過(guò)程分析，動(dòng)由靜轉(zhuǎn)化而來(lái)，閥門(mén)開(kāi)度變小即動(dòng)態(tài)量變小則上游被轉(zhuǎn)化的靜態(tài)量減小，從而積累量增加即上游壓強(qiáng)增大；下游的靜態(tài)量來(lái)自于上游的動(dòng)態(tài)量的轉(zhuǎn)化，上游動(dòng)態(tài)量減小，則能轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)量減小即下游的靜態(tài)量減小(靜壓強(qiáng)下降)。按照動(dòng)靜相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律可以表述為：閥門(mén)開(kāi)度減小，通過(guò)閥門(mén)的動(dòng)態(tài)量減小，上游積累量增加，下游積累量減小。即閥門(mén)開(kāi)度減小，流量減小，閥門(mén)上游靜壓強(qiáng)上升，下游靜壓強(qiáng)下降。根據(jù)流體流動(dòng)的守恒原理進(jìn)行管路分析得到以下結(jié)論[7]：其他條件不變時(shí)，任何局部阻力的增加，將使管內(nèi)的流量下降，使上游壓強(qiáng)上升，使下游壓強(qiáng)下降?？梢?jiàn)根據(jù)流動(dòng)過(guò)程動(dòng)與靜的辯證關(guān)系分析得到的結(jié)論與根據(jù)流體流動(dòng)的守恒原理推導(dǎo)的結(jié)論一致。

2 矛盾論在阻力損失定性分析中的應(yīng)用

例2[8]如圖2所示，敞口容器液面保持不變，閥門(mén)A和B的阻力系數(shù)分別為ζA和ζB，h1和h2為連接管路的玻璃管顯示的液面高度，若ζA不變，ζB增大，h1、h2、h1-h2如何變化？

圖2 例2附圖

分析：黃婕等[8]分析時(shí)指出：ζA不變，ζB增大，表明閥門(mén)B關(guān)小，則流速u減小，B處阻力增大，h1、h2位置處于閥門(mén)B的上游，其數(shù)值反映上游的壓強(qiáng)，所以h1、h2增大；因?yàn)閡減小，所以AB直管段的阻力損失減小，(h1-h2)減小。從上面的分析可知，對(duì)于直管阻力，管長(zhǎng)l、直徑d不變時(shí)，u減小，阻力減小；對(duì)于局部阻力，阻力系數(shù)增大，阻力增大。這個(gè)結(jié)論是分析流體管路阻力損失問(wèn)題分析的基礎(chǔ)。那么為什么有這樣的結(jié)論？根據(jù)范寧公式阻力損失hf=λlu2/(2d)，u變大，雷諾準(zhǔn)數(shù)Re(=duρ/μ)變大摩擦系數(shù)λ變小，所以無(wú)法判斷hf的變化；對(duì)于局部阻力，hf=ζu2/2，閥門(mén)開(kāi)度變小，局部阻力系數(shù)ζ增大，流速u變小，也無(wú)法判斷hf的變化。何潮洪等[9]指出：對(duì)于直管阻力，摩擦系數(shù)λ變化不大，可視為常數(shù)。而對(duì)于局部阻力為什么閥門(mén)開(kāi)度變小，局部阻力變大則未見(jiàn)教材給出解釋。誠(chéng)然可以讓學(xué)生直接記住結(jié)論但缺乏說(shuō)服力。筆者應(yīng)用辯證法進(jìn)行分析：直管阻力中的u與λ互為矛盾，u是矛盾的主要方面，所以根據(jù)重點(diǎn)論，直管阻力損失隨u變化而變化。局部阻力中的ζ與u互為矛盾，ζ是矛盾的主要方面，所以根據(jù)重點(diǎn)論，判斷局部阻力損失隨ζ變化而變化。

3 用整體與局部的辯證關(guān)系分析復(fù)雜管路的流量變化

例3[7]流體從高位槽流出經(jīng)總管分流至兩支管，閥門(mén)全開(kāi)時(shí)各支管的流動(dòng)參數(shù)如圖3所示；若將支管2的閥門(mén)A關(guān)小，支管2、支管3、總管的流量如何變化？

圖3 例3附圖

分析：支管管路2和支管3為可以看成事物的局部，總管可以看成事物的全局。毛澤東在總結(jié)戰(zhàn)爭(zhēng)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，具體地分析了全局與局部的辯證關(guān)系。毛澤東指出：“全局是由它的一切局部構(gòu)成的。若組成戰(zhàn)爭(zhēng)全局的多數(shù)戰(zhàn)役失敗了，或有決定意義的某一兩個(gè)戰(zhàn)役失敗了，全局就立即起變化。這里說(shuō)的多數(shù)戰(zhàn)役和某一二個(gè)戰(zhàn)役，就都是決定性的東西了[10]?！币虼藢?duì)全局有決定性影響的局部，關(guān)系能否實(shí)現(xiàn)全局性的目標(biāo)。對(duì)于分支管路，有閥門(mén)開(kāi)度變化的支管就是支管中起決定作用的管路。所以總管流量變化趨勢(shì)與有閥門(mén)開(kāi)度變化的支管的流量變化趨勢(shì)一致。另外從矛盾論分析，與之平行的其他支管與有閥門(mén)開(kāi)度變化的支管互為矛盾，所以其他支管的流量會(huì)下降。根據(jù)流體流動(dòng)的守恒原理得到[7]：閥門(mén)A所在支管流量下降，與之平行的支管流量上升，總管流量下降?？梢?jiàn)根據(jù)流動(dòng)過(guò)程的全局與局部的辯證關(guān)系結(jié)合矛盾論分析得到的結(jié)論與根據(jù)流體流動(dòng)的守恒原理推導(dǎo)的結(jié)論一致。

例4[8]如圖4所示的輸水系統(tǒng)中，閥門(mén)A、B和C半開(kāi)時(shí)，各管路的流速分別為uA、uB、uC。現(xiàn)將B閥關(guān)小，則各管路流速如何變化？

圖4 例題4附圖

分析：在A、B支管中，B閥所在支管起決定作用，B閥開(kāi)度減小，則uB減??；總管流速與支管B的流速變化一致，即uC減小，與之平行的支管A的流速與支管B的流速互為矛盾，uB減小，故流速uA增大。這與黃婕等[8]利用流體流動(dòng)的守恒原理分析的結(jié)論一致。

4 綜合應(yīng)用舉例

例5[11]如圖5所示，用離心泵將貯水池中的水經(jīng)總管及A、B兩支管送至敞口槽中。貯水池與敞口槽水面高度差可不計(jì)?，F(xiàn)將閥門(mén)kA關(guān)小，其他條件不變，試分析總管、A、B支管流量、壓力表讀數(shù)pO、pM的變化情況。

圖5 例題5附圖

分析：將閥門(mén)kA關(guān)小，A支管為起決定作用的支管，A支管流量下降；總管流量與A支管流量變化趨勢(shì)一致即總管流量減??；B支管與A支管互為矛盾，A支管流量下降，則B支管流量增大；壓力表讀數(shù)pM在閥門(mén)kA的下游、pO在閥門(mén)kA上游，根據(jù)動(dòng)與靜的辯證關(guān)系得到閥門(mén)kA關(guān)小，pM讀數(shù)減小，pO讀數(shù)增大。這與文獻(xiàn)[11]的分析結(jié)果一致。

例6[12]如圖6所示管路，若兩敞口容器內(nèi)液位恒定，試問(wèn)：(1) A閥開(kāi)大，流量qV、壓力表讀數(shù)p1、p2、支管阻力損失比hf1/hf2、支管流量比qV1/qV2如何變化？(2) B閥關(guān)小，流量qV、壓力表讀數(shù)p1、p2、支管阻力損失比hf1/hf2、支管流量比qV1/qV2如何變化？

圖6 例題6附圖

分析：(1) 閥門(mén)A開(kāi)大，通量增大，qV增大；閥的上游積累量減小即壓力表讀數(shù)p1減?。婚y門(mén)的下游積累量增加即壓力表讀數(shù)p2增加；hf1/hf2為并聯(lián)的支管阻力比為1；作為局部的支管的閥門(mén)開(kāi)度不變，整體變化，局部跟隨變化qV1/qV2不變。(2) 閥門(mén)B關(guān)小，起決定作用的局部即支管B的流量變小，局部影響整體qV減??；閥門(mén)B關(guān)小，閥門(mén)B的上游積累量增加，壓力表讀數(shù)p1、p2都增加；hf1/hf2為并聯(lián)的支管阻力比為1；閥門(mén)B關(guān)小，閥門(mén)C所在支管與閥門(mén)B所在支管互為矛盾，qV1變小，qV2變大，qV1/qV2變小。這與文獻(xiàn)[12]的結(jié)果一致。

5 教學(xué)實(shí)踐與學(xué)生反饋

筆者在2018級(jí)化工原理提高學(xué)習(xí)班開(kāi)展了用哲學(xué)原理解決化工原理流體流動(dòng)定性問(wèn)題的教學(xué)實(shí)踐，并通過(guò)問(wèn)卷網(wǎng)進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。

問(wèn)題1：用哲學(xué)原理解決流體流動(dòng)定性問(wèn)題的教學(xué)方法，你覺(jué)得怎樣？設(shè)置了四個(gè)選項(xiàng)：A. 非常好，B. 好，C. 一般，D. 不好。

問(wèn)題2：你學(xué)習(xí)用哲學(xué)原理分析流體流動(dòng)的定性問(wèn)題后，對(duì)于你來(lái)說(shuō)，用哲學(xué)原理分析的準(zhǔn)確度高還是用化工原理的知識(shí)分析的準(zhǔn)確度高？設(shè)置了三個(gè)選項(xiàng)：A. 哲學(xué)原理，B. 化工原理，C. 都一樣。

問(wèn)題1、問(wèn)題2的問(wèn)卷結(jié)果分別見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 用哲學(xué)原理解決流體流動(dòng)定性問(wèn)題教學(xué)方法評(píng)價(jià)問(wèn)卷結(jié)果圖

圖8 用哲學(xué)原理與化工原理的知識(shí)進(jìn)行定性分析的準(zhǔn)確度問(wèn)卷結(jié)果圖

問(wèn)題3：請(qǐng)你對(duì)用哲學(xué)原理解決流體流動(dòng)定性問(wèn)題做出簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)？學(xué)生反饋總結(jié)如下：(1) 教學(xué)形式變新穎，學(xué)生寫(xiě)道：“哲學(xué)的加入使課堂生動(dòng)起來(lái)了，有利于我們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，教課形式變得新穎了?！?2) 提升學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生寫(xiě)道：“讓我對(duì)化工原理以及哲學(xué)方面的內(nèi)容產(chǎn)生了濃厚的興趣，也給我在化工原理的學(xué)習(xí)過(guò)程中指了一條明路。”(3) 提升解題速度，學(xué)生寫(xiě)道：“哲學(xué)原理解決流體流動(dòng)性問(wèn)題，個(gè)人覺(jué)得會(huì)讓復(fù)雜化的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，有助于我們理解，可以讓一些抽象化的概念，通過(guò)哲學(xué)原理，更加貼近生活，從而快速解決問(wèn)題；讓做題過(guò)程判斷更加簡(jiǎn)化快速，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中運(yùn)用效果很好，在某些問(wèn)題上解決速度更快；動(dòng)靜結(jié)合起來(lái)十分方便；很方便也很準(zhǔn)確，節(jié)約了許多時(shí)間，大大提高做題速度和效率，尤其是非常適用于選擇題；非常合適，可以與化工原理相結(jié)合更好地解答問(wèn)題。”(4) 提升運(yùn)用哲學(xué)原理解決問(wèn)題的能力，學(xué)生寫(xiě)道：“挺好的，一邊想不通，換個(gè)角度豁然開(kāi)朗；哲學(xué)原理能在一定程度上幫助理解化工原理的問(wèn)題可以轉(zhuǎn)換思維，從不同角度看問(wèn)題；提供了另外一種解決問(wèn)題的思路，當(dāng)用化工原理知識(shí)難以解決問(wèn)題的時(shí)候，可以采用哲學(xué)原理去思考。同時(shí)也可以利用哲學(xué)原理去檢驗(yàn)化工原理內(nèi)容判斷的準(zhǔn)確性。二者有一種相輔相成的作用?！币灿袀€(gè)別同學(xué)認(rèn)為哲學(xué)就沒(méi)學(xué)好，所以對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，作用甚小。

綜合問(wèn)卷結(jié)果可見(jiàn)，絕大多數(shù)學(xué)生對(duì)于用哲學(xué)原理解決流體流動(dòng)定性問(wèn)題持肯定、歡迎的態(tài)度。

6 結(jié)語(yǔ)

馬克思主義哲學(xué)是科學(xué)的世界觀、方法論和價(jià)值觀，是人類智慧的結(jié)晶。對(duì)于流體流動(dòng)過(guò)程的定性分析問(wèn)題，采用哲學(xué)原理進(jìn)行分析判斷比直接應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決更容易理解、解題速度更快。教學(xué)實(shí)踐表明，大部分學(xué)生對(duì)用哲學(xué)原理解決化工原理的定性問(wèn)題學(xué)習(xí)興趣濃厚，打破了學(xué)生固有的用專業(yè)知識(shí)解決專業(yè)問(wèn)題的思維定勢(shì)，培養(yǎng)與提高了學(xué)生用哲學(xué)原理解決實(shí)際問(wèn)題的能力。這是哲學(xué)與化工原理相結(jié)合的生動(dòng)實(shí)踐，也響應(yīng)了教育部要求在課程教學(xué)中把馬克思主義立場(chǎng)觀點(diǎn)方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合的指導(dǎo)方針。筆者將繼續(xù)探索在其他單元操作中用哲學(xué)思想解決專業(yè)問(wèn)題的教學(xué)。