“三传一反”一体式教学改革研究

杨仁春，唐定兴，任一鸣

(安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖　241000)



“三传一反”一体式教学改革研究

杨仁春，唐定兴，任一鸣

(安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖241000)

从“三传一反”课程教学背景出发，针对“三传一反”课程教学中存在的局限，提出将《化学反应工程》和《化工传递》两门课程进行一体式教学。为提高学生专业综合能力，在课程目标、内容组织和实施方法上对“三传一反”提出了一体式教学的改革思路。

反应工程；化工传递；一体式教学

在化工专业课程的教学体系中，“三传一反”实际上是由《化学反应工程》和《化工传递》两门主干课程共同组成的，是专业课程体系的核心。[1-2]这两门课程具有显著的工程特色，是学生从化工理论学习通向化工生产操作和过程设计开发的重要理论教学环节，其在化工专业课程中的地位不言而喻。[3-4]为满足化工生产和设计的发展需要，对于《化学反应工程》和《化工传递》课程的教学改革，目前已有较多学者对其进行了研究和探索。然而，现有的教学研究大多局限于对“三传”或“一反”中的某一门课程进行改革。

随着计算机的快速升级，研究者们可以通过计算机对化学反应过程进行仿真模拟，实现“传递过程”对“反应速率”影响的更深层次认识。研究显示，在整个化学反应设备中，空间各点的温度、浓度和速度差异对其反应速率有着显著的影响。因此，针对化学反应过程的设计和生产操作，“三传一反”的理论教学和实践必须做出相应的调整，以适应这一发展需要。但是，从目前大多数的教学安排来看，对于这两门课程的内在联系、内容组织和实施方式等方面，还存在许多待改进之处。

一　《反应工程》和《化工传递》课程教学中存在的问题

1．“三传一反”相对独立的课程安排。

“三传”是指动量传递、能量传递和质量传递，是一物理过程；而“一反”指的是化工生产过程中的化学反应，是一化学过程。虽然，从理论分析上看“三传一反”分别属于两个不同的领域(化学领域和物理领域)，但“三传一反”在化工生产过程中却是同步发生过程，并且这种化学过程和物理过程是相互影响的。然而，现有的教学过程中，“三传一反”却是由两门课程共同组成的，通常处于独立的教学状态。显然，这种独立的课程安排，与生产过程中同步发生的“三传一反”不相一致。

“三传”和“一反”的独立安排不仅不能反映生产过程的真实状态，而且不利于学生对这一过程的整体性把握和学习。倘若在教学过程中，没有很好地将这两门课程的区别与联系分析清楚，进行有效地分解和综合，那么学生对课程的理解必然不得要领，往往感觉生疏、顾此失彼。因此，针对“三传一反”同步发生且相互影响的内在联系，必须将两者作为一个整体考虑，进行相应的教学内容安排，才有可能提高学生对“三传一反”同步过程的理解和掌握。

2．模型复杂性易弱化对“三传一反”的整体性认识与实践。

《化学反应工程》中反应器的设计和操作，所涉及的物料衡算、能量衡算、动量衡算，对于时刻变化的浓度、温度、速度而言，是十分复杂的过程。主要表现在：①方程涉及大量微积分和影响因素，模型复杂难以理解；②反应过程受化学因素和物理因素交织影响，学生往往难以把握课程主体思想；③非线性方程的求解涉及大量的迭代计算，手工计算方式变得无能为力。《化工传递》主要研究对反应过程起决定影响的速度、温度、浓度的分布，而其主要通过建立并化简动量传递、能量传递和质量传递三个变化方程得以实现。同样这一化简过程也十分复杂，主要表现在：①大量微积分公式存在，需要很强的数学功底；②非线性方程使得过程必须借助数值分析和求解。

由以上分析可知，无论是《化学反应工程》还是《化工传递》，均涉及大量的微积分和非线性方程问题。显然，这些数学模型的理论性很强，要实现这些方程的化简与求解，学生必须具备较高的数学理论，如数学建模和数值分析等。对于非数学专业的学生来说往往相对困难，从而很大程度上削弱了课程的教学效果。故倘若课程安排以方程的化简为主，那就必然弱化了学生对“三传一反”核心思想的把握。随着计算机和大量商业软件的广泛使用，数学模型的化简与求解已经不再是突出问题。利用计算机和相关软件的强大计算能力，已经可以实现“三传一反”过程的计算服务。因此，如何在理论教学过程中弱化方程的化简与求解，突出工程因素对反应过程的影响规律，则是该课程中亟待解决的另一重要问题。

二　“三传一反”一体式教学模式构建

1．建立“三传一反”课程整体观。

“三传一反”的目标是获得工程因素影响下的化学反应规律，继而实现反应器的设计和生产操作条件优化。其中，《反应工程》的课程体系主要涉及两大块：均相反应器和非均相反应器的设计和优化操作。均相反应体系主要存在“返混”这一工程因素，而非均相体系主要存在“扩散”这一工程因素。《化工传递》则本身并不研究化学反应自身规律，其主要研究工程因素对浓度、温度和速度分布的影响规律。显然，“三传一反” 是一个由化学因素+工程因素共同组成的整体过程。因此，在课程定位上，不能再以单独的课程或章节进行教学安排，而要强调工程因素对反应影响规律具有相似性、一致性，立足“三传一反”的整体过程，从而培养学生形成一体式的整体观。

2．调整教学重点与内容衔接。

(1)简化部分内容，突出过程重点。

为适应“三传一反”一体化教学目标，适当简化部分内容，特别是复杂的方程化简过程，将有助于教学主题思路的突出和学生的快速学习把握。首先，要突出《反应工程》中影响动力学的两大影响要素：化学因素和工程因素。对于均相反应器部分，整体教学中要突出“返混”这一工程因素，强调因“返混”而造成的各类不同反应器中“物料衡算”和“能量衡算”方程的各项物理意义，弱化方程的化简过程，可以直接给出相应的化简结果。对于非均相反应器要突出“扩散”这一工程因素，具体实施上要强调内、外扩散对宏观动力学的影响，弱化其相应的化简过程。对于《化工传递》课程，要突出课程的直接目标是获得各类工况条件下的速度、温度和浓度的空间分布与变化。为实现这一目的，从而开展“三传”所涉及的动量传递、热量传递和质量传递方程的建立与化简。同样，要明确“三传”变化方程中的各项物理意义及其应用，而要弱化三个变化方程的化简过程。通过减少模型化简内容、突出主题思想，不仅可以节省理论教学学时、降低学生学习难度，而且还可以激发学生对相关模型应用软件的学习热情。

(2)合理衔接“三传”和“一反”的课程内容。

如前所述，一旦建立了“三传一反”课程的整体观后，就要重新布置各章节内容和授课进度。在教学安排上，以60学时教学内容为基准：①首先，安排2学时讲述“三传一反”在整个化工专业课程体系中的地位，阐明与其它各课程之间的关系，并着重讲述“三传一反”的整体性；②随后，对《化工传递》进行简化，安排6学时的课时，讲述简化版“三传”中的变化方程建立及其各项物理意义，并突出“三传”是如何影响浓度、温度、速度分布；对于每一个变化方程，要清晰地将其中的各个量做到分解，让学生理解每一个量对浓度、热/功、力的贡献；③最后，安排52学时，全面展开“一反”的整个教学过程，并突出“三传”在整个反应过程中的地位；明确“三传”是影响“一反”的外在工程因素，在各类特殊的设备和工况条件下，实时解析工程因素“返混”和“扩散”是如何影响非理想状态和宏观反应动力学的各种状况。

(3)引入计算机辅助模型化简的课外学习与实践。

如前所述，对于温度、浓度、速度分布所涉及的复杂模型的化简，在理论课堂教学上虽然因时间关系进行弱化，但为了实现反应操作条件的优化和反应器设计，该过程化简求解终究还是需要解决的问题。为此，可以将计算化简部分内容安排在课外进行辅导学习。安排20学时的课外学习辅导内容，引入具有强针对性的应用软件学习和使用。如针对化学反应动力学方程的拟合，可以引入简单的EXCEL或Origin软件进行拟合；如针对一维或二维的非线性方程多变量求解及变量分布获取，可以采用数值分析法通过Matlab计算功能进行编程计算；如针对三维空间的温度、浓度和速度分布求取，可以借助Aspen仿真计算软件进行模拟求取。通过实例指导，实现一些常规反应器内的空间三维变量分布求取过程的演示，让同学切身感受工程因素对化学反应及反应结果的直接影响。通过课堂理论教学和课外计算辅导，做到“三传一反”教学中的“学与算”的合理分工，突出理论学习的主线，降低学习难度，提高学生的直观感受和学习的积极性。

(4) 通过实践教学强化两门课程对学生综合能力培养的统一。

在完成理论教学的同时，进行一体式的实验教学环节，不仅有助于学生对“三传一反”整体性的把握，而且有利于学生专业综合素质的培养。针对“三传一反”过程的特点，合理安排实验内容。如对于均相反应体系，可以安排“返混程度测定”的模拟实验，可以以最为典型的循环反应器为对象，安排以氯化钠为示踪剂的水循环模拟实验，强化学生对工程因素“返混”影响反应过程的认识。对于非均相体系，可以安排学生参与教师的科研课题，如通过固定床管式反应器进行非均相小试实验，展示催化剂内外扩散对反应动力学的影响；考察气固相反应宏观动力学和微观动力学，并做出相应的判定和分析，获取工程因素对动力学的影响规律，实现学生的直观认识。必要的时候，可以组织学生参观企业的冷模实验和侧线实验。通过这些实验的学习和操作，有望实现学生对“三传一反”整体性认识和综合能力的培养。

三　结论

“三传一反”是化工生产中的核心过程，该过程由化学过程和物理过程共同构成。在本科教学过程中，提高学生对化学因素和工程因素影响的整体性理解和把握，实现化工过程设计开发和条件优化，则是化工专业学生培养过程的重要环节。针对目前“三传一反”教学过程存在的局限，为了适应新时期化工专业人才培养过程的要求，本文提出将《化学反应工程》和《化工传递》两门课程进行一体式教学。这一改革将有助于学生整体性把握和应用“三传一反”理论与实践。

[1]白妮，王爱民.化学反应工程实验教学探索[J].榆林学院学报，2015,25(6):49-51.

[2]刘志雄.浅谈微分思维在化工传递过程教学的运用[J].广东化工，2013,40(3):153-154.

[3]汪小红，孔学军，官叶斌. “化学反应工程”课程专题研习教学的引入与实践[J].安庆师范学院学报，2015,20(2):128-130.

[4]胡粉娥，王惠平，韩林刚，等.化工传递过程中“三传”的类似性分析[J].曲靖师范学院学报，2014,33(3):31-34.

Class No.:G642Document Mark：A

(责任编辑：郑英玲)

Study of the Integrating Instruction Teaching of Transference Processes and Reaction Engineering

Yang Renchun, Tang Dingxing, Ren Yiming

(School of Biological and Chemical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000，China)

From the background of the transference processes and reaction engineering, the integrating instruction teaching of the chemical reaction engineering and transference processes is presented. To increase the professional comprehensive ability of the students, we discussed the aim of the integrating instruction teaching, the teaching materials organization and the implementing measures of the teaching reform.

chemical reaction engineering; transference phenomenon; integrating instruction teaching

A

杨仁春，博士，副教授，安徽工程大学。

安徽工程大学教学研究项目(编号：2011xjy50)；安徽工程大学化学工程与工艺特色专业(编号：b05029)。

1672-6758(2016)08-0001-3

G642.0