西部應(yīng)用型本科高校“化學(xué)反應(yīng)工程”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

謝瑞剛 蘭翠玲 趙金和 周伶俐 鄒龍生

(1. 百色學(xué)院，化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣西 百色 5333000； 2. 百色學(xué)院，校長辦公室，廣西 百色 5333000；3. 百色學(xué)院，教育科學(xué)學(xué)院，廣西 百色 5333000； 4. 桂林航空工業(yè)學(xué)院,能源與建筑環(huán)境學(xué)院, 廣西 桂林 541004)

我們常用“三傳一反”來描述化工生產(chǎn)過程的動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞、熱量傳遞以及化學(xué)反應(yīng)過程。作為一門自然學(xué)科，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究范疇、方法論以及相鄰學(xué)科的領(lǐng)域早在1957年化學(xué)反應(yīng)工程第一屆學(xué)術(shù)會(huì)議上就被明確下來，Octave Levenspiel，F(xiàn)ogler H.Scott等版本教材相繼出版[1]。如果將化學(xué)工程與工藝課程群形象地比作一棵樹，那么化學(xué)反應(yīng)工程和化工分離工程就是大樹的枝干[2]，足見本課程在化工課程群中的地位和重要性?；瘜W(xué)反應(yīng)工程主要研究化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)器工程設(shè)計(jì)分析兩個(gè)方面內(nèi)容，課程對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與計(jì)算機(jī)使用技術(shù)有一定要求。化學(xué)反應(yīng)速率的化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程、理想或非理想反應(yīng)器建模、工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)等方面都需要用到高等數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的知識[3]。除此以外，還需要提前學(xué)習(xí)物理化學(xué)、化工原理、化工熱力學(xué)等課程方面的相關(guān)內(nèi)容，所以，化學(xué)反應(yīng)工程課程一直以來都是相對難學(xué)的化工專業(yè)課程。

百色學(xué)院是地處老少邊窮地區(qū)的一所民族地方院校，教育水平相對落后，學(xué)生主要是來源廣西壯族自治區(qū)的壯族，普通話水平相對較弱。學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)普遍薄弱，同時(shí)計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)兩門課程并不開設(shè)。結(jié)合化學(xué)反應(yīng)工程課程特點(diǎn)及化工學(xué)院教學(xué)實(shí)際情況，我們嘗試從以下方面去提升課程教學(xué)質(zhì)量與效率，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1 增加數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，提高課堂教學(xué)效率

高等數(shù)學(xué)一般在大一開設(shè)，等到大三使用時(shí)可能記憶模糊，甚至有的同學(xué)當(dāng)時(shí)在微積分、常微分方程的學(xué)習(xí)過程中學(xué)的不是很好，加之?dāng)?shù)理統(tǒng)計(jì)與概率論課程不開設(shè)，所以，對于泰勒級數(shù)展開、極限求解、二階偏微分方程、二階常系數(shù)線性齊次微分方程求解、停留時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)特征、概率密度函數(shù)等用于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的求解和反應(yīng)器的特性分析的微積分、數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識十分缺乏[4]。針對這種實(shí)際情況，我們嘗試增加這方面教學(xué)學(xué)時(shí)，并要求學(xué)生把相關(guān)課本放到手邊便于查找。通過化學(xué)反應(yīng)工程專業(yè)課的學(xué)習(xí)，使同學(xué)們看到了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識的重要性。囿于教學(xué)學(xué)時(shí)的限制，高等數(shù)學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)與概率論甚至數(shù)學(xué)分析等方面的數(shù)學(xué)知識的學(xué)習(xí)還需要在課后多多加強(qiáng)。

2 加強(qiáng)計(jì)算機(jī)技術(shù)訓(xùn)練，提高課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)效率

基于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程不安排編程基礎(chǔ)的講授，我們嘗試在“計(jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用”這門課中重點(diǎn)講述化學(xué)反應(yīng)工程、化工分離工程、化工熱力學(xué)、化工過程分析與合成等化工相關(guān)專業(yè)課程中用到的一些軟件和編程基礎(chǔ)。選購華南理工大學(xué)方利國老師編寫的化工版本科教材《計(jì)算機(jī)在化學(xué)化工中的應(yīng)用(第四版)》作為教學(xué)參考教材，重點(diǎn)講解Visual Basic、Matlab、Orgin、ChemBioOffice與Office五種軟件在化學(xué)化工中的實(shí)際應(yīng)用?；瘜W(xué)化工文獻(xiàn)檢索與應(yīng)用在“文獻(xiàn)檢索與應(yīng)用”這門課程中講述，CAD在“工程制圖與AutoCAD”課程中講述，化工流程軟件Aspen plus在仿真模塊Aspen plus入門中講述。

與其他編程語言相比，Visual Basic(VB)結(jié)構(gòu)化、程序化的編程語言簡單易學(xué)，其特點(diǎn)是可視化、面向?qū)ο蠛褪录?qū)動(dòng)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程中均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器計(jì)算復(fù)雜，利用VB語言編寫程序來處理這方面問題事半功倍，如，用VB程序編寫的四階龍格-庫塔法[5,6]來求解連續(xù)一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的一階常微分方程組，用VB編程語言開發(fā)的氣體吸收過程中恒定容積法測定氣體溶解度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于查找，計(jì)算準(zhǔn)確，實(shí)用性較強(qiáng)[7]。Matlab是一種科學(xué)計(jì)算軟件，在化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合及模型參數(shù)計(jì)算、化學(xué)化工線性與非線性方程及方程組求解、化工常微分方程(組)和偏微分方程(組)以及優(yōu)化求解中大顯身手，有著很好的應(yīng)用。青島科技大學(xué)張青瑞等借助Matlab軟件求解連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)中的非線性方程組來得知反應(yīng)器內(nèi)部參數(shù)變化，在反應(yīng)器穩(wěn)定性分析中起到了很好的效果[8]。數(shù)據(jù)處理和繪圖軟件Origin用于在均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程及畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理及圖形繪制等方面[9]。ChemBioOffice 軟件常用于有機(jī)化學(xué)的結(jié)構(gòu)式、分子模型、核磁分析預(yù)測以及化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)輔助圖繪制等[10]。Office軟件是各專業(yè)都須使用的軟件，需要講解Word與PowerPoint在畢業(yè)論文撰寫過程中的使用技巧，Excel在畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、編程兩方面的應(yīng)用[11]。

3 參與學(xué)科競賽，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量

學(xué)科競賽是一種培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的有效的途徑，競賽的設(shè)計(jì)題目就是一個(gè)個(gè)很好的案例教學(xué)素材[12]。涉及到化學(xué)反應(yīng)工程課程的有全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競賽、全國“互聯(lián)網(wǎng)+化學(xué)反應(yīng)工程”大學(xué)生課模設(shè)計(jì)競賽、全國大學(xué)生化工安全設(shè)計(jì)大賽等。這些競賽小到反應(yīng)器選型大到整個(gè)工廠設(shè)計(jì)，都是在校生化學(xué)反應(yīng)工程課程一次難得的理論知識夯實(shí)，實(shí)踐創(chuàng)新能力提升的絕佳機(jī)會(huì)，可以積累更多的化學(xué)反應(yīng)工程課程實(shí)踐教學(xué)案例。案例教學(xué)不但增強(qiáng)學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)工程課程的興趣，更使單調(diào)枯燥的課堂瞬時(shí)變得熱烈起來。學(xué)科競賽的參與還讓同學(xué)們收獲了一些獎(jiǎng)勵(lì)，如2019年化工設(shè)計(jì)競賽華南賽區(qū)二等獎(jiǎng)等，2018年“贏創(chuàng)杯”第二屆全國“互聯(lián)網(wǎng)+化學(xué)反應(yīng)工程”課模設(shè)計(jì)大賽三等獎(jiǎng)等。

4 結(jié)語

從化學(xué)反應(yīng)工程課程難學(xué)的源頭加強(qiáng)科學(xué)數(shù)學(xué)知識和計(jì)算機(jī)技術(shù)預(yù)備知識講授，結(jié)合學(xué)科競賽，使得學(xué)生實(shí)現(xiàn)逐漸由聽不懂不愿意學(xué)到聽得懂可以學(xué)到最后不難很想學(xué)的重要轉(zhuǎn)變。一直以來大家認(rèn)為難學(xué)枯燥的化工分離工程、化工熱力學(xué)、化工過程分析與合成等其他相關(guān)專課程的學(xué)習(xí)也逐漸被大家接受。只有樂學(xué)專業(yè)課程才能更加愛惜自己的專業(yè)，才能在“理論到實(shí)踐再到理論”良性循環(huán)中逐步提升應(yīng)用型人才的綜合能力[13]?；瘜W(xué)反應(yīng)工程屬于工程學(xué)科，工程因素還需工程思維[14]，逐漸增加化學(xué)反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)[15]，以惠及到更多的百院學(xué)子。