研究生高等反應(yīng)工程教學(xué)方法探索

辛志玲 張萍 郭文瑤 王羅春

摘要： 高等反應(yīng)工程是化學(xué)工程與技術(shù)一級學(xué)科碩士研究生的核心課程和學(xué)位課程。在高等反應(yīng)工程教學(xué)中，以提高研究生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)研究生的工程分析和解決工程實際問題的能力為目標(biāo)，采取案例教學(xué)、實驗教學(xué)、改革考核方式等方法，積極進(jìn)行教學(xué)改革，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：高等反應(yīng)工程；教學(xué)方法；案例教學(xué)

高等反應(yīng)工程是我?；瘜W(xué)工程與技術(shù)一級學(xué)科學(xué)位課中的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，是化工類碩士研究生必須修讀的課程。高等反應(yīng)工程是一門涉及物理化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、化工熱力學(xué)、化工傳遞過程、優(yōu)化與控制等知識領(lǐng)域的技術(shù)課程，是一門綜合性強、涉及面廣、數(shù)學(xué)要求高的專業(yè)技術(shù)課程，該課程以化學(xué)反應(yīng)工程的基本原理為基礎(chǔ)，以化工生產(chǎn)為背景，運用數(shù)學(xué)模型方法，重點對反應(yīng)過程、傳遞過程、反應(yīng)動力學(xué)、大型反應(yīng)器等進(jìn)行案例分析，培養(yǎng)研究生運用化學(xué)反應(yīng)工程基本原理和數(shù)學(xué)模型方法解決工業(yè)反應(yīng)過程開發(fā)、反應(yīng)器設(shè)計與操作中遇到的實際問題，增強研究生的工程分析和解決工程實際問題的能力。

高等反應(yīng)工程是為已具備反應(yīng)工程基本知識的碩士研究生拓寬反應(yīng)工程知識面，加深對反應(yīng)工程基本原理和數(shù)學(xué)模型方法的理解，提高運用反應(yīng)工程基本理論解決學(xué)術(shù)研究中遇到的問題，以及反應(yīng)器設(shè)計、 操作和控制中遇到的實際工程問題的能力，建立較為完整的理論體系。但由于我校的特殊情況，我?；瘜W(xué)工程與技術(shù)一級學(xué)科包括化學(xué)工程與工藝、環(huán)境工程、應(yīng)用化學(xué)、材料科學(xué)工程和材料化學(xué)五個專業(yè)，學(xué)生基礎(chǔ)差別很大，有的學(xué)生沒有學(xué)過物理化學(xué)，有的學(xué)生沒有學(xué)過化工原理，每年本科是化學(xué)工程的學(xué)生比例在9%，大部分學(xué)生本科都是非化工專業(yè)，這就給我們的教學(xué)帶來了很大的挑戰(zhàn)，既要符合研究生教學(xué)大綱的要求，又要讓沒有化工基礎(chǔ)的大部分學(xué)生聽懂實在是一個很難的事情，為了提高課程的教學(xué)效果，課程組進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革和探索，并取得了較好的效果。

一、 選擇合適教材，因材施教

為了培養(yǎng)研究生掌握基礎(chǔ)理論知識，并能夠運用所學(xué)知識分析和解決工程實際問題的能力，根據(jù)我校研究生的具體情況和研究生教學(xué)大綱的要求，我們選擇了華東理工出版社陳振民等人編寫的《高等反應(yīng)工程教程》教材，該教材是“十一五”國家重點圖書，并輔助以許志美等人編寫的《化學(xué)反應(yīng)工程原理》進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)理論的補充。

針對高等反應(yīng)工程課程內(nèi)容多、難度大、學(xué)生基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)狀，我們將課時由原先的32學(xué)時增加為48學(xué)時，同時對課程知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重組和內(nèi)容的整合，減少公式的推導(dǎo)，注重理論聯(lián)系實際，嘗試構(gòu)建一套適應(yīng)我校研究生培養(yǎng)的課程體系。根據(jù)我校研究生的實際情況，我們首先對化學(xué)反應(yīng)速率等概念進(jìn)行講解，補充間歇反應(yīng)器、平推流、釜式反應(yīng)器等所涉及的基本概念，如空速、停留時間、返混等，然后開始講解高等反應(yīng)工程的主要內(nèi)容，包括七部分：復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)體系的定量表征、理想均相反應(yīng)器分析、化學(xué)反應(yīng)器中的混合現(xiàn)象、外部傳遞過程對非均相催化反應(yīng)的影響、內(nèi)部傳遞對氣固相催化反應(yīng)過程的影響、固定床反應(yīng)器和氣液反應(yīng)和反應(yīng)器。在保持本課程必要的系統(tǒng)性前提下，對理論部分的闡述力求做到簡明精練、通俗易懂、突出重點難點，使得大家能較好地理解相關(guān)內(nèi)容。

二、 案例教學(xué)法

從化工實踐和教師的課題中選取合適的案例，進(jìn)行專題討論，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。案例要有較好的針對性和典型性，通過案例分析，既讓學(xué)生能獲得要掌握的知識，加深對基本概念的理解，又要培養(yǎng)其綜合分析問題和解決實際工程問題的能力。例如，在講授完固定床反應(yīng)器時，選取苯乙炔加氫的案例，組織學(xué)生做專題討論，對所學(xué)知識進(jìn)行總結(jié)。學(xué)生需要自己查閱文獻(xiàn)，寫出苯乙炔加氫的所有化學(xué)反應(yīng)方程式和熱力學(xué)分析的具體數(shù)據(jù)，知道哪些是目標(biāo)產(chǎn)物，哪些是副產(chǎn)物，目前工業(yè)上用的催化劑是哪些？最新的研究方向是什么？以此引入催化劑的概念，涉及催化劑的老化、中毒、轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率等概念。反應(yīng)器設(shè)計和優(yōu)化方面，比如，以年產(chǎn)2.2萬噸甲硫醇的含硫廢氣資源化項目為例，其中涉及二氧化硫加氫和甲硫醇轉(zhuǎn)化兩個反應(yīng)器，首先需要根據(jù)各反應(yīng)過程的特點確定反應(yīng)器類型，選擇適宜的催化劑并選取相應(yīng)的動力學(xué)模型，結(jié)合生產(chǎn)規(guī)模確定反應(yīng)器進(jìn)料流量，以此計算催化劑裝填量、床層高度和床層截面積。還可建立相應(yīng)的反應(yīng)器模型，對操作條件、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過理論聯(lián)系實際的辦法，使學(xué)生把理論知識和實際問題聯(lián)系起來，跳出單一的理論學(xué)習(xí)的模式。結(jié)合高等反應(yīng)工程的主要知識點，課程組編制了十多個案例，包括在反應(yīng)工程發(fā)展史上具有代表性、 典型性且設(shè)計方法較成熟的三套管連續(xù)換熱式氨合成塔、乙苯脫氫、多段絕熱式固定床二氧化硫轉(zhuǎn)化器、汽車尾氣凈化、SCR脫硝反應(yīng)系統(tǒng)以及甲醇合成等案例。通過案例教學(xué)，循循善誘地啟發(fā)學(xué)生的思維，使學(xué)生的注意力集中，使課堂變得生動豐富。

三、 實驗教學(xué)法

因為本校的研究生大多本科沒有學(xué)過化學(xué)反應(yīng)工程，對很多知識點的理解不夠深入，所以我們特意為研究生開設(shè)了高等反應(yīng)工程實驗課程。實驗課是課程教學(xué)的一個重要組成部分，是課堂所學(xué)理論知識的具體應(yīng)用，一方面可以驗證課堂教學(xué)的理論，使學(xué)生加深理解、鞏固化學(xué)反應(yīng)過程的規(guī)律和基礎(chǔ)理論；另一方面是使學(xué)生樹立工程觀點，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力，同時培養(yǎng)學(xué)生開展科學(xué)研究的能力，為進(jìn)入課題組的深入研究打好基礎(chǔ)。針對每一個重要的知識點，針對性地設(shè)計了實驗。為了掌握氣液反應(yīng)的反應(yīng)機理和傳質(zhì)過程，我們開設(shè)了雙驅(qū)動攪拌器測定氣液傳質(zhì)系數(shù)的實驗，通過實驗學(xué)生可以直觀的了解氣液反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、氣液流體的傳質(zhì)方式、氣液傳質(zhì)的影響因素等等。為了加深對停留時間和返混概念的理解，我們開設(shè)了連續(xù)流動反應(yīng)器中的返混測定實驗，通過單釜與三釜反應(yīng)器中停留時間分布的測定，將數(shù)據(jù)計算結(jié)果用多釜串聯(lián)模型來定量返混程度，從而認(rèn)識限制返混的條件，讓學(xué)生真正的了解停留時間分布與多釜串聯(lián)模型的關(guān)系，而不只是停留在課本的理論公式上。此外我們還開設(shè)了鼓泡反應(yīng)器中氣泡比表面及氣含率的測定、恒沸精餾以及SCR催化劑的活性評價等實驗。通過實驗，有利于提高學(xué)生的動手能力，有利于學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)工程的理論知識的全面理解和掌握。

四、 考核方式改革

根據(jù)研究生的特點和實際情況，我們課程組對考核方式進(jìn)行了改革，主要考察研究生綜合運用所學(xué)知識的能力，（1）平時成績占總成績的30%，主要根據(jù)研究生的作業(yè)情況以及小組討論時的課堂表現(xiàn)、問題回答等情況進(jìn)行評價；（2）考試形式由傳統(tǒng)的閉卷改為開卷，卷面成績占總成績的40%；（3）課程結(jié)束時交一篇與高等反應(yīng)工程有關(guān)的小論文，占總成績的30%，論文需要同學(xué)查閱大量資料，根據(jù)所學(xué)知識點進(jìn)行探討，對提高學(xué)生靈活運用所學(xué)知識有很大的幫助。

五、 結(jié)語

在高等反應(yīng)工程的教學(xué)過程中，我們一方面不斷吸收化學(xué)反應(yīng)工程領(lǐng)域的新進(jìn)展、新成果，另一方面不斷融入各位導(dǎo)師對化學(xué)反應(yīng)工程基本原理及其運用于工業(yè)反應(yīng)過程實踐的新體驗，不斷更新高等反應(yīng)工程的教授內(nèi)容，通過教學(xué)改革探索適應(yīng)我校研究生的合理的教學(xué)方法，從而充分調(diào)動研究生的參與意識，鍛煉和培養(yǎng)研究生的動手能力、創(chuàng)新能力和獨立思考能力，培養(yǎng)研究生樹立工程觀念，加強其工程思維能力，使研究生能用工程觀念分析、解決工程實際問題，從而提高研究生的綜合素質(zhì)。

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作者簡介：辛志玲，張萍，郭文瑤，王羅春，上海市，上海電力學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院。