“三傳一反”一體式教學(xué)改革研究

楊仁春，唐定興，任一鳴

(安徽工程大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖　241000)

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“三傳一反”一體式教學(xué)改革研究

楊仁春，唐定興，任一鳴

(安徽工程大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000)

從“三傳一反”課程教學(xué)背景出發(fā)，針對(duì)“三傳一反”課程教學(xué)中存在的局限，提出將《化學(xué)反應(yīng)工程》和《化工傳遞》兩門(mén)課程進(jìn)行一體式教學(xué)。為提高學(xué)生專(zhuān)業(yè)綜合能力，在課程目標(biāo)、內(nèi)容組織和實(shí)施方法上對(duì)“三傳一反”提出了一體式教學(xué)的改革思路。

反應(yīng)工程；化工傳遞；一體式教學(xué)

在化工專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)體系中，“三傳一反”實(shí)際上是由《化學(xué)反應(yīng)工程》和《化工傳遞》兩門(mén)主干課程共同組成的，是專(zhuān)業(yè)課程體系的核心。[1-2]這兩門(mén)課程具有顯著的工程特色，是學(xué)生從化工理論學(xué)習(xí)通向化工生產(chǎn)操作和過(guò)程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的重要理論教學(xué)環(huán)節(jié)，其在化工專(zhuān)業(yè)課程中的地位不言而喻。[3-4]為滿(mǎn)足化工生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的發(fā)展需要，對(duì)于《化學(xué)反應(yīng)工程》和《化工傳遞》課程的教學(xué)改革，目前已有較多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究和探索。然而，現(xiàn)有的教學(xué)研究大多局限于對(duì)“三傳”或“一反”中的某一門(mén)課程進(jìn)行改革。

隨著計(jì)算機(jī)的快速升級(jí)，研究者們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，實(shí)現(xiàn)“傳遞過(guò)程”對(duì)“反應(yīng)速率”影響的更深層次認(rèn)識(shí)。研究顯示，在整個(gè)化學(xué)反應(yīng)設(shè)備中，空間各點(diǎn)的溫度、濃度和速度差異對(duì)其反應(yīng)速率有著顯著的影響。因此，針對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)操作，“三傳一反”的理論教學(xué)和實(shí)踐必須做出相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)這一發(fā)展需要。但是，從目前大多數(shù)的教學(xué)安排來(lái)看，對(duì)于這兩門(mén)課程的內(nèi)在聯(lián)系、內(nèi)容組織和實(shí)施方式等方面，還存在許多待改進(jìn)之處。

一　《反應(yīng)工程》和《化工傳遞》課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

1．“三傳一反”相對(duì)獨(dú)立的課程安排。

“三傳”是指動(dòng)量傳遞、能量傳遞和質(zhì)量傳遞，是一物理過(guò)程；而“一反”指的是化工生產(chǎn)過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)，是一化學(xué)過(guò)程。雖然，從理論分析上看“三傳一反”分別屬于兩個(gè)不同的領(lǐng)域(化學(xué)領(lǐng)域和物理領(lǐng)域)，但“三傳一反”在化工生產(chǎn)過(guò)程中卻是同步發(fā)生過(guò)程，并且這種化學(xué)過(guò)程和物理過(guò)程是相互影響的。然而，現(xiàn)有的教學(xué)過(guò)程中，“三傳一反”卻是由兩門(mén)課程共同組成的，通常處于獨(dú)立的教學(xué)狀態(tài)。顯然，這種獨(dú)立的課程安排，與生產(chǎn)過(guò)程中同步發(fā)生的“三傳一反”不相一致。

“三傳”和“一反”的獨(dú)立安排不僅不能反映生產(chǎn)過(guò)程的真實(shí)狀態(tài)，而且不利于學(xué)生對(duì)這一過(guò)程的整體性把握和學(xué)習(xí)。倘若在教學(xué)過(guò)程中，沒(méi)有很好地將這兩門(mén)課程的區(qū)別與聯(lián)系分析清楚，進(jìn)行有效地分解和綜合，那么學(xué)生對(duì)課程的理解必然不得要領(lǐng)，往往感覺(jué)生疏、顧此失彼。因此，針對(duì)“三傳一反”同步發(fā)生且相互影響的內(nèi)在聯(lián)系，必須將兩者作為一個(gè)整體考慮，進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容安排，才有可能提高學(xué)生對(duì)“三傳一反”同步過(guò)程的理解和掌握。

2．模型復(fù)雜性易弱化對(duì)“三傳一反”的整體性認(rèn)識(shí)與實(shí)踐。

《化學(xué)反應(yīng)工程》中反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作，所涉及的物料衡算、能量衡算、動(dòng)量衡算，對(duì)于時(shí)刻變化的濃度、溫度、速度而言，是十分復(fù)雜的過(guò)程。主要表現(xiàn)在：①方程涉及大量微積分和影響因素，模型復(fù)雜難以理解；②反應(yīng)過(guò)程受化學(xué)因素和物理因素交織影響，學(xué)生往往難以把握課程主體思想；③非線(xiàn)性方程的求解涉及大量的迭代計(jì)算，手工計(jì)算方式變得無(wú)能為力?！痘鬟f》主要研究對(duì)反應(yīng)過(guò)程起決定影響的速度、溫度、濃度的分布，而其主要通過(guò)建立并化簡(jiǎn)動(dòng)量傳遞、能量傳遞和質(zhì)量傳遞三個(gè)變化方程得以實(shí)現(xiàn)。同樣這一化簡(jiǎn)過(guò)程也十分復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：①大量微積分公式存在，需要很強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底；②非線(xiàn)性方程使得過(guò)程必須借助數(shù)值分析和求解。

由以上分析可知，無(wú)論是《化學(xué)反應(yīng)工程》還是《化工傳遞》，均涉及大量的微積分和非線(xiàn)性方程問(wèn)題。顯然，這些數(shù)學(xué)模型的理論性很強(qiáng)，要實(shí)現(xiàn)這些方程的化簡(jiǎn)與求解，學(xué)生必須具備較高的數(shù)學(xué)理論，如數(shù)學(xué)建模和數(shù)值分析等。對(duì)于非數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)往往相對(duì)困難，從而很大程度上削弱了課程的教學(xué)效果。故倘若課程安排以方程的化簡(jiǎn)為主，那就必然弱化了學(xué)生對(duì)“三傳一反”核心思想的把握。隨著計(jì)算機(jī)和大量商業(yè)軟件的廣泛使用，數(shù)學(xué)模型的化簡(jiǎn)與求解已經(jīng)不再是突出問(wèn)題。利用計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件的強(qiáng)大計(jì)算能力，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)“三傳一反”過(guò)程的計(jì)算服務(wù)。因此，如何在理論教學(xué)過(guò)程中弱化方程的化簡(jiǎn)與求解，突出工程因素對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響規(guī)律，則是該課程中亟待解決的另一重要問(wèn)題。

二　“三傳一反”一體式教學(xué)模式構(gòu)建

1．建立“三傳一反”課程整體觀。

“三傳一反”的目標(biāo)是獲得工程因素影響下的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，繼而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)操作條件優(yōu)化。其中，《反應(yīng)工程》的課程體系主要涉及兩大塊：均相反應(yīng)器和非均相反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化操作。均相反應(yīng)體系主要存在“返混”這一工程因素，而非均相體系主要存在“擴(kuò)散”這一工程因素?！痘鬟f》則本身并不研究化學(xué)反應(yīng)自身規(guī)律，其主要研究工程因素對(duì)濃度、溫度和速度分布的影響規(guī)律。顯然，“三傳一反” 是一個(gè)由化學(xué)因素+工程因素共同組成的整體過(guò)程。因此，在課程定位上，不能再以單獨(dú)的課程或章節(jié)進(jìn)行教學(xué)安排，而要強(qiáng)調(diào)工程因素對(duì)反應(yīng)影響規(guī)律具有相似性、一致性，立足“三傳一反”的整體過(guò)程，從而培養(yǎng)學(xué)生形成一體式的整體觀。

2．調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)與內(nèi)容銜接。

(1)簡(jiǎn)化部分內(nèi)容，突出過(guò)程重點(diǎn)。

為適應(yīng)“三傳一反”一體化教學(xué)目標(biāo)，適當(dāng)簡(jiǎn)化部分內(nèi)容，特別是復(fù)雜的方程化簡(jiǎn)過(guò)程，將有助于教學(xué)主題思路的突出和學(xué)生的快速學(xué)習(xí)把握。首先，要突出《反應(yīng)工程》中影響動(dòng)力學(xué)的兩大影響要素：化學(xué)因素和工程因素。對(duì)于均相反應(yīng)器部分，整體教學(xué)中要突出“返混”這一工程因素，強(qiáng)調(diào)因“返混”而造成的各類(lèi)不同反應(yīng)器中“物料衡算”和“能量衡算”方程的各項(xiàng)物理意義，弱化方程的化簡(jiǎn)過(guò)程，可以直接給出相應(yīng)的化簡(jiǎn)結(jié)果。對(duì)于非均相反應(yīng)器要突出“擴(kuò)散”這一工程因素，具體實(shí)施上要強(qiáng)調(diào)內(nèi)、外擴(kuò)散對(duì)宏觀動(dòng)力學(xué)的影響，弱化其相應(yīng)的化簡(jiǎn)過(guò)程。對(duì)于《化工傳遞》課程，要突出課程的直接目標(biāo)是獲得各類(lèi)工況條件下的速度、溫度和濃度的空間分布與變化。為實(shí)現(xiàn)這一目的，從而開(kāi)展“三傳”所涉及的動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞方程的建立與化簡(jiǎn)。同樣，要明確“三傳”變化方程中的各項(xiàng)物理意義及其應(yīng)用，而要弱化三個(gè)變化方程的化簡(jiǎn)過(guò)程。通過(guò)減少模型化簡(jiǎn)內(nèi)容、突出主題思想，不僅可以節(jié)省理論教學(xué)學(xué)時(shí)、降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，而且還可以激發(fā)學(xué)生對(duì)相關(guān)模型應(yīng)用軟件的學(xué)習(xí)熱情。

(2)合理銜接“三傳”和“一反”的課程內(nèi)容。

如前所述，一旦建立了“三傳一反”課程的整體觀后，就要重新布置各章節(jié)內(nèi)容和授課進(jìn)度。在教學(xué)安排上，以60學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容為基準(zhǔn)：①首先，安排2學(xué)時(shí)講述“三傳一反”在整個(gè)化工專(zhuān)業(yè)課程體系中的地位，闡明與其它各課程之間的關(guān)系，并著重講述“三傳一反”的整體性；②隨后，對(duì)《化工傳遞》進(jìn)行簡(jiǎn)化，安排6學(xué)時(shí)的課時(shí)，講述簡(jiǎn)化版“三傳”中的變化方程建立及其各項(xiàng)物理意義，并突出“三傳”是如何影響濃度、溫度、速度分布；對(duì)于每一個(gè)變化方程，要清晰地將其中的各個(gè)量做到分解，讓學(xué)生理解每一個(gè)量對(duì)濃度、熱/功、力的貢獻(xiàn)；③最后，安排52學(xué)時(shí)，全面展開(kāi)“一反”的整個(gè)教學(xué)過(guò)程，并突出“三傳”在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中的地位；明確“三傳”是影響“一反”的外在工程因素，在各類(lèi)特殊的設(shè)備和工況條件下，實(shí)時(shí)解析工程因素“返混”和“擴(kuò)散”是如何影響非理想狀態(tài)和宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的各種狀況。

(3)引入計(jì)算機(jī)輔助模型化簡(jiǎn)的課外學(xué)習(xí)與實(shí)踐。

如前所述，對(duì)于溫度、濃度、速度分布所涉及的復(fù)雜模型的化簡(jiǎn)，在理論課堂教學(xué)上雖然因時(shí)間關(guān)系進(jìn)行弱化，但為了實(shí)現(xiàn)反應(yīng)操作條件的優(yōu)化和反應(yīng)器設(shè)計(jì)，該過(guò)程化簡(jiǎn)求解終究還是需要解決的問(wèn)題。為此，可以將計(jì)算化簡(jiǎn)部分內(nèi)容安排在課外進(jìn)行輔導(dǎo)學(xué)習(xí)。安排20學(xué)時(shí)的課外學(xué)習(xí)輔導(dǎo)內(nèi)容，引入具有強(qiáng)針對(duì)性的應(yīng)用軟件學(xué)習(xí)和使用。如針對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的擬合，可以引入簡(jiǎn)單的EXCEL或Origin軟件進(jìn)行擬合；如針對(duì)一維或二維的非線(xiàn)性方程多變量求解及變量分布獲取，可以采用數(shù)值分析法通過(guò)Matlab計(jì)算功能進(jìn)行編程計(jì)算；如針對(duì)三維空間的溫度、濃度和速度分布求取，可以借助Aspen仿真計(jì)算軟件進(jìn)行模擬求取。通過(guò)實(shí)例指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)一些常規(guī)反應(yīng)器內(nèi)的空間三維變量分布求取過(guò)程的演示，讓同學(xué)切身感受工程因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)結(jié)果的直接影響。通過(guò)課堂理論教學(xué)和課外計(jì)算輔導(dǎo)，做到“三傳一反”教學(xué)中的“學(xué)與算”的合理分工，突出理論學(xué)習(xí)的主線(xiàn)，降低學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)生的直觀感受和學(xué)習(xí)的積極性。

(4) 通過(guò)實(shí)踐教學(xué)強(qiáng)化兩門(mén)課程對(duì)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的統(tǒng)一。

在完成理論教學(xué)的同時(shí)，進(jìn)行一體式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅有助于學(xué)生對(duì)“三傳一反”整體性的把握，而且有利于學(xué)生專(zhuān)業(yè)綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。針對(duì)“三傳一反”過(guò)程的特點(diǎn)，合理安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如對(duì)于均相反應(yīng)體系，可以安排“返混程度測(cè)定”的模擬實(shí)驗(yàn)，可以以最為典型的循環(huán)反應(yīng)器為對(duì)象，安排以氯化鈉為示蹤劑的水循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)工程因素“返混”影響反應(yīng)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。對(duì)于非均相體系，可以安排學(xué)生參與教師的科研課題，如通過(guò)固定床管式反應(yīng)器進(jìn)行非均相小試實(shí)驗(yàn)，展示催化劑內(nèi)外擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響；考察氣固相反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)和微觀動(dòng)力學(xué)，并做出相應(yīng)的判定和分析，獲取工程因素對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)。必要的時(shí)候，可以組織學(xué)生參觀企業(yè)的冷模實(shí)驗(yàn)和側(cè)線(xiàn)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和操作，有望實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)“三傳一反”整體性認(rèn)識(shí)和綜合能力的培養(yǎng)。

三　結(jié)論

“三傳一反”是化工生產(chǎn)中的核心過(guò)程，該過(guò)程由化學(xué)過(guò)程和物理過(guò)程共同構(gòu)成。在本科教學(xué)過(guò)程中，提高學(xué)生對(duì)化學(xué)因素和工程因素影響的整體性理解和把握，實(shí)現(xiàn)化工過(guò)程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和條件優(yōu)化，則是化工專(zhuān)業(yè)學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。針對(duì)目前“三傳一反”教學(xué)過(guò)程存在的局限，為了適應(yīng)新時(shí)期化工專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程的要求，本文提出將《化學(xué)反應(yīng)工程》和《化工傳遞》兩門(mén)課程進(jìn)行一體式教學(xué)。這一改革將有助于學(xué)生整體性把握和應(yīng)用“三傳一反”理論與實(shí)踐。

[1]白妮，王愛(ài)民.化學(xué)反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].榆林學(xué)院學(xué)報(bào)，2015,25(6):49-51.

[2]劉志雄.淺談微分思維在化工傳遞過(guò)程教學(xué)的運(yùn)用[J].廣東化工，2013,40(3):153-154.

[3]汪小紅，孔學(xué)軍，官葉斌. “化學(xué)反應(yīng)工程”課程專(zhuān)題研習(xí)教學(xué)的引入與實(shí)踐[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2015,20(2):128-130.

[4]胡粉娥，王惠平，韓林剛，等.化工傳遞過(guò)程中“三傳”的類(lèi)似性分析[J].曲靖師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014,33(3):31-34.

Class No.:G642Document Mark：A

(責(zé)任編輯：鄭英玲)

Study of the Integrating Instruction Teaching of Transference Processes and Reaction Engineering

Yang Renchun, Tang Dingxing, Ren Yiming

(School of Biological and Chemical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000，China)

From the background of the transference processes and reaction engineering, the integrating instruction teaching of the chemical reaction engineering and transference processes is presented. To increase the professional comprehensive ability of the students, we discussed the aim of the integrating instruction teaching, the teaching materials organization and the implementing measures of the teaching reform.

chemical reaction engineering; transference phenomenon; integrating instruction teaching

A

楊仁春，博士，副教授，安徽工程大學(xué)。

安徽工程大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目(編號(hào)：2011xjy50)；安徽工程大學(xué)化學(xué)工程與工藝特色專(zhuān)業(yè)(編號(hào)：b05029)。

1672-6758(2016)08-0001-3

G642.0