《化學(xué)反應(yīng)工程》教學(xué)改革與實(shí)踐

楊仁春，胡章文，任一鳴，李興揚(yáng)

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

1 引言

復(fù)合型人才的培養(yǎng)一直是我國(guó)新時(shí)期高等教育的主要目標(biāo)，高校學(xué)生不僅需要掌握理論知識(shí)，更應(yīng)需具備將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐應(yīng)用的能力。我校是一所以工為主，多學(xué)科相互交叉的綜合性大學(xué)，培養(yǎng)人才的主要目標(biāo)是工程設(shè)計(jì)型和技術(shù)開(kāi)發(fā)型人才。因此，作為工科專(zhuān)業(yè)，如何將所學(xué)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)換為工程應(yīng)用，提高學(xué)生的工程問(wèn)題解決能力就顯得尤為重要。

化學(xué)反應(yīng)工程作為化工專(zhuān)業(yè)的主干課程，具有顯著的工程特色，是學(xué)生從化學(xué)化工理論學(xué)習(xí)通向工程設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程不可或缺的重要課程環(huán)節(jié)，其在化工專(zhuān)業(yè)課程中的地位不言而喻。學(xué)生能否學(xué)好這門(mén)專(zhuān)業(yè)課程對(duì)本專(zhuān)業(yè)的全面把握以及對(duì)今后的工作就業(yè)均有直接影響。因此，如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生的工程思維能力和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的化學(xué)工程設(shè)計(jì)和化工技術(shù)開(kāi)發(fā)的綜合水平，則是本課程教學(xué)改革的基本方向。

2 存在的問(wèn)題

與化學(xué)工程學(xué)科的其他專(zhuān)業(yè)課程不同的是，化學(xué)反應(yīng)工程是除研究化學(xué)反應(yīng)自身規(guī)律外，還需重點(diǎn)考查工程因素（傳質(zhì)、傳熱、傳動(dòng)）對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響。這類(lèi)工程因素的存在，使得以往對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究所采用的因次分析法和相似法無(wú)能為力，故該問(wèn)題的解決只能借助數(shù)學(xué)模型。然而，該類(lèi)模型由于反應(yīng)速率和動(dòng)力學(xué)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(fù)雜。針對(duì)這一復(fù)雜的化學(xué)、工程、數(shù)學(xué)等綜合一體的問(wèn)題，采取什么樣的教學(xué)方式，使得課程淺學(xué)易懂，并能有效提高學(xué)生的工程思維能力、科學(xué)計(jì)算能力及工程設(shè)計(jì)能力；如何改進(jìn)化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)方法，提高本課程的教學(xué)質(zhì)量，適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需求，就成為化工專(zhuān)業(yè)課程教師所面臨的新挑戰(zhàn)。目前，該門(mén)課程在教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題具體表現(xiàn)如下。

2.1 工程思維引入不突出，造成學(xué)生學(xué)習(xí)理解困難

化學(xué)反應(yīng)工程不再是簡(jiǎn)單的化學(xué)問(wèn)題，它已將工程因素影響作為對(duì)象加以考慮，因此，學(xué)生對(duì)這一課程的學(xué)習(xí)往往感覺(jué)生疏、顧此失彼。倘若在教學(xué)過(guò)程中，沒(méi)有將反應(yīng)工程課程中的化學(xué)因素和工程因素進(jìn)行有效地分解和綜合，那么學(xué)生在缺乏工程思維的情況下，對(duì)該課程的理解肯定會(huì)不得要領(lǐng)、感覺(jué)抽象，造成理解困難。在現(xiàn)今的教學(xué)過(guò)程中，若還只是借助單一的課本教學(xué)，那么學(xué)生的工程思維的培養(yǎng)恐怕只能是畫(huà)餅充饑。因此，對(duì)于工科院校環(huán)境下的化學(xué)反應(yīng)工程課程，如何將工程思維有效引入課堂教學(xué)還有待進(jìn)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(xué)整體連貫

化學(xué)反應(yīng)工程教材內(nèi)容一般分為微觀動(dòng)力學(xué)部分和宏觀動(dòng)力學(xué)部分，其中微觀動(dòng)力學(xué)部分通常介紹動(dòng)力學(xué)概念以及研究在理想反應(yīng)器中進(jìn)行的微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而宏觀動(dòng)力學(xué)則常常研究引入流體流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱等工程因素影響下的動(dòng)力學(xué)[1]。無(wú)論是微觀動(dòng)力學(xué)還是宏觀動(dòng)力學(xué)研究，其解決的手段主要依靠衡算基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。然而，教材中各章節(jié)對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、衡算過(guò)程、數(shù)學(xué)建模等內(nèi)容的展開(kāi)各自相對(duì)獨(dú)立。倘若教師只是孤立的按照課本去講授各章節(jié)，那么學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容往往會(huì)滿(mǎn)頭霧水。因此，如何對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程的各章節(jié)進(jìn)行必要的邏輯梳理，對(duì)各章節(jié)進(jìn)行合理的展開(kāi)和合并，形成連貫的教學(xué)整體，則是本課程當(dāng)前教學(xué)中亟待解決的問(wèn)題。

2.3 教學(xué)方法較為單一，難以實(shí)現(xiàn)工程問(wèn)題優(yōu)化的課堂教學(xué)

化學(xué)反應(yīng)工程所研究的動(dòng)力學(xué)涉及大量數(shù)學(xué)模型的建立和求解，內(nèi)容相對(duì)復(fù)雜且單調(diào)抽象。目前，教學(xué)過(guò)程中，主要依靠教師課堂講授為主，方法較為單一，學(xué)生的學(xué)習(xí)思路拓展十分有限?；瘜W(xué)反應(yīng)課程一般為60學(xué)時(shí)，單一的板書(shū)教學(xué)或是PPT播放教學(xué)已經(jīng)無(wú)法在短暫的課堂教學(xué)過(guò)程中，將大量的與之相關(guān)的化學(xué)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行優(yōu)化和傳授。面對(duì)復(fù)雜的計(jì)算模型，若不借助于相關(guān)的計(jì)算軟件（如Matlab和Excel），學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程只能是紙上談兵。因此，在教學(xué)過(guò)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(xué)，不利于提高學(xué)生的積極性和教學(xué)質(zhì)量。

2.4 工程模型的復(fù)雜多樣，難以直接用于工程開(kāi)發(fā)應(yīng)用

化學(xué)反應(yīng)工程研究的主要對(duì)象是反應(yīng)器設(shè)計(jì)以及操作條件的優(yōu)化。因其所考察的動(dòng)力學(xué)中反應(yīng)速率與溫度的非線性特征，以及傳熱、傳質(zhì)和傳動(dòng)過(guò)程的多維化、非理想化等因素存在，致使原本簡(jiǎn)單的化學(xué)問(wèn)題，就轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)、數(shù)學(xué)及工程學(xué)耦合一體的復(fù)雜問(wèn)題。這些問(wèn)題主要表現(xiàn)在：（1）方程的非線性，需要大量的迭代計(jì)算，于是手工的方法已經(jīng)無(wú)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(huì)存在一定誤差；（3）工程因素影響的多維化，很難獲取準(zhǔn)確的解析解，這一問(wèn)題解決則必須借助數(shù)值計(jì)算。因此，反應(yīng)工程所涉及的工程問(wèn)題，很難用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法獲得準(zhǔn)確結(jié)果，工程的設(shè)計(jì)和過(guò)程的開(kāi)發(fā)在課堂教學(xué)過(guò)程中也變得異常復(fù)雜。倘若，不引入新的模型求解思路，學(xué)生往往無(wú)法將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用。

3 解決方案

3.1 突出工程因素，培養(yǎng)學(xué)生工程思維

學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，既有利于專(zhuān)業(yè)知識(shí)的掌握，也有利于理論知識(shí)的應(yīng)用；學(xué)生只有對(duì)化學(xué)反應(yīng)在工程過(guò)程中具體表現(xiàn)有了宏觀意識(shí)，才會(huì)有良好的學(xué)習(xí)興趣和理解能力[2]。在化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)將化學(xué)因素和工程因素對(duì)宏觀動(dòng)力學(xué)的影響采取分解和類(lèi)比的方法進(jìn)行，突出學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，具體過(guò)程如下。

（1）過(guò)程分解：首先將化學(xué)反應(yīng)工程中諸如返混、傳質(zhì)、傳熱等物理因素對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響，進(jìn)行分解處理，分解為物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程。其中的化學(xué)過(guò)程是與設(shè)備大小無(wú)關(guān)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素，即為每個(gè)過(guò)程的個(gè)性；物理過(guò)程是指與設(shè)備大小密切相關(guān)的傳遞過(guò)程因素，即工程因素，這是過(guò)程的共性，不同反應(yīng)其傳遞過(guò)程可以相同。讓學(xué)生理解工程因素對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響，是通過(guò)流體流動(dòng)、傳質(zhì)和傳熱等物理過(guò)程，改變了反應(yīng)場(chǎng)所的濃度和溫度分布，再通過(guò)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的特征間接地影響了反應(yīng)結(jié)果。

（2）內(nèi)容類(lèi)比：其中的工程因素（傳質(zhì)、傳熱、傳動(dòng)）影響的規(guī)律具有一定的相似性，對(duì)于相似的規(guī)律可以采取類(lèi)比法教學(xué)，這樣不僅可以減少相似內(nèi)容的教學(xué)工作，還有助于加深學(xué)生對(duì)相關(guān)工程因素影響得學(xué)習(xí)印象，更有助于提高學(xué)生觸類(lèi)旁通的能力，達(dá)到舉一反三的教學(xué)效果。學(xué)生通過(guò)相似的工程因素的類(lèi)比，可以提高主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)積極地學(xué)習(xí)熱情。

3.2 合理調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，定性分析工程因素，實(shí)現(xiàn)教學(xué)連貫

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)工程相關(guān)教材各章節(jié)的分布大致分為七個(gè)方面的內(nèi)容：（1）動(dòng)力學(xué)研究基礎(chǔ)；（2）均相動(dòng)力學(xué)和理想反應(yīng)器；（3）均相動(dòng)力學(xué)和非理想流動(dòng)反應(yīng)器；（4）非均相反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)；（5）非均相反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)；（6）非均相反應(yīng)反應(yīng)器；（7）反應(yīng)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(duì)象存在差異，所以展開(kāi)的方式不盡相同，例如對(duì)于氣固相催化反應(yīng)和氣液相催化反應(yīng)，所采取的模型和解決手段就存在衡算對(duì)象和范圍的差異。

因此，針對(duì)這些問(wèn)題，必須提煉出課程的主干思想和清晰的展開(kāi)思路，只有合理的調(diào)整課程內(nèi)容，才能實(shí)現(xiàn)教學(xué)連貫。只有讓學(xué)生對(duì)課程框架有宏觀的了解，才能讓學(xué)生更好的對(duì)課程的微觀內(nèi)容的進(jìn)行深入把握。對(duì)于本課程，在教學(xué)過(guò)程中，可以進(jìn)行歸納，明確提出三個(gè)核心內(nèi)容、三個(gè)主要工業(yè)應(yīng)用和解決途徑，具體過(guò)程如下:

（1）展開(kāi)三個(gè)教學(xué)核心內(nèi)容：一是研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，建立反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型；二是研究反應(yīng)器的傳遞規(guī)律，建立反應(yīng)器傳遞模型；三是研究反應(yīng)器內(nèi)傳遞過(guò)程對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響。

（2）突出三個(gè)主要應(yīng)用和解決途徑：一是工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)和放大：在小試中進(jìn)行反應(yīng)器的選型和工藝條件優(yōu)化，自小至大進(jìn)行多次中間試驗(yàn)，直至工業(yè)規(guī)模。二是工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的操作優(yōu)化：運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)工程理論對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)合模擬研究，找出優(yōu)化方向，提高經(jīng)濟(jì)效益。三是新型反應(yīng)器和反應(yīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)：通過(guò)反應(yīng)工程的理論設(shè)計(jì)合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)，獲取適宜的操作方法。

3.3 教學(xué)方法改進(jìn)，強(qiáng)化工程應(yīng)用

教學(xué)方法的改進(jìn)不僅是教學(xué)的要求，更是時(shí)代的需要。在新時(shí)期，只有不斷改進(jìn)教學(xué)方法，才能提高學(xué)生的積極性、探索性，才能培養(yǎng)學(xué)生的運(yùn)用能力和操作能力。因此，針對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程這門(mén)工科課程，教學(xué)方法的改進(jìn)也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)。

（1）借助現(xiàn)代教學(xué)媒體，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)的模型多、公式多；因此，只借助板書(shū)教學(xué)，很難對(duì)數(shù)學(xué)模型和反應(yīng)器的進(jìn)行深入講解，大量的推導(dǎo)和畫(huà)圖勢(shì)必會(huì)轉(zhuǎn)移學(xué)生的注意力，產(chǎn)生視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和思維的疲勞。運(yùn)用媒體輔助教學(xué)，可節(jié)省授課時(shí)間，利用模擬各種事物的動(dòng)態(tài)變化，可使學(xué)生從動(dòng)態(tài)直觀中得出結(jié)論，開(kāi)闊學(xué)生思路。

（2）遵循學(xué)生的認(rèn)識(shí)規(guī)律，給予學(xué)生實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練。上課過(guò)程中，要注意觀察學(xué)生的聽(tīng)課反應(yīng)，即時(shí)的調(diào)整教學(xué)節(jié)奏。采取精講多練、案例式、啟發(fā)式、參與式的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的思維和學(xué)習(xí)能力。

（3）加強(qiáng)數(shù)學(xué)和工程理論，提高學(xué)生建模能力。加強(qiáng)學(xué)生化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)微積分知識(shí)、計(jì)算機(jī)軟件的理論知識(shí)培養(yǎng)，提高學(xué)生科學(xué)計(jì)算的能力和工程運(yùn)用能力。

（4）理論和實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)方式。在理論教學(xué)的同時(shí)，注重實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的介紹；必要的時(shí)候，可以參觀實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)裝置設(shè)備，鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的科研與技術(shù)開(kāi)發(fā)課題，進(jìn)行反應(yīng)器的部分設(shè)計(jì)和工藝條件優(yōu)化，提高理解能力和開(kāi)發(fā)應(yīng)用能力。

3.4 工程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的探索

化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的主要任務(wù)是工程設(shè)計(jì)和過(guò)程優(yōu)化，因其數(shù)學(xué)模型的非線性特征和多工程因素影響得多維性，故設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程變得復(fù)雜。面對(duì)這一實(shí)際問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)借助計(jì)算機(jī)軟件，將復(fù)雜的化學(xué)、數(shù)學(xué)和工程問(wèn)題進(jìn)行仿真求解，通過(guò)數(shù)值分析方法、迭代計(jì)算手段，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決。利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算功能和繪圖功能，變抽象問(wèn)題為具體問(wèn)題，變靜態(tài)情境為動(dòng)態(tài)情境，降低學(xué)習(xí)難度，突破教學(xué)難點(diǎn)。借助Matlab和Excel等常用軟件，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模；通過(guò)軟件的自帶功能進(jìn)行模型求解，動(dòng)態(tài)展示設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的反應(yīng)器及工藝過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力。

4 結(jié)論

化學(xué)反應(yīng)工程本科教學(xué)過(guò)程中，如何增強(qiáng)學(xué)生的工程思維能力和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的化學(xué)工程設(shè)計(jì)和化工技術(shù)開(kāi)發(fā)的綜合水平，是化工專(zhuān)業(yè)學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程十分重要的環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程課程中的工程思維引入、工程因素、教學(xué)方法以及工程模型等復(fù)雜性的特點(diǎn)，提出四個(gè)方面的解決思路：突出工程因素，培養(yǎng)學(xué)生工程思維；合理調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，定性分析工程因素，實(shí)現(xiàn)教學(xué)連貫；教學(xué)方法改進(jìn)，強(qiáng)化工程應(yīng)用；工程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的探索。

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

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