《化學反應工程》教學改革與實踐

楊仁春，胡章文，任一鳴，李興揚

（安徽工程大學 生物與化學工程學院，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

復合型人才的培養(yǎng)一直是我國新時期高等教育的主要目標，高校學生不僅需要掌握理論知識，更應需具備將理論轉(zhuǎn)化為實踐應用的能力。我校是一所以工為主，多學科相互交叉的綜合性大學，培養(yǎng)人才的主要目標是工程設計型和技術開發(fā)型人才。因此，作為工科專業(yè)，如何將所學的理論知識轉(zhuǎn)換為工程應用，提高學生的工程問題解決能力就顯得尤為重要。

化學反應工程作為化工專業(yè)的主干課程，具有顯著的工程特色，是學生從化學化工理論學習通向工程設計和開發(fā)過程不可或缺的重要課程環(huán)節(jié)，其在化工專業(yè)課程中的地位不言而喻。學生能否學好這門專業(yè)課程對本專業(yè)的全面把握以及對今后的工作就業(yè)均有直接影響。因此，如何激發(fā)學生學習的主動性，增強學生的工程思維能力和創(chuàng)新能力，提高學生的化學工程設計和化工技術開發(fā)的綜合水平，則是本課程教學改革的基本方向。

2 存在的問題

與化學工程學科的其他專業(yè)課程不同的是，化學反應工程是除研究化學反應自身規(guī)律外，還需重點考查工程因素（傳質(zhì)、傳熱、傳動）對化學反應的影響。這類工程因素的存在，使得以往對化學反應動力學研究所采用的因次分析法和相似法無能為力，故該問題的解決只能借助數(shù)學模型。然而，該類模型由于反應速率和動力學參數(shù)的非線性特征，以及多參數(shù)的引入，使得方程異常復雜。針對這一復雜的化學、工程、數(shù)學等綜合一體的問題，采取什么樣的教學方式，使得課程淺學易懂，并能有效提高學生的工程思維能力、科學計算能力及工程設計能力；如何改進化學反應工程的教學方法，提高本課程的教學質(zhì)量，適應社會的發(fā)展需求，就成為化工專業(yè)課程教師所面臨的新挑戰(zhàn)。目前，該門課程在教學過程中存在的問題具體表現(xiàn)如下。

2.1 工程思維引入不突出，造成學生學習理解困難

化學反應工程不再是簡單的化學問題，它已將工程因素影響作為對象加以考慮，因此，學生對這一課程的學習往往感覺生疏、顧此失彼。倘若在教學過程中，沒有將反應工程課程中的化學因素和工程因素進行有效地分解和綜合，那么學生在缺乏工程思維的情況下，對該課程的理解肯定會不得要領、感覺抽象，造成理解困難。在現(xiàn)今的教學過程中，若還只是借助單一的課本教學，那么學生的工程思維的培養(yǎng)恐怕只能是畫餅充饑。因此，對于工科院校環(huán)境下的化學反應工程課程，如何將工程思維有效引入課堂教學還有待進一步發(fā)展完善。

2.2 課程體系因工程因素多樣化，銜接不夠緊湊，難以形成教學整體連貫

化學反應工程教材內(nèi)容一般分為微觀動力學部分和宏觀動力學部分，其中微觀動力學部分通常介紹動力學概念以及研究在理想反應器中進行的微觀反應動力學，而宏觀動力學則常常研究引入流體流動、傳質(zhì)、傳熱等工程因素影響下的動力學[1]。無論是微觀動力學還是宏觀動力學研究，其解決的手段主要依靠衡算基準進行數(shù)學建模。然而，教材中各章節(jié)對化學反應動力學、衡算過程、數(shù)學建模等內(nèi)容的展開各自相對獨立。倘若教師只是孤立的按照課本去講授各章節(jié)，那么學生對所學內(nèi)容往往會滿頭霧水。因此，如何對化學反應工程的各章節(jié)進行必要的邏輯梳理，對各章節(jié)進行合理的展開和合并，形成連貫的教學整體，則是本課程當前教學中亟待解決的問題。

2.3 教學方法較為單一，難以實現(xiàn)工程問題優(yōu)化的課堂教學

化學反應工程所研究的動力學涉及大量數(shù)學模型的建立和求解，內(nèi)容相對復雜且單調(diào)抽象。目前，教學過程中，主要依靠教師課堂講授為主，方法較為單一，學生的學習思路拓展十分有限。化學反應課程一般為60學時，單一的板書教學或是PPT播放教學已經(jīng)無法在短暫的課堂教學過程中，將大量的與之相關的化學、數(shù)學和工程學等相關知識進行優(yōu)化和傳授。面對復雜的計算模型，若不借助于相關的計算軟件（如Matlab和Excel），學生的學習過程只能是紙上談兵。因此，在教學過程中，若不采取多種方法和手段，那么就很難優(yōu)化課堂教學，不利于提高學生的積極性和教學質(zhì)量。

2.4 工程模型的復雜多樣，難以直接用于工程開發(fā)應用

化學反應工程研究的主要對象是反應器設計以及操作條件的優(yōu)化。因其所考察的動力學中反應速率與溫度的非線性特征，以及傳熱、傳質(zhì)和傳動過程的多維化、非理想化等因素存在，致使原本簡單的化學問題，就轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W、數(shù)學及工程學耦合一體的復雜問題。這些問題主要表現(xiàn)在：（1）方程的非線性，需要大量的迭代計算，于是手工的方法已經(jīng)無能為力；（2）大量的微分方程存在，需要指定的邊界條件，于是理想化的邊界條件又會存在一定誤差；（3）工程因素影響的多維化，很難獲取準確的解析解，這一問題解決則必須借助數(shù)值計算。因此，反應工程所涉及的工程問題，很難用簡單的數(shù)學方法獲得準確結(jié)果，工程的設計和過程的開發(fā)在課堂教學過程中也變得異常復雜。倘若，不引入新的模型求解思路，學生往往無法將理論知識轉(zhuǎn)化為工程應用。

3 解決方案

3.1 突出工程因素，培養(yǎng)學生工程思維

學生工程思維的培養(yǎng)，既有利于專業(yè)知識的掌握，也有利于理論知識的應用；學生只有對化學反應在工程過程中具體表現(xiàn)有了宏觀意識，才會有良好的學習興趣和理解能力[2]。在化學反應工程的教學過程中，應當將化學因素和工程因素對宏觀動力學的影響采取分解和類比的方法進行，突出學生工程思維的培養(yǎng)，具體過程如下。

（1）過程分解：首先將化學反應工程中諸如返混、傳質(zhì)、傳熱等物理因素對反應結(jié)果的影響，進行分解處理，分解為物理過程和化學過程。其中的化學過程是與設備大小無關的反應動力學因素，即為每個過程的個性；物理過程是指與設備大小密切相關的傳遞過程因素，即工程因素，這是過程的共性，不同反應其傳遞過程可以相同。讓學生理解工程因素對反應結(jié)果的影響，是通過流體流動、傳質(zhì)和傳熱等物理過程，改變了反應場所的濃度和溫度分布，再通過反應動力學的特征間接地影響了反應結(jié)果。

（2）內(nèi)容類比：其中的工程因素（傳質(zhì)、傳熱、傳動）影響的規(guī)律具有一定的相似性，對于相似的規(guī)律可以采取類比法教學，這樣不僅可以減少相似內(nèi)容的教學工作，還有助于加深學生對相關工程因素影響得學習印象，更有助于提高學生觸類旁通的能力，達到舉一反三的教學效果。學生通過相似的工程因素的類比，可以提高主觀能動性，培養(yǎng)積極地學習熱情。

3.2 合理調(diào)整教學內(nèi)容，定性分析工程因素，實現(xiàn)教學連貫

當前國內(nèi)的化學反應工程相關教材各章節(jié)的分布大致分為七個方面的內(nèi)容：（1）動力學研究基礎；（2）均相動力學和理想反應器；（3）均相動力學和非理想流動反應器；（4）非均相反應本征動力學；（5）非均相反應宏觀動力學；（6）非均相反應反應器；（7）反應器的熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性。各章節(jié)中由于研究的對象存在差異，所以展開的方式不盡相同，例如對于氣固相催化反應和氣液相催化反應，所采取的模型和解決手段就存在衡算對象和范圍的差異。

因此，針對這些問題，必須提煉出課程的主干思想和清晰的展開思路，只有合理的調(diào)整課程內(nèi)容，才能實現(xiàn)教學連貫。只有讓學生對課程框架有宏觀的了解，才能讓學生更好的對課程的微觀內(nèi)容的進行深入把握。對于本課程，在教學過程中，可以進行歸納，明確提出三個核心內(nèi)容、三個主要工業(yè)應用和解決途徑，具體過程如下:

（1）展開三個教學核心內(nèi)容：一是研究化學反應規(guī)律，建立反應動力學模型；二是研究反應器的傳遞規(guī)律，建立反應器傳遞模型；三是研究反應器內(nèi)傳遞過程對反應結(jié)果的影響。

（2）突出三個主要應用和解決途徑：一是工業(yè)反應過程的開發(fā)和放大：在小試中進行反應器的選型和工藝條件優(yōu)化，自小至大進行多次中間試驗，直至工業(yè)規(guī)模。二是工業(yè)反應過程的操作優(yōu)化：運用化學反應工程理論對反應過程進行分析，結(jié)合模擬研究，找出優(yōu)化方向，提高經(jīng)濟效益。三是新型反應器和反應技術的開發(fā)：通過反應工程的理論設計合理的設備結(jié)構(gòu)，獲取適宜的操作方法。

3.3 教學方法改進，強化工程應用

教學方法的改進不僅是教學的要求，更是時代的需要。在新時期，只有不斷改進教學方法，才能提高學生的積極性、探索性，才能培養(yǎng)學生的運用能力和操作能力。因此，針對化學反應工程這門工科課程，教學方法的改進也應與時俱進。

（1）借助現(xiàn)代教學媒體，激發(fā)學生學習興趣。化學反應工程學的模型多、公式多；因此，只借助板書教學，很難對數(shù)學模型和反應器的進行深入講解，大量的推導和畫圖勢必會轉(zhuǎn)移學生的注意力，產(chǎn)生視覺、聽覺和思維的疲勞。運用媒體輔助教學，可節(jié)省授課時間，利用模擬各種事物的動態(tài)變化，可使學生從動態(tài)直觀中得出結(jié)論，開闊學生思路。

（2）遵循學生的認識規(guī)律，給予學生實戰(zhàn)訓練。上課過程中，要注意觀察學生的聽課反應，即時的調(diào)整教學節(jié)奏。采取精講多練、案例式、啟發(fā)式、參與式的教學方法，激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學生的思維和學習能力。

（3）加強數(shù)學和工程理論，提高學生建模能力。加強學生化學反應動力學基礎、數(shù)學微積分知識、計算機軟件的理論知識培養(yǎng)，提高學生科學計算的能力和工程運用能力。

（4）理論和實踐應用相結(jié)合的教學方式。在理論教學的同時，注重實際應用和設計開發(fā)的介紹；必要的時候，可以參觀實驗室和企業(yè)裝置設備，鼓勵學生參與教師的科研與技術開發(fā)課題，進行反應器的部分設計和工藝條件優(yōu)化，提高理解能力和開發(fā)應用能力。

3.4 工程設計開發(fā)的探索

化學反應工程學的主要任務是工程設計和過程優(yōu)化，因其數(shù)學模型的非線性特征和多工程因素影響得多維性，故設計和優(yōu)化過程變得復雜。面對這一實際問題，應當借助計算機軟件，將復雜的化學、數(shù)學和工程問題進行仿真求解，通過數(shù)值分析方法、迭代計算手段，實現(xiàn)問題的解決。利用計算機的計算功能和繪圖功能，變抽象問題為具體問題，變靜態(tài)情境為動態(tài)情境，降低學習難度，突破教學難點。借助Matlab和Excel等常用軟件，進行數(shù)學建模；通過軟件的自帶功能進行模型求解，動態(tài)展示設計和開發(fā)的反應器及工藝過程，培養(yǎng)學生的學習熱情，提高學生的設計開發(fā)能力。

4 結(jié)論

化學反應工程本科教學過程中，如何增強學生的工程思維能力和創(chuàng)新能力，提高學生的化學工程設計和化工技術開發(fā)的綜合水平，是化工專業(yè)學生培養(yǎng)過程十分重要的環(huán)節(jié)。通過對化學反應工程課程中的工程思維引入、工程因素、教學方法以及工程模型等復雜性的特點，提出四個方面的解決思路：突出工程因素，培養(yǎng)學生工程思維；合理調(diào)整教學內(nèi)容，定性分析工程因素，實現(xiàn)教學連貫；教學方法改進，強化工程應用；工程設計開發(fā)的探索。

[1]許志美，張濂.倡導科學思維方法，培養(yǎng)工程分析能力——“化學反應工程”教學研究[J].化工高等教育，2003（1）：66-67.

[2]陽鵬飛，王延飛，賀楚華.“化學反應工程”課程教學與學生工程分析能力的培養(yǎng)[J].廣東化工，2010，37(10):169-170.