《化学反应工程》教学改革与实践

杨仁春，胡章文，任一鸣，李兴扬

（安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖 241000）

1 引言

复合型人才的培养一直是我国新时期高等教育的主要目标，高校学生不仅需要掌握理论知识，更应需具备将理论转化为实践应用的能力。我校是一所以工为主，多学科相互交叉的综合性大学，培养人才的主要目标是工程设计型和技术开发型人才。因此，作为工科专业，如何将所学的理论知识转换为工程应用，提高学生的工程问题解决能力就显得尤为重要。

化学反应工程作为化工专业的主干课程，具有显著的工程特色，是学生从化学化工理论学习通向工程设计和开发过程不可或缺的重要课程环节，其在化工专业课程中的地位不言而喻。学生能否学好这门专业课程对本专业的全面把握以及对今后的工作就业均有直接影响。因此，如何激发学生学习的主动性，增强学生的工程思维能力和创新能力，提高学生的化学工程设计和化工技术开发的综合水平，则是本课程教学改革的基本方向。

2 存在的问题

与化学工程学科的其他专业课程不同的是，化学反应工程是除研究化学反应自身规律外，还需重点考查工程因素（传质、传热、传动）对化学反应的影响。这类工程因素的存在，使得以往对化学反应动力学研究所采用的因次分析法和相似法无能为力，故该问题的解决只能借助数学模型。然而，该类模型由于反应速率和动力学参数的非线性特征，以及多参数的引入，使得方程异常复杂。针对这一复杂的化学、工程、数学等综合一体的问题，采取什么样的教学方式，使得课程浅学易懂，并能有效提高学生的工程思维能力、科学计算能力及工程设计能力；如何改进化学反应工程的教学方法，提高本课程的教学质量，适应社会的发展需求，就成为化工专业课程教师所面临的新挑战。目前，该门课程在教学过程中存在的问题具体表现如下。

2.1 工程思维引入不突出，造成学生学习理解困难

化学反应工程不再是简单的化学问题，它已将工程因素影响作为对象加以考虑，因此，学生对这一课程的学习往往感觉生疏、顾此失彼。倘若在教学过程中，没有将反应工程课程中的化学因素和工程因素进行有效地分解和综合，那么学生在缺乏工程思维的情况下，对该课程的理解肯定会不得要领、感觉抽象，造成理解困难。在现今的教学过程中，若还只是借助单一的课本教学，那么学生的工程思维的培养恐怕只能是画饼充饥。因此，对于工科院校环境下的化学反应工程课程，如何将工程思维有效引入课堂教学还有待进一步发展完善。

2.2 课程体系因工程因素多样化，衔接不够紧凑，难以形成教学整体连贯

化学反应工程教材内容一般分为微观动力学部分和宏观动力学部分，其中微观动力学部分通常介绍动力学概念以及研究在理想反应器中进行的微观反应动力学，而宏观动力学则常常研究引入流体流动、传质、传热等工程因素影响下的动力学[1]。无论是微观动力学还是宏观动力学研究，其解决的手段主要依靠衡算基准进行数学建模。然而，教材中各章节对化学反应动力学、衡算过程、数学建模等内容的展开各自相对独立。倘若教师只是孤立的按照课本去讲授各章节，那么学生对所学内容往往会满头雾水。因此，如何对化学反应工程的各章节进行必要的逻辑梳理，对各章节进行合理的展开和合并，形成连贯的教学整体，则是本课程当前教学中亟待解决的问题。

2.3 教学方法较为单一，难以实现工程问题优化的课堂教学

化学反应工程所研究的动力学涉及大量数学模型的建立和求解，内容相对复杂且单调抽象。目前，教学过程中，主要依靠教师课堂讲授为主，方法较为单一，学生的学习思路拓展十分有限。化学反应课程一般为60学时，单一的板书教学或是PPT播放教学已经无法在短暂的课堂教学过程中，将大量的与之相关的化学、数学和工程学等相关知识进行优化和传授。面对复杂的计算模型，若不借助于相关的计算软件（如Matlab和Excel），学生的学习过程只能是纸上谈兵。因此，在教学过程中，若不采取多种方法和手段，那么就很难优化课堂教学，不利于提高学生的积极性和教学质量。

2.4 工程模型的复杂多样，难以直接用于工程开发应用

化学反应工程研究的主要对象是反应器设计以及操作条件的优化。因其所考察的动力学中反应速率与温度的非线性特征，以及传热、传质和传动过程的多维化、非理想化等因素存在，致使原本简单的化学问题，就转变为化学、数学及工程学耦合一体的复杂问题。这些问题主要表现在：（1）方程的非线性，需要大量的迭代计算，于是手工的方法已经无能为力；（2）大量的微分方程存在，需要指定的边界条件，于是理想化的边界条件又会存在一定误差；（3）工程因素影响的多维化，很难获取准确的解析解，这一问题解决则必须借助数值计算。因此，反应工程所涉及的工程问题，很难用简单的数学方法获得准确结果，工程的设计和过程的开发在课堂教学过程中也变得异常复杂。倘若，不引入新的模型求解思路，学生往往无法将理论知识转化为工程应用。

3 解决方案

3.1 突出工程因素，培养学生工程思维

学生工程思维的培养，既有利于专业知识的掌握，也有利于理论知识的应用；学生只有对化学反应在工程过程中具体表现有了宏观意识，才会有良好的学习兴趣和理解能力[2]。在化学反应工程的教学过程中，应当将化学因素和工程因素对宏观动力学的影响采取分解和类比的方法进行，突出学生工程思维的培养，具体过程如下。

（1）过程分解：首先将化学反应工程中诸如返混、传质、传热等物理因素对反应结果的影响，进行分解处理，分解为物理过程和化学过程。其中的化学过程是与设备大小无关的反应动力学因素，即为每个过程的个性；物理过程是指与设备大小密切相关的传递过程因素，即工程因素，这是过程的共性，不同反应其传递过程可以相同。让学生理解工程因素对反应结果的影响，是通过流体流动、传质和传热等物理过程，改变了反应场所的浓度和温度分布，再通过反应动力学的特征间接地影响了反应结果。

（2）内容类比：其中的工程因素（传质、传热、传动）影响的规律具有一定的相似性，对于相似的规律可以采取类比法教学，这样不仅可以减少相似内容的教学工作，还有助于加深学生对相关工程因素影响得学习印象，更有助于提高学生触类旁通的能力，达到举一反三的教学效果。学生通过相似的工程因素的类比，可以提高主观能动性，培养积极地学习热情。

3.2 合理调整教学内容，定性分析工程因素，实现教学连贯

当前国内的化学反应工程相关教材各章节的分布大致分为七个方面的内容：（1）动力学研究基础；（2）均相动力学和理想反应器；（3）均相动力学和非理想流动反应器；（4）非均相反应本征动力学；（5）非均相反应宏观动力学；（6）非均相反应反应器；（7）反应器的热稳定性和参数灵敏性。各章节中由于研究的对象存在差异，所以展开的方式不尽相同，例如对于气固相催化反应和气液相催化反应，所采取的模型和解决手段就存在衡算对象和范围的差异。

因此，针对这些问题，必须提炼出课程的主干思想和清晰的展开思路，只有合理的调整课程内容，才能实现教学连贯。只有让学生对课程框架有宏观的了解，才能让学生更好的对课程的微观内容的进行深入把握。对于本课程，在教学过程中，可以进行归纳，明确提出三个核心内容、三个主要工业应用和解决途径，具体过程如下:

（1）展开三个教学核心内容：一是研究化学反应规律，建立反应动力学模型；二是研究反应器的传递规律，建立反应器传递模型；三是研究反应器内传递过程对反应结果的影响。

（2）突出三个主要应用和解决途径：一是工业反应过程的开发和放大：在小试中进行反应器的选型和工艺条件优化，自小至大进行多次中间试验，直至工业规模。二是工业反应过程的操作优化：运用化学反应工程理论对反应过程进行分析，结合模拟研究，找出优化方向，提高经济效益。三是新型反应器和反应技术的开发：通过反应工程的理论设计合理的设备结构，获取适宜的操作方法。

3.3 教学方法改进，强化工程应用

教学方法的改进不仅是教学的要求，更是时代的需要。在新时期，只有不断改进教学方法，才能提高学生的积极性、探索性，才能培养学生的运用能力和操作能力。因此，针对化学反应工程这门工科课程，教学方法的改进也应与时俱进。

（1）借助现代教学媒体，激发学生学习兴趣。化学反应工程学的模型多、公式多；因此，只借助板书教学，很难对数学模型和反应器的进行深入讲解，大量的推导和画图势必会转移学生的注意力，产生视觉、听觉和思维的疲劳。运用媒体辅助教学，可节省授课时间，利用模拟各种事物的动态变化，可使学生从动态直观中得出结论，开阔学生思路。

（2）遵循学生的认识规律，给予学生实战训练。上课过程中，要注意观察学生的听课反应，即时的调整教学节奏。采取精讲多练、案例式、启发式、参与式的教学方法，激发学生的学习兴趣和创造性，培养学生的思维和学习能力。

（3）加强数学和工程理论，提高学生建模能力。加强学生化学反应动力学基础、数学微积分知识、计算机软件的理论知识培养，提高学生科学计算的能力和工程运用能力。

（4）理论和实践应用相结合的教学方式。在理论教学的同时，注重实际应用和设计开发的介绍；必要的时候，可以参观实验室和企业装置设备，鼓励学生参与教师的科研与技术开发课题，进行反应器的部分设计和工艺条件优化，提高理解能力和开发应用能力。

3.4 工程设计开发的探索

化学反应工程学的主要任务是工程设计和过程优化，因其数学模型的非线性特征和多工程因素影响得多维性，故设计和优化过程变得复杂。面对这一实际问题，应当借助计算机软件，将复杂的化学、数学和工程问题进行仿真求解，通过数值分析方法、迭代计算手段，实现问题的解决。利用计算机的计算功能和绘图功能，变抽象问题为具体问题，变静态情境为动态情境，降低学习难度，突破教学难点。借助Matlab和Excel等常用软件，进行数学建模；通过软件的自带功能进行模型求解，动态展示设计和开发的反应器及工艺过程，培养学生的学习热情，提高学生的设计开发能力。

4 结论

化学反应工程本科教学过程中，如何增强学生的工程思维能力和创新能力，提高学生的化学工程设计和化工技术开发的综合水平，是化工专业学生培养过程十分重要的环节。通过对化学反应工程课程中的工程思维引入、工程因素、教学方法以及工程模型等复杂性的特点，提出四个方面的解决思路：突出工程因素，培养学生工程思维；合理调整教学内容，定性分析工程因素，实现教学连贯；教学方法改进，强化工程应用；工程设计开发的探索。

[1]许志美，张濂.倡导科学思维方法，培养工程分析能力——“化学反应工程”教学研究[J].化工高等教育，2003（1）：66-67.

[2]阳鹏飞，王延飞，贺楚华.“化学反应工程”课程教学与学生工程分析能力的培养[J].广东化工，2010，37(10):169-170.