化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)改革與實(shí)踐

梁克中+黃美英+賴慶柯

摘 要：化學(xué)反應(yīng)工程是化工類專業(yè)的核心課程，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)、強(qiáng)化工程分析能力都具有十分重要的作用。本文闡述了根據(jù)化學(xué)反應(yīng)工程課程的學(xué)科特點(diǎn)，通過在課程教學(xué)中進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面的改革，加強(qiáng)教學(xué)管理等方法，以提高課程教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，為化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)工程；教學(xué)改革；實(shí)踐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.200

化學(xué)反應(yīng)工程是化工類專業(yè)的一門核心課程。該課程以物理化學(xué)、化工原理、化工熱力學(xué)等化工專業(yè)基礎(chǔ)課為先修課程，其主要研究物料從進(jìn)入反應(yīng)器到離開為止的全過程，主要解決過程中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器分析與設(shè)計(jì)兩個(gè)基本問題?；瘜W(xué)反應(yīng)工程內(nèi)容涉及多學(xué)科，理論較抽象，數(shù)學(xué)模型多，計(jì)算復(fù)雜繁瑣，有些方程只能通過數(shù)值計(jì)算求解。因此有不少學(xué)生把化學(xué)反應(yīng)工程認(rèn)為是大學(xué)中最難學(xué)的課程之一[1-3]。

重慶三峽學(xué)院是一所普通本科院校，學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才。在化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)中，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，讓學(xué)生能系統(tǒng)掌握本課程的內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容達(dá)到較為合理的程度，力求把化學(xué)反應(yīng)工程基本觀點(diǎn)與相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)緊密聯(lián)系起來，著重培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)、應(yīng)用型化工高級(jí)人才。為此，以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)分析、解決實(shí)際問題的能力為目標(biāo)，把課程的理論研究與教學(xué)方法、手段等方面研究相結(jié)合，積極地進(jìn)行教學(xué)改革探索與實(shí)踐[4-6]。

1 教材的選擇和教學(xué)內(nèi)容的精選

優(yōu)秀的教材是課程教學(xué)的基本保證。有關(guān)化學(xué)反應(yīng)工程的教材版本很多，體系編排差別較大，所涉及到的內(nèi)容大都符合教學(xué)大綱的規(guī)定，因此合理選擇教材對(duì)于教學(xué)和學(xué)習(xí)非常重要。根據(jù)我校的實(shí)際情況，在研究多個(gè)版本教材的基礎(chǔ)上，認(rèn)為普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材、由陳甘棠教授主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》（第三版）符合教學(xué)內(nèi)容及授課體系，該書定為我?；瘜W(xué)反應(yīng)工程課程教材。該書內(nèi)容經(jīng)典系統(tǒng)，覆蓋面大，循序漸進(jìn)，篇幅較短，易于學(xué)生掌握。其它版本的教材當(dāng)中，朱炳辰教授主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》更注重反應(yīng)工程研究方法介紹，并在相應(yīng)章節(jié)中論述了反應(yīng)工程學(xué)科的新進(jìn)展，便于讀者深入鉆研。兩本教材各有特色，可互為補(bǔ)充。另外選取優(yōu)秀的外文版教材譯本作為學(xué)生的參考書，讓學(xué)生涉獵到化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的前沿知識(shí)，開拓視野。

課程教學(xué)內(nèi)容要力求體現(xiàn)本學(xué)科的科學(xué)性、先進(jìn)性和適用性。教師只有掌握了該課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，才能夠抓住教學(xué)重、難點(diǎn)，精心選擇教學(xué)內(nèi)容。化學(xué)反應(yīng)工程課程的基本內(nèi)容包括反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析兩個(gè)方面，依據(jù)化工過程中的化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)過程中的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞關(guān)系來講解，并對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，闡明反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基本原理。在實(shí)際的教學(xué)中，教師應(yīng)清楚課程各部分知識(shí)的結(jié)構(gòu)層次與相互關(guān)系，緊緊圍繞反應(yīng)工程學(xué)科的兩個(gè)基本問題，把基本觀點(diǎn)與基礎(chǔ)知識(shí)聯(lián)系起來，從工程分析的角度討論化學(xué)反應(yīng)工程中的重要概念。因此任課教師備課時(shí)必須認(rèn)真鉆研教材，了解本學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)及前沿，精心組織講課內(nèi)容，合理安排，突出重難點(diǎn)，內(nèi)容詳實(shí)。重點(diǎn)講授氣-固相催化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)與宏觀動(dòng)力學(xué)、理想流動(dòng)反應(yīng)器、反應(yīng)器中的混合及對(duì)反應(yīng)的影響等章節(jié)，突出工程意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。對(duì)于氣-液反應(yīng)及反應(yīng)器、氣-液-固三相反應(yīng)工程和多流體相的反應(yīng)過程等內(nèi)容，進(jìn)行適當(dāng)講解。同時(shí)努力拓寬教學(xué)內(nèi)容信息，把學(xué)科研究的最新工業(yè)化成果向?qū)W生介紹，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)和工程意識(shí)。對(duì)于本課程與其他學(xué)科領(lǐng)域交叉形成的一些新的分支，如聚合反應(yīng)過程、生物反應(yīng)工程、電化學(xué)等，以學(xué)生自學(xué)為主，達(dá)到開拓學(xué)生的視野和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力的目的。

2 采用靈活多樣化的課堂教學(xué)模式

課堂教學(xué)是化學(xué)反應(yīng)工程理論教學(xué)的主要環(huán)節(jié)。本課程涉及較多工程數(shù)學(xué)知識(shí)，且要求有一定的邏輯思維能力，由于學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較薄弱，專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)面也不寬，課堂講授的內(nèi)容和方法必須適當(dāng)，才能收到較好的教學(xué)效果。在化學(xué)反應(yīng)工程課程的教學(xué)過程中，采用多種多樣的課堂教學(xué)方法，改變完全以教師為中心的講授式教學(xué)為多種教學(xué)方法并用， 以達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高課堂教學(xué)效果。下面介紹主要采用的幾種教學(xué)方法。

2.1 講授式教學(xué)

教師系統(tǒng)地向?qū)W生傳授學(xué)科知識(shí)。教師在講授每一章時(shí)都可先用幾分鐘的時(shí)間，采用圖示的方法，概括本章主要內(nèi)容和基本理論結(jié)構(gòu)框架，讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)教學(xué)目標(biāo)，明確教學(xué)思路和重、難點(diǎn)以及具體應(yīng)用實(shí)例，特別要聯(lián)系實(shí)際和知道如何應(yīng)用到相應(yīng)的具體計(jì)算當(dāng)中。在每一堂課開始時(shí)，都應(yīng)該有承上啟下的對(duì)上一節(jié)課的內(nèi)容相應(yīng)的總結(jié)，使學(xué)生能夠?qū)⒅R(shí)有機(jī)地結(jié)合起來。教師在講授過程中要詳細(xì)講解典型內(nèi)容，并要突出重、難點(diǎn)。如氣-固催化反應(yīng)和氣-液反應(yīng)過程，可以根據(jù)反應(yīng)物分子必須接觸碰撞才能進(jìn)行反應(yīng)的共同特點(diǎn)入手，講解其最基本的反應(yīng)步驟。讓學(xué)生了解其共性后，能夠舉一反三，推導(dǎo)出相應(yīng)的液-液、液-固反應(yīng)過程，既調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又能使學(xué)生牢固掌握基本理論。

2.2 互動(dòng)式教學(xué)

即授課過程中教學(xué)雙方經(jīng)常進(jìn)行交流互動(dòng)。教師可以選出教材中較為典型的章節(jié)或例題，首先提出問題，由學(xué)生自行閱讀課本，讓學(xué)生帶著問題自主學(xué)習(xí)，以學(xué)習(xí)課程知識(shí)為重點(diǎn)，讓學(xué)生自行討論閱讀的內(nèi)容后，全班討論或小組討論，最后教師強(qiáng)調(diào)并總結(jié)該部分內(nèi)容中的關(guān)鍵概念和原理等。每次課程結(jié)束時(shí)，教師可以給學(xué)生布置總結(jié)本次課程內(nèi)容的任務(wù)，下次課上隨機(jī)抽出幾位學(xué)生對(duì)前一次課的內(nèi)容進(jìn)行提綱挈領(lǐng)式的回顧，由此達(dá)到督促學(xué)生課后自主復(fù)習(xí)，及時(shí)消化，保證知識(shí)的連貫性，達(dá)到溫故而知新的目的?；?dòng)式教學(xué)方法能夠促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)，新問題的提出，又能刺激學(xué)生主動(dòng)想法獲取問題答案，學(xué)生上課的積極性很快提高，取得了良好的教學(xué)效果。

2.3 歸納對(duì)比法教學(xué)

化學(xué)反應(yīng)工程教材中的概念抽象，公式繁多，教學(xué)推導(dǎo)過程復(fù)雜。歸納對(duì)比法在化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)過程和指導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固知識(shí)過程中起著重要的作用，可以把零散的、不成系統(tǒng)的基本概念知識(shí)系統(tǒng)化、理論化。例如，將理想反應(yīng)器和非理想反應(yīng)器，連續(xù)反應(yīng)器和間歇反應(yīng)器，平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器，等溫恒容反應(yīng)與等溫變?nèi)莘磻?yīng)，流化床反應(yīng)器和固定床反應(yīng)器等基本概念進(jìn)行對(duì)比。通過比較，找出概念的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，把相近的概念區(qū)別開來，從而達(dá)到簡化、概括和記憶的目的。除了本學(xué)科之內(nèi)的概念比較外，也可以不同學(xué)科進(jìn)行比較。如把反應(yīng)器中三傳問題與化工原理中的單元操作相比較，把宏觀動(dòng)力學(xué)與物理化學(xué)課程的本征動(dòng)力學(xué)相比較，有意將化學(xué)反應(yīng)工程和已經(jīng)學(xué)過的課程進(jìn)行聯(lián)系，以加深學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)的興趣。將復(fù)雜的概念用列表、提綱等簡單明了的形式表達(dá)出來，使學(xué)生在“識(shí)同辨異”中增進(jìn)學(xué)習(xí)興趣，在“歸納”中滲透，在“對(duì)比”中鞏固，最終達(dá)到提高學(xué)習(xí)效率的目的。

2.4 案例教學(xué)法[7]

化學(xué)反應(yīng)工程教材中的很多化工案例，內(nèi)容過于簡略，學(xué)生很難從中真正領(lǐng)會(huì)到案例的作用。對(duì)于教學(xué)過程中選用的一些能夠反映技術(shù)發(fā)展前沿和創(chuàng)新科研的工業(yè)實(shí)例，可采用案例教學(xué)法。從化工實(shí)踐中選取合適的案例，進(jìn)行專題討論，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體作用，使他們通過積極的思維后主動(dòng)獲取知識(shí)。在案例教學(xué)的討論中要注意教材中前后章節(jié)內(nèi)容的連貫性，不孤立分割每一章節(jié)內(nèi)容，要讓同學(xué)意識(shí)到，所學(xué)的知識(shí)不是獨(dú)力的而是共同為解決實(shí)際問題服務(wù)的。例如在講授固定床氣-固相催化反應(yīng)時(shí)，選擇學(xué)校實(shí)習(xí)基地宜化化工集團(tuán)公司合成氨多段絕熱固定床反應(yīng)器的案例，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)習(xí)認(rèn)識(shí)，對(duì)固體催化劑的裝載具體要求，反應(yīng)器的具體實(shí)際類型和操作條件、操作方式等進(jìn)行詳細(xì)講解和討論，讓學(xué)生深刻體會(huì)氣-固相反應(yīng)的過程、固定床催化器的特點(diǎn)、使用情況和選型原則等，初步掌握化工生產(chǎn)過程分析問題和解決問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力。案例教學(xué)可以給學(xué)生留下深刻的印象，從而激發(fā)他們的創(chuàng)造欲，使他們成為推動(dòng)學(xué)科發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步的新生力量。

3 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)充分融合

在教學(xué)過程中，化學(xué)反應(yīng)工程課程組教師充分認(rèn)識(shí)到理論教學(xué)與化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)和化工設(shè)計(jì)的統(tǒng)一性，理論知識(shí)能指導(dǎo)實(shí)踐，科學(xué)實(shí)踐又能幫助將感性認(rèn)識(shí)上升為理性認(rèn)識(shí)后，再應(yīng)用到實(shí)踐中去。抓住各實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的機(jī)會(huì)，將本課程中的理論融入實(shí)踐教學(xué)之中。

由于校院兩級(jí)投入的加大，實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)踐教學(xué)條件有了較大的發(fā)展。針對(duì)本課程所設(shè)置的教學(xué)實(shí)驗(yàn)有多釜串聯(lián)反應(yīng)器停留時(shí)間分布測定實(shí)驗(yàn)、管式反應(yīng)器烴類裂解反應(yīng)實(shí)驗(yàn)、苯酐合成實(shí)驗(yàn)、固定床與流化床的流動(dòng)特性測定實(shí)驗(yàn)和乙苯脫氫制苯乙烯實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在開設(shè)的化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)中，有很多實(shí)驗(yàn)是和理論課程緊密相連的，只要科學(xué)合理安排理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就能使二者有機(jī)結(jié)合，為本課程的實(shí)踐教學(xué)提供良好的支撐。進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中認(rèn)識(shí)真正的反應(yīng)器，并將所學(xué)理論知識(shí)運(yùn)用到反應(yīng)器的操控和數(shù)據(jù)的處理。改變那種老師“抱著走”的單一教學(xué)方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動(dòng)性。

課程設(shè)計(jì)是完成課程教學(xué)后對(duì)該課程基本知識(shí)和技能進(jìn)行綜合應(yīng)用的一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生解決生產(chǎn)實(shí)際問題的能力和知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。為了進(jìn)一步深化學(xué)生對(duì)化工反應(yīng)器的認(rèn)識(shí)，建成了仿真計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，仿真實(shí)驗(yàn)室安裝有化工設(shè)計(jì)模擬軟件，為學(xué)生化工設(shè)計(jì)實(shí)踐提供了良好條件?；瘜W(xué)反應(yīng)工程課程的主講教師也是化工設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師，學(xué)生以小組為單位，教師提出設(shè)計(jì)課題，學(xué)生查閱工程手冊(cè)等資料，采用CAD 繪制設(shè)計(jì)圖紙，并通過答辯完成課題設(shè)計(jì)。通過反應(yīng)工程的課程設(shè)計(jì)，初步培養(yǎng)學(xué)生的工程理念。

化學(xué)工程與工藝專業(yè)的學(xué)生都必須要經(jīng)歷認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程課程組教師充分利用這些實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生把課程理論知識(shí)與現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合。例如在實(shí)習(xí)中，給學(xué)生下達(dá)任務(wù)，了解相關(guān)工業(yè)反應(yīng)器的形式和特點(diǎn)，其中所發(fā)生反應(yīng)的類型和特點(diǎn)，記錄反應(yīng)器進(jìn)出物料組成和流量等數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行物料衡算，計(jì)算主產(chǎn)物的收率、選擇性等，使學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，體會(huì)到所學(xué)知識(shí)在實(shí)際工作中的作用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)理論與工程實(shí)際的緊密結(jié)合。

4 改革考核方式

考試具有測評(píng)教師教學(xué)水平和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的功能，還有引導(dǎo)學(xué)生積極學(xué)習(xí)的“無形指揮棒”作用?？荚囍贫鹊母母锟梢酝瑫r(shí)有效促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、方法和手段的改革?？荚囃ǔＳ虚_卷和閉卷兩種，各有特點(diǎn)。本課程采用平時(shí)成績（占20 %）和期末考試成績（占80 %）相結(jié)合的考核方法?；瘜W(xué)反應(yīng)工程課程試題多年來一直堅(jiān)持教考分離，每次考試試卷由其他教師按基本要求從試題庫出70%的考題，主講教師根據(jù)各自的講課特點(diǎn)出30%的考題組合而成。這種命題方式既考慮了課程的基本要求，實(shí)施教考分離，又能充分發(fā)揮各主講教師自己的講課特色，要求學(xué)生體會(huì)課堂教學(xué)的內(nèi)容。

平時(shí)成績按照學(xué)生平時(shí)出勤、作業(yè)、課堂回答問題及課堂練習(xí)考核、寫小論文、寫專題報(bào)告等情況綜合評(píng)定給出。平時(shí)學(xué)生可以上學(xué)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程精品課程網(wǎng)站，自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生的綜合素質(zhì)得以提高。

期末筆試考核學(xué)生必須掌握和熟記的基本理論、數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法等，按照期末筆試答題情況給出期末成績。這種綜合評(píng)定成績方式督促學(xué)生注重綜合素質(zhì)的提高，對(duì)學(xué)生良好的學(xué)風(fēng)建設(shè)起到了促進(jìn)作用。任課教師在每次考試后，要求必須對(duì)試卷進(jìn)行詳細(xì)分析和課程總結(jié)，找出試卷中學(xué)生存在的共性問題和薄弱環(huán)節(jié)，為下一輪教學(xué)起到借鑒和促進(jìn)作用，并注意在教學(xué)過程中不斷改進(jìn)和完善，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)兩方面共同提高。

5 結(jié)束語

在當(dāng)今實(shí)施素質(zhì)教育、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的社會(huì)大背景下，化學(xué)反應(yīng)工程作為一門工程學(xué)科，要求學(xué)生系統(tǒng)掌握反應(yīng)工程課程的內(nèi)容，能夠把反應(yīng)工程基本觀點(diǎn)與工程知識(shí)緊密聯(lián)系起來，從工程應(yīng)用分析的角度來討論重要的工程概念。通過課堂教學(xué)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)相結(jié)合以及創(chuàng)建課外實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)平臺(tái)和考試形式等多方面的教學(xué)改革，并比較了改進(jìn)前后的教學(xué)方法對(duì)教學(xué)效果的影響進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)不同的內(nèi)容采取相應(yīng)的教學(xué)方法，學(xué)生更便于理解掌握教學(xué)內(nèi)容，收到了良好的教學(xué)效果?；瘜W(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)改革還只做了初步的改革探索與實(shí)踐，每個(gè)學(xué)校具體情況都不一樣，應(yīng)根據(jù)自己的專業(yè)方向和辦學(xué)特色做進(jìn)一步的探討。

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[7]張耀霞，曹振恒，付峰等.《化學(xué)反應(yīng)工程》理論課教學(xué)方法探索[J].化學(xué)工程與裝備，2012，22（3）：163-165.