西部應用型本科高校“化學反應工程”課程教學改革與實踐

謝瑞剛 蘭翠玲 趙金和 周伶俐 鄒龍生

(1. 百色學院，化學與環境工程學院，廣西 百色 5333000； 2. 百色學院，校長辦公室，廣西 百色 5333000；3. 百色學院，教育科學學院，廣西 百色 5333000； 4. 桂林航空工業學院,能源與建筑環境學院, 廣西 桂林 541004)

我們常用“三傳一反”來描述化工生產過程的動量傳遞、質量傳遞、熱量傳遞以及化學反應過程。作為一門自然學科，化學反應工程學的研究范疇、方法論以及相鄰學科的領域早在1957年化學反應工程第一屆學術會議上就被明確下來，Octave Levenspiel，Fogler H.Scott等版本教材相繼出版[1]。如果將化學工程與工藝課程群形象地比作一棵樹，那么化學反應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。化學反應工程主要研究化學反應動力學與反應器工程設計分析兩個方面內容，課程對數學基礎與計算機使用技術有一定要求。化學反應速率的化學動力學方程、理想或非理想反應器建模、工業反應器設計等方面都需要用到高等數學、概率論與數理統計以及計算機技術的知識[3]。除此以外，還需要提前學習物理化學、化工原理、化工熱力學等課程方面的相關內容，所以，化學反應工程課程一直以來都是相對難學的化工專業課程。

百色學院是地處老少邊窮地區的一所民族地方院校，教育水平相對落后，學生主要是來源廣西壯族自治區的壯族，普通話水平相對較弱。學生數學基礎普遍薄弱，同時計算機編程基礎、概率論與數理統計兩門課程并不開設。結合化學反應工程課程特點及化工學院教學實際情況，我們嘗試從以下方面去提升課程教學質量與效率，提高學生的學習積極性。

1 增加數學基礎知識，提高課堂教學效率

高等數學一般在大一開設，等到大三使用時可能記憶模糊，甚至有的同學當時在微積分、常微分方程的學習過程中學的不是很好，加之數理統計與概率論課程不開設，所以，對于泰勒級數展開、極限求解、二階偏微分方程、二階常系數線性齊次微分方程求解、停留時間分布統計特征、概率密度函數等用于反應動力學模型的求解和反應器的特性分析的微積分、數理統計知識十分缺乏[4]。針對這種實際情況，我們嘗試增加這方面教學學時，并要求學生把相關課本放到手邊便于查找。通過化學反應工程專業課的學習，使同學們看到了數學基礎知識的重要性。囿于教學學時的限制，高等數學、數理統計與概率論甚至數學分析等方面的數學知識的學習還需要在課后多多加強。

2 加強計算機技術訓練，提高課堂教學與實踐教學效率

基于計算機基礎課程不安排編程基礎的講授，我們嘗試在“計算機在化工中的應用”這門課中重點講述化學反應工程、化工分離工程、化工熱力學、化工過程分析與合成等化工相關專業課程中用到的一些軟件和編程基礎。選購華南理工大學方利國老師編寫的化工版本科教材《計算機在化學化工中的應用(第四版)》作為教學參考教材，重點講解Visual Basic、Matlab、Orgin、ChemBioOffice與Office五種軟件在化學化工中的實際應用。化學化工文獻檢索與應用在“文獻檢索與應用”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)結構化、程序化的編程語言簡單易學，其特點是可視化、面向對象和事件驅動。化學反應工程中均相反應動力學及反應器計算復雜，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]來求解連續一級反應動力學的一階常微分方程組，用VB編程語言開發的氣體吸收過程中恒定容積法測定氣體溶解度的實驗數據，便于查找，計算準確，實用性較強[7]。Matlab是一種科學計算軟件，在化學化工實驗數據擬合及模型參數計算、化學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)以及優化求解中大顯身手，有著很好的應用。青島科技大學張青瑞等借助Matlab軟件求解連續攪拌釜式反應器(CSTR)中的非線性方程組來得知反應器內部參數變化，在反應器穩定性分析中起到了很好的效果[8]。數據處理和繪圖軟件Origin用于在均相反應動力學過程及畢業論文實驗中數據處理及圖形繪制等方面[9]。ChemBioOffice 軟件常用于有機化學的結構式、分子模型、核磁分析預測以及化學化工實驗輔助圖繪制等[10]。Office軟件是各專業都須使用的軟件，需要講解Word與PowerPoint在畢業論文撰寫過程中的使用技巧，Excel在畢業論文實驗數據處理、編程兩方面的應用[11]。

3 參與學科競賽，提高實踐教學質量

學科競賽是一種培養學生實踐創新能力的有效的途徑，競賽的設計題目就是一個個很好的案例教學素材[12]。涉及到化學反應工程課程的有全國大學生化工設計競賽、全國“互聯網+化學反應工程”大學生課模設計競賽、全國大學生化工安全設計大賽等。這些競賽小到反應器選型大到整個工廠設計，都是在校生化學反應工程課程一次難得的理論知識夯實，實踐創新能力提升的絕佳機會，可以積累更多的化學反應工程課程實踐教學案例。案例教學不但增強學生對化學反應工程課程的興趣，更使單調枯燥的課堂瞬時變得熱烈起來。學科競賽的參與還讓同學們收獲了一些獎勵，如2019年化工設計競賽華南賽區二等獎等，2018年“贏創杯”第二屆全國“互聯網+化學反應工程”課模設計大賽三等獎等。

4 結語

從化學反應工程課程難學的源頭加強科學數學知識和計算機技術預備知識講授，結合學科競賽，使得學生實現逐漸由聽不懂不愿意學到聽得懂可以學到最后不難很想學的重要轉變。一直以來大家認為難學枯燥的化工分離工程、化工熱力學、化工過程分析與合成等其他相關專課程的學習也逐漸被大家接受。只有樂學專業課程才能更加愛惜自己的專業，才能在“理論到實踐再到理論”良性循環中逐步提升應用型人才的綜合能力[13]。化學反應工程屬于工程學科，工程因素還需工程思維[14]，逐漸增加化學反應工程實驗[15]，以惠及到更多的百院學子。