化工反應工程實驗教學改革與實踐

楊亞平 陳銳杰 路春娥

摘要 分析東南大學成賢學院化工反應工程實驗課程的現(xiàn)狀，介紹化工反應實驗在教學設備開發(fā)和改進、教學內(nèi)容、教學方法和教學手段等方面進行改革的具體做法。實踐表明，改革有利于學生反應工程實驗技能和綜合素質(zhì)的提高，確保教學質(zhì)量的提高。

關鍵詞 化工反應工程實驗；教學改革；實驗技能

中圖分類號：G642.423文獻標識碼：B文章編號：1671-489X(2012)12-0117-03

Reform and Practice in Teaching Chemical Reaction Engineering Experiment//Yang Yaping1, Chen Ruijie1, Lu Chune2

Abstract By means of the course status analysis, this article describes specific practices of reform on equipment development and improvement, teaching content, teaching methods, assessment methods of Chemical Reaction Engineering experiment in Southeast University Chengxian College. Practice shows that the reform will help improve the skills in organic synthesis experiments and overall quality of students, ensure the improvement of teaching quality.

Key words chemical reaction engineering experiment; teaching reform; skills in experiment

Authors address

1 Department of Chemical and Pharmaceutical Engineering of Southeast University, Chengxian College,

Nanjing, China 210088

2 School of Chemistry and Chemical Engineering of Southeast University, Nanjing, China 211189

化學反應工程是化學工程的一個分支，簡稱反應工程，于20世紀50年代才開始逐漸形成?；瘜W反應工程課程是一門綜合性、工程性和理論性都很強的課程，既有工程問題的共性特點，又有工藝過程的個性特征。本課程要求學生有較為扎實的物理化學、化工原理、化工熱力學、工程數(shù)學和計算機基礎?；瘜W反應工程課程教學內(nèi)容覆蓋基本理論、實驗教學兩個教學環(huán)節(jié)，與化學反應工程理論課程相配套的實驗課程化工反應工程實驗，是一門化學工程與工藝專業(yè)高年級化工類專業(yè)實驗的必修課[1-3]。本實驗課程根據(jù)化學工業(yè)的生產(chǎn)特點，以動力學為基礎，通過定量計算、實驗技能和設計能力的訓練，培養(yǎng)學生牢固的工程觀點，使學生對化工生產(chǎn)中常用的反應器有一個深層次的了解。通過該課程的學習，培養(yǎng)了學生運用基礎理論分析解決各種實際工程問題的能力，為化工行業(yè)培養(yǎng)具有科研、設計和生產(chǎn)實踐等方面需要的專業(yè)人才。

1 化工反應工程實驗課程的現(xiàn)狀與分析

東南大學成賢學院是一所以培養(yǎng)應用型人才為目標的獨立學院，化工與制藥工程系自2007年建系以來，化工反應工程實驗一直作為化學工程與工藝專業(yè)高年級學生的必修課，是有機化學、無機化學、物理化學和化工原理四大化學課程的一個延伸與拓展。目前，化工與制藥工程系化工反應工程實驗引進6套實驗裝置，主要開設了與設備相對應的6個實驗，分別是乙苯脫氫制苯乙烯、甲苯氧化制苯甲酸、變壓吸附制富氧、非穩(wěn)態(tài)導熱系數(shù)的測定、單多釜提留時間分布及萃取精餾實驗。所有的實驗設備和儀器全部采購于某高校，每臺實驗設備對應一個固定的實驗內(nèi)容，受儀器設備臺數(shù)條件的限制，同時設備中存在部分設計的局限性，使得反應工程實驗始終停留在原有的實驗教學模式和教學內(nèi)容上，在實驗大綱和內(nèi)容上基本沿用了該高校的教學大綱和教學管理模式，沒有任何突破和改進。

考慮到學校人才培養(yǎng)模式和定位與該高校有較大的差異，化工與制藥工程系專業(yè)設置和學生生源質(zhì)量等諸多方面與該高校也有相當大的差異，如果完全照搬該高校實驗課程的設備和教學內(nèi)容，就會缺乏該系化學反應工程實驗自己的課程特色，缺乏實驗內(nèi)容的創(chuàng)新性，在人才培養(yǎng)上就會顯得定位不明確，不能完全體現(xiàn)學院自己的辦學特色。

2 優(yōu)化和擴展實驗內(nèi)容

考慮到以上因素，結合目前化工反應工程在化工行業(yè)的發(fā)展要求，針對原有實驗教學內(nèi)容上的缺點和不足，化工與制藥工程系先后進行一系列的教學改革和實踐，主要從以下幾個方面進行優(yōu)化和擴展。

2.1 開發(fā)和改進實驗設備

目前，化工行業(yè)發(fā)展迅猛，尤其是新工藝新設備更新?lián)Q代迅速，原有的很多化工操作單元已經(jīng)不能完全適應化工行業(yè)的發(fā)展需求。例如，化工產(chǎn)品的分離提純是化工行業(yè)最普遍操作單元，主要包括減壓蒸餾、萃取精餾、加壓精餾和加鹽精餾等。而該系化學反應工程實驗中只有一套精餾萃取裝置，而在減壓精餾、加壓精餾、加鹽精餾等提純分離方面，學生只是停留在課堂理論的基礎上，缺乏對這些化工分離操作的實踐認知和操作過程訓練。

為了適應這一化工行業(yè)的發(fā)展需求，學院特別針對化工反應工程實驗進行了教學改革，方案中專門對化工反應工程實驗的裝置進行了設計和改造，在院大學生實踐創(chuàng)新活動中，組織專門的教師和學生進行實驗裝置的設計與改造。學生在此次創(chuàng)新活動中，對化工原理、化工熱力學、機械制圖等方面的知識進行了系統(tǒng)的鞏固和綜合提高。經(jīng)過一年的努力，利用實驗室現(xiàn)有的場地，自行設計了精餾實驗裝置和氣液反應實驗裝置等兩套設備裝置，設計的裝置在材質(zhì)和儀表控制上都做了改進，改變了以往玻璃材質(zhì)耐壓和耐高溫性能差、儀表和輸液泵不夠精確的特點。新設計的精餾實驗裝置能夠?qū)崿F(xiàn)萃取精餾、加壓精餾、加鹽精餾等多種分離提純操作，新設計的氣液反應實驗裝置能夠?qū)芏嗟湫偷臍庖悍磻獙嶒炦M行操作。

另外，還改進了化工反應工程實驗現(xiàn)有設備中的一些設計缺陷和不足。如在甲苯氧化實驗中冷凝效果不佳，于是增加二級空氣冷凝管使冷卻效果大大改善；在乙苯脫氫制苯乙烯實驗中，原料必須先校正流量配比后方可輸入反應釜中，但由于反應位置與校正位置高度相差較大，導致原料進料配比與校正進料配比相差，于是通過改變輸液泵類型、液位槽位置等手段，使得反應配比更加準確，使反應收到很好的效果。

2.2 豐富實驗教學大綱的內(nèi)容

為了豐富和擴展化工反應過程實驗教學大綱的內(nèi)容，提高教學質(zhì)量，不僅利用現(xiàn)有的設備開發(fā)出了新的實驗內(nèi)容，提高了現(xiàn)有設備的利用率，同時利用自行設計的實驗裝置，增加了新的實驗內(nèi)容。如新增了化工產(chǎn)品分離提純實驗和氣液分離實驗的內(nèi)容，主要包括減壓精餾、加壓精餾、加鹽精餾、氣液反應等實驗操作內(nèi)容，如丙醛脫水實驗屬于加壓精餾實驗，對二異丙苯氧化反應實驗屬于氣液反應實驗。另外，利用現(xiàn)有的設備開發(fā)出更多的實驗內(nèi)容。例如，利用乙苯脫氫的實驗裝置，增加了化工反應過程中典型的流化床反應器的操作內(nèi)容。通過增設這些化工反應過程中典型的操作單元實驗內(nèi)容，豐富了化工反應工程教學大綱[4]，使化工反應工程實驗操作過程和方法緊跟化工行業(yè)發(fā)展的腳步，體現(xiàn)了學院對應用型人才培養(yǎng)的特點。

2.3 建立化工反應工程實驗工作站和仿真實驗平臺

為了模擬和優(yōu)化化學反應工程實驗的實驗條件、工藝參數(shù)，同時克服現(xiàn)有實驗設備數(shù)量的局限性，對現(xiàn)有的幾個化工反應工程實驗建立了的工作站和仿真實驗平臺。通過工作站處理軟件對實驗數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集，可以快速地進行數(shù)據(jù)處理和分析，及時有效直觀地對實驗結果進行評價，同時減少人為因素處理數(shù)據(jù)的誤差和繁瑣，提高了實驗教學效率[5]。另外，通過建立仿真實驗平臺，可以模擬不同條件下化工反應的控制過程，特別是一些受設備條件限制（如高溫高壓條件）的實驗過程，對實驗操作過程具有一定的理論依據(jù)和指導意義。

2.4 實驗內(nèi)容中增加產(chǎn)物表征操作

化學反應工程實驗中，在數(shù)據(jù)分析與處理中有的設備配備有專門的數(shù)據(jù)處理軟件，直接對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，學生實際動手操作的機會就相對較少。為了改變這種狀況，在實驗內(nèi)容中加強實驗反應過程的監(jiān)測、實驗結果表征方面的實驗內(nèi)容。如利用氣相色譜儀監(jiān)測反應過程中反應液的含量來判斷反應進程，通過熱導檢測器來分析精餾萃取液中水分的含量來確定最佳工藝條件，利用碘量法測定過氧化物的含量，等等。學生不僅在整個實驗過程中操作技能得到鍛煉和提高，同時對數(shù)據(jù)的處理分析、產(chǎn)物的表征、譜圖的解析等方面都得到了學習和提高。

3 加強過程管理，改進實驗教學方法

實驗過程管理是實驗教學內(nèi)容的重要組成部分，是保障實驗教學質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。化學反應工程實驗屬于大型設備實驗，是一門操作少而理論性相對較強的實驗教學，加強過程管理，形成化工反應工程實驗教學的學科特色，提高實驗教學質(zhì)量和水平十分重要。

3.1 加強實驗過程控制

化工反應工程實驗學時數(shù)相對較長，學生等待和空閑的時間較多。為了充分利用實驗過程中的等待時間，使實驗學時數(shù)更加飽滿，實驗過程中加強巡視，強調(diào)實驗過程中實驗現(xiàn)象的觀察、數(shù)據(jù)的采集整理和分析。在整個實驗過程中，學生的實驗操作能力、數(shù)據(jù)分析、譜圖解析、結果的分析與討論等各方面的能力都得到全面的鍛煉和提高。

3.2 合理分配循環(huán)實驗時間

化學反應工程實驗由于受到實驗特點和臺件數(shù)的限制，目前大都采用循環(huán)方式安排實驗，這就存在多個學生操作同一臺儀器設備的情況，使得有些學生得不到操作和鍛煉的機會。為了改善這種狀況，采用分組細化的方法，即同一臺儀器操作過程中，按照實驗學生數(shù)量來改變工藝條件參數(shù)進行分組實驗，盡可能地讓每個學生都有動手操作的機會。同時，由于工藝條件參數(shù)的不一樣，使得學生實驗操作過程、實驗數(shù)據(jù)處理及結論也不完全一致。這樣既讓更多的學生得到了訓練和提高，也改善了大量實驗數(shù)據(jù)重復，同組間學生實驗報告抄襲雷同的現(xiàn)象。

3.3 樹立牢固工程觀念，培養(yǎng)工程分析能力

化工生產(chǎn)過程錯綜復雜，為了讓學生更好地掌握化工反應實驗過程理論知識和實踐水平，透過現(xiàn)象看本質(zhì)。在實驗教學過程中，教師應從分析工程因素的本質(zhì)及反應特征入手，突出強調(diào)過程速率及其變化規(guī)律、傳遞規(guī)律及其對化學反應的影響。如通過實驗中工藝條件及參數(shù)的變化來分析實驗結果的影響，讓學生通過實驗來分析化工反應過程的基本規(guī)律，引導學生掌握化工反應工程研究的基本方法，使學生樹立牢固的工程觀念，培養(yǎng)學生采用工程分析方法來分析和解決工程實際問題的能力。

4 改革實驗考核方法，綜合評定學生成績

綜合評定學生的實驗成績是考察實驗教學效果的一個重要途徑，化工反應工程實驗以往主要從預習報告和實驗報告等方面進行考評。由于化工反應工程實驗主要是以工業(yè)反應過程為主要研究對象，研究過程速率及其變化規(guī)律、傳遞規(guī)律及其對化學反應的影響，因此，考慮到化工反應工程實驗課程的特殊性，在學生成績評定中，應適當增加學生實驗操作技能、實驗數(shù)據(jù)處理、實驗結果分析與討論等方面的評分比例，同時對學生的出勤、預習報告、實驗報告完成情況、實驗態(tài)度及衛(wèi)生等劃分不同的權重進行考評，多方面綜合評定學生的實驗成績，而不再把實驗結果的好壞作為衡量實驗成績的唯一標準。即便學生的實驗結果不理想，但在實驗報告中能做好實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗結果的分析與討論，從而找到失敗的原因，就可以獲得較好的實驗成績。通過這些考核制度的改革，培養(yǎng)了學生實事求是的科學態(tài)度，同時，學生的實驗技能、數(shù)據(jù)處理和分析能力等綜合能力都得到很大的提高。

5 結束語

雖然實施化學反應工程實驗教學改革與實踐時間不長，但已經(jīng)收到了較好的成效。例如，化工與制藥工程系在金陵石化、揚子石化認識實習和下場實習過程中，學生表現(xiàn)出比較強的動手操作能力和工程實踐能力；在畢業(yè)設計階段，學生表現(xiàn)出較強的操作技能、獨立工作能力和綜合實驗能力；另外，有相當一部分學生在揚子總控工和高級工的培訓中順利通過考試，取得了總控工和高級工的資格證書。然而也清醒地看到，實驗教學改革與實踐是一個持續(xù)的過程，

化工與制藥工程系應順應化工行業(yè)變化的形勢和發(fā)展要求，不斷深化教學改革，充分發(fā)揮學生的主體作用，不斷優(yōu)化和完善教學模式和管理水平，突出專業(yè)內(nèi)涵建設，不斷提高教學水平，加強實驗室建設，著力提高實驗教學水平。尤其在化學反應工程實驗中增設創(chuàng)新性、開放性實驗內(nèi)容，還有待進一步的探索和研究。

參考文獻

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[2]張雅明,谷和平,丁健.化學工程與工藝實驗[M].南京:南京大學出版,2006.

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