研究生高等反应工程教学方法探索

辛志玲 张萍 郭文瑶 王罗春

摘要： 高等反应工程是化学工程与技术一级学科硕士研究生的核心课程和学位课程。在高等反应工程教学中，以提高研究生的学习兴趣，培养研究生的工程分析和解决工程实际问题的能力为目标，采取案例教学、实验教学、改革考核方式等方法，积极进行教学改革，取得了良好的效果。

关键词：高等反应工程；教学方法；案例教学

高等反应工程是我校化学工程与技术一级学科学位课中的专业基础必修课，是化工类硕士研究生必须修读的课程。高等反应工程是一门涉及物理化学、化学反应工程、化工热力学、化工传递过程、优化与控制等知识领域的技术课程，是一门综合性强、涉及面广、数学要求高的专业技术课程，该课程以化学反应工程的基本原理为基础，以化工生产为背景，运用数学模型方法，重点对反应过程、传递过程、反应动力学、大型反应器等进行案例分析，培养研究生运用化学反应工程基本原理和数学模型方法解决工业反应过程开发、反应器设计与操作中遇到的实际问题，增强研究生的工程分析和解决工程实际问题的能力。

高等反应工程是为已具备反应工程基本知识的硕士研究生拓宽反应工程知识面，加深对反应工程基本原理和数学模型方法的理解，提高运用反应工程基本理论解决学术研究中遇到的问题，以及反应器设计、 操作和控制中遇到的实际工程问题的能力，建立较为完整的理论体系。但由于我校的特殊情况，我校化学工程与技术一级学科包括化学工程与工艺、环境工程、应用化学、材料科学工程和材料化学五个专业，学生基础差别很大，有的学生没有学过物理化学，有的学生没有学过化工原理，每年本科是化学工程的学生比例在9%，大部分学生本科都是非化工专业，这就给我们的教学带来了很大的挑战，既要符合研究生教学大纲的要求，又要让没有化工基础的大部分学生听懂实在是一个很难的事情，为了提高课程的教学效果，课程组进行了一系列的教学改革和探索，并取得了较好的效果。

一、 选择合适教材，因材施教

为了培养研究生掌握基础理论知识，并能够运用所学知识分析和解决工程实际问题的能力，根据我校研究生的具体情况和研究生教学大纲的要求，我们选择了华东理工出版社陈振民等人编写的《高等反应工程教程》教材，该教材是“十一五”国家重点图书，并辅助以许志美等人编写的《化学反应工程原理》进行化学反应工程基础理论的补充。

针对高等反应工程课程内容多、难度大、学生基础薄弱的现状，我们将课时由原先的32学时增加为48学时，同时对课程知识结构进行了重组和内容的整合，减少公式的推导，注重理论联系实际，尝试构建一套适应我校研究生培养的课程体系。根据我校研究生的实际情况，我们首先对化学反应速率等概念进行讲解，补充间歇反应器、平推流、釜式反应器等所涉及的基本概念，如空速、停留时间、返混等，然后开始讲解高等反应工程的主要内容，包括七部分：复杂化学反应体系的定量表征、理想均相反应器分析、化学反应器中的混合现象、外部传递过程对非均相催化反应的影响、内部传递对气固相催化反应过程的影响、固定床反应器和气液反应和反应器。在保持本课程必要的系统性前提下，對理论部分的阐述力求做到简明精练、通俗易懂、突出重点难点，使得大家能较好地理解相关内容。

二、 案例教学法

从化工实践和教师的课题中选取合适的案例，进行专题讨论，充分调动学生学习的积极性，激发学生的学习兴趣。案例要有较好的针对性和典型性，通过案例分析，既让学生能获得要掌握的知识，加深对基本概念的理解，又要培养其综合分析问题和解决实际工程问题的能力。例如，在讲授完固定床反应器时，选取苯乙炔加氢的案例，组织学生做专题讨论，对所学知识进行总结。学生需要自己查阅文献，写出苯乙炔加氢的所有化学反应方程式和热力学分析的具体数据，知道哪些是目标产物，哪些是副产物，目前工业上用的催化剂是哪些？最新的研究方向是什么？以此引入催化剂的概念，涉及催化剂的老化、中毒、转化率、选择性和收率等概念。反应器设计和优化方面，比如，以年产2.2万吨甲硫醇的含硫废气资源化项目为例，其中涉及二氧化硫加氢和甲硫醇转化两个反应器，首先需要根据各反应过程的特点确定反应器类型，选择适宜的催化剂并选取相应的动力学模型，结合生产规模确定反应器进料流量，以此计算催化剂装填量、床层高度和床层截面积。还可建立相应的反应器模型，对操作条件、反应器结构等参数进行优化。通过理论联系实际的办法，使学生把理论知识和实际问题联系起来，跳出单一的理论学习的模式。结合高等反应工程的主要知识点，课程组编制了十多个案例，包括在反应工程发展史上具有代表性、 典型性且设计方法较成熟的三套管连续换热式氨合成塔、乙苯脱氢、多段绝热式固定床二氧化硫转化器、汽车尾气净化、SCR脱硝反应系统以及甲醇合成等案例。通过案例教学，循循善诱地启发学生的思维，使学生的注意力集中，使课堂变得生动丰富。

三、 实验教学法

因为本校的研究生大多本科没有学过化学反应工程，对很多知识点的理解不够深入，所以我们特意为研究生开设了高等反应工程实验课程。实验课是课程教学的一个重要组成部分，是课堂所学理论知识的具体应用，一方面可以验证课堂教学的理论，使学生加深理解、巩固化学反应过程的规律和基础理论；另一方面是使学生树立工程观点，培养分析问题、解决问题的能力，同时培养学生开展科学研究的能力，为进入课题组的深入研究打好基础。针对每一个重要的知识点，针对性地设计了实验。为了掌握气液反应的反应机理和传质过程，我们开设了双驱动搅拌器测定气液传质系数的实验，通过实验学生可以直观的了解气液反应器的结构、气液流体的传质方式、气液传质的影响因素等等。为了加深对停留时间和返混概念的理解，我们开设了连续流动反应器中的返混测定实验，通过单釜与三釜反应器中停留时间分布的测定，将数据计算结果用多釜串联模型来定量返混程度，从而认识限制返混的条件，让学生真正的了解停留时间分布与多釜串联模型的关系，而不只是停留在课本的理论公式上。此外我们还开设了鼓泡反应器中气泡比表面及气含率的测定、恒沸精馏以及SCR催化剂的活性评价等实验。通过实验，有利于提高学生的动手能力，有利于学生对化学反应工程的理论知识的全面理解和掌握。

四、 考核方式改革

根据研究生的特点和实际情况，我们课程组对考核方式进行了改革，主要考察研究生综合运用所学知识的能力，（1）平时成绩占总成绩的30%，主要根据研究生的作业情况以及小组讨论时的课堂表现、问题回答等情况进行评价；（2）考试形式由传统的闭卷改为开卷，卷面成绩占总成绩的40%；（3）课程结束时交一篇与高等反应工程有关的小论文，占总成绩的30%，论文需要同学查阅大量资料，根据所学知识点进行探讨，对提高学生灵活运用所学知识有很大的帮助。

五、 结语

在高等反应工程的教学过程中，我们一方面不断吸收化学反应工程领域的新进展、新成果，另一方面不断融入各位导师对化学反应工程基本原理及其运用于工业反应过程实践的新体验，不断更新高等反应工程的教授内容，通过教学改革探索适应我校研究生的合理的教学方法，从而充分调动研究生的参与意识，锻炼和培养研究生的动手能力、创新能力和独立思考能力，培养研究生树立工程观念，加强其工程思维能力，使研究生能用工程观念分析、解决工程实际问题，从而提高研究生的综合素质。

参考文献：

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作者简介：辛志玲，张萍，郭文瑶，王罗春，上海市，上海电力学院环境与化学工程学院。