論《化學反應工程》教學改革與實踐——從“3T”人才培養模式視角

傅楊武 祁俊生 梁克中

(重慶三峽學院化學與環境工程學院，重慶 404100)

近年來，隨著社會對應用型人才需求的旺盛，國內普通高等院校逐漸形成了一股重視實踐教學、強化應用型人才培養的新潮流.我校（重慶三峽學院）提出了注重基礎理論、強化實驗實訓、提高實踐能力的“3T”應用型人才培養理念.“3T”培養模式由理論體系（Theory）、驗證體系（Test）、實踐創新體系（Try）三大體系構成.“3T”培養模式不僅僅是突出實踐教學環節，更強調理論與實踐的齊頭并進和相互滲透，從而達到更有效地培養應用型高級人才培養的目的.

化學反應工程既是化學工程與工藝、應用化學等專業的基礎核心課程，同時也是一門具有普遍指導意義的基礎性工程學科，與工程實際密切相關，在整個教學體系中承擔著從基礎課到專業課過渡的橋梁作用.化學反應工程內容由于涉及高等數學、工程數學、物理學、化工熱力學、化工傳遞過程、化學反應動力學等內容，其綜合性和理論性很強，概念也相對抽象.另一方面，化學反應工程是以工業規模進行的化學反應為研究對象，同時又以工程問題為研究對象，其目的是實現工業反應過程的優化.因此，化學反應工程與工程實踐密切相關，具有很強的工程性.“3T”人才培養模式的提出，對化學反應程的教學提出的更高的要求，有必要對化學反應工程教學的各個方面進行改革，以提高學生的工程分析能力和實踐能力，實現“3T”人才培養模式的改革和人才培養目標.

1 優化教學內容體系，強化理論教學與實踐教學相互滲透

1.1 優化教學內容體系，采用靈活多樣的教學手段

化學反應工程是一門既以化學反應為研究對象，又以工程問題為研究對象的綜合性學科，除與物理、化學、數學等基礎學科密切相關外，還與化工熱力學、化學動力學等相互交叉.因此，化學反應工程內容多而繁雜，教師講授和學生學習都要花費大量的時間，學生學起來亦感到非常困難.另一方面，高校教學改革在要求提高教學效率的同時精簡了授課學時數.這就要求任課教師對課程內容進行整合，同時采用靈活多樣的教學手段以提高教學效率.

首先精選教材，教師要在詳細閱讀和充分研究不同教材的基礎上，根據本校學生的學習基礎選擇適宜的教材.筆者認為，陳甘棠編寫的《化學反應工程》（第三版）一書比較適用本科學生的學習閱讀和教學.該書為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，內容經典、系統，行文簡練，易于掌握.[1]且第三版在第二版的基礎上對內容進行了必要的修改增減，增加了關于聚合反應過程和生化反應工程等新興領域的內容，可供選擇性教學或學生課外閱讀.同時，第三版亦對均相反應過程等內容的編排結構進行了相應的調整，使知識脈絡更加清晰.除此之外，朱炳辰主編的《化學反應工程》更注重反應工程的研究方法介紹，對氣-固、流-固和氣-液相反應及反應器的介紹詳細深入，便于讀者深入鉆研.這兩本教材各有特色，可互為補充.

其次要精心組織教案，精選授課內容.均相反應動力學、催化動力學、均相反應過程（即：理想反應器）和非理想流動是化學反應工程的基礎知識，教師應該主點講授，為后續學習打下堅實的基礎.由于化學反應工程學時數有限，對于在其他課程學習過的內容教師應該概括性介紹，而把主要精力放在新知識和在學過知識的拓展上.例如均相反應動力學基礎一章，學生已在物理化學課中學習了均相反應動力學的基本原理、簡單反應動力學等內容，因此教師授課的重點應該放在復合反應動力學方面，并要結合生產實際進行講解，傳授新知識的同時讓學生樹立工程觀念.對于固定床和流化床反應器，其設計計算部分盡管復雜而繁瑣，但因其在實際設計中有用處很大，教師不應該忽略不講.兼顧課時的要求，教師可根據情況，重點講解設計計算的基本原理和方法，刪減一些具體的復雜公式推導.對于多流相的反應過程、聚合反應過程以及生化反應工程，在學時允許的情況可進行一般性的介紹，主要引導學生自學完成.

再次，應采用靈活多樣的教學手段.近年來，計算機輔助教學作為現代教育手段的一種趨勢，已經在課堂教學中發揮越來越重要的作用.在化學反應工程中應把多媒體技術與傳統的教育手段相結合，根據授課內容特點，有選擇性的使多種手段進行教學.對于數學模型的推導和分析，可采用傳統的教學手段.因為多媒體技術若運用于數學模型推導的教學時，由于展示屏的限制，每屏顯示的步驟較少而不如黑板展示那么全面，滾屏后學生就無法看見前面的內容，造成學生思路不連貫，容易走神，學生對后續推導過程也難以理解.而使用傳統的教學手段，則能使學生的思維跟上教師講課的節奏，理解深刻，容易掌握.而對于反應器、實際的生產操作以及需要通過圖形進行分析比較的內容，則采用多媒體技術更形象真觀，也可節省很多畫圖和闡述時間，提高教學效率.

1.2 開設適量專業實驗，增強實踐環節

化學反應工程的主要研究方法是數學模型法，因而學習起來非常抽象和復雜，初學者難以和生產實際聯系起來.另一方面，化學反應工程又是一門研究化學反應的工程問題的學科，與工程實際密切相關，最終要解決實際的工程問題.實際教學中發現，單純的理論教學很難樹立起學生的工程觀念，有必要開設適量的專業實驗，增強實踐環節，與“3T”人才培養模式改革相適應.開設恰當的化學反應工程實驗可以幫助學生建立化學反應工程的直觀圖象，加深對概念和原理的理解，樹立學生的工程觀念.例如，“返混”是化學反應工程中較為抽象的一個概念，本質上講是指具有不同停留時間的物料質點之間的混合，是指時間而不是指空間上的混合.返混對反應結果有重要影響，對于不同的流動形式，返混程度也不相同，對反應結果的影響也不一樣.教學中，學生由于理解“返混”比較困難，因而也很難建立起“返混”與反應結果的聯系.通過開設“平推流反應器液體停留時間分布測定”和“多釜串聯反應器液體停留時間分布測定”等實驗，學生則可直觀地從實驗中獲得不同流動方式返混的情況，以及返混對反應物濃度的影響和停留時間分布的特征等內容，對平推流模型和串聯全混釜模型有了深刻的理解.通過以上實驗，學生可順利建立起理論與實踐的聯系，樹立工程觀念.

化學反應工程實驗的開設可以根據學校條件和人才培養目標有針對性的開設，因為學時的限制，宜精不宜多.開設的方式可以課內實驗的方式開設，亦可單獨設課.在教學實踐中，我們開設了《化工專業實驗》，將涉及化工原理、化學反應工程和化學工藝學等課程的實驗整合在一起，在提高學生的實踐能力，樹立工程觀念等方面起到了很好的效果.

1.3 開設專題講座，強化理論與生產實際的聯系

化學反應工程是一門工程類學科，具有數學模型復雜、理論抽象、實踐性和應用性強的特點.化學反應工程的教學中，課堂教學常常與生產實際脫節.很多化工類專業學生的主要弊病就是很難把書本理論知識和實際應用結合起來，遇到實際工程問題時往往無從下手分析解決.主要原因在于教學和學習過程中，教師和學習都只注重書本知識的傳授，理論與生產實際聯系較少.盡管在課堂教學中，可以列舉一些生產實例與書本知識聯系起來進行分析，以培養學生分析實際工程問題的能力.但一方面，畢竟課堂學時有限，不可能列舉大量的生產實例進行分析；另一方面，課堂上列舉的生產實例主要與該堂課學習的主要理論知識相聯系，學生難以形成整體印象.在教學實踐中，為了更好地培養學生分析實際問題和解決實際問題的能力，可采用在課外開設“專題講座”的方式，每兩周一次，列舉典型的生產實例進行講解和分析，并讓學生參與其中討論，提高學生分析和解決實際生產問題的能力.

2 突出科學方法講授，培養學生工程分析能力

學習效果主要通過兩個方面相互作用來實現，即是教師的“講”和學生的“學”.因此，作為教師在教學上要精益求精，突出科學方法講授.主要應該做到以下幾點：

一是內容組織要系統化，條理清楚，邏輯性強.授課內容重點是闡明基本原理，反應工程的最基本概念、理論和研究方法.授課內容要抓住主要矛盾和矛盾的主要方面進行講解分析.例如，反應器的設計的主要內容是反應器體積的計算，而在確定了反應器類型和操作條件下，反應器的大小則由反應速率決定，而反應速率又取決于反應物系的組成、溫度和壓力等因素.化學反應工程中，貫穿各類反應器的主線就是如何確定組成、溫度和壓力等在反應器內的變化規律，從而計算反應速率和確定反應器的體積大小.

二是采用啟發式等多種教學方法，重視培養學生的思維能力和工程分析能力.課堂教學的主要目的不僅僅是讓學生獲得書本知識，更重要的是授予學生獲得知識的方法，包括分析問題和獲得解決問題的方法.例如理想反應器一章，學習各類反應結構和操作方式等內容的最終目的是實現反應器的選型和操作方法的評選.在教學中，教師可采用啟發式和討論式組合的教學方式，通過引導、啟發，啟迪學生主動思考、分析，從而得到結論.例如單一反應，教師引導學生分析出單一反應不存在副反應，不存在產品分布問題，從而讓學生抓住問題的主要方面，即單一反應的反應器選型時只需考慮如何有利于反應速率的提高.然后讓學生自己根據學過的關于單一反應的反應速率與濃度關系的三種性狀，給出圖示，并讓學生回顧各種理想反應器的設計方程.再引導學生思考怎樣在圖上表示出同一反應在不同反應器中反應達到同一轉化率的體積.學生即可通后自己回顧，思考和分析，自然可得到結論.在這樣一種教學過程中，教師起主導作用，引導學生通過“回顧舊知識→思考→分析→獲得結論”的一種流程，既鍛煉了學生的思維能力和分析問題的能力，也教給了學生在解決問題時如何抓住問題的本質的方法.實際工業反應器進行的反應過程種類繁多而復雜，教師不可能無遺地描述所有的工業反應過程和一個反應過程的各個方面.教師只有培養學生學會科學的思維方法，獲得分析問題和解決問題的能力，才能讓學生學有所用.同時，教師亦應將理論與生產實際結合起來，樹立學生的工程觀念和工程經濟觀念.例如，在反應器相關知識學完以后，教師應根據學時數量列舉石油化工中的催化裂化、無機化工中的氨合成等典型化工生產過程（最好先通過圖片、視頻資料或仿真動畫展示），結合理論知識，詳細分析這些化工生產過程中反應器的類型及其操作條件、操作方式及其原因.可讓學生對于實際化工生產獲得一定感性認識，并逐步樹立起工程觀念和化學反應工程對于實際生產的重要性.

總之，化學反應工程由于涉及知識面廣，各章節知識特點不盡相同，教師應根據內容特點和學生情況，采用靈活多樣的教學方法和手段，讓學生學會分析問題和解決問題的能力，樹立起工程觀念.

3 強化計算機的應用，培養學生工程計算能力

無論是反應器的設計、放大或控制，教需要對研究對象進行定量描述，也就是要用數學語言來表達各參數之間的關系，即數學模型.換句話說，化學反應工程最基本的研究方法就是數學模型法，要求學生具備一定的工程計算能力.化學反應工程的數學模型多而復雜，除少數情況可以直接求解，很多情況下需要采用計算數值求解.在實際的教學中，很多教師只注重基本原理和知識的傳授，而忽略了學生工程計算能力的培養.化學反應工程常用的數值求解方法主要有歐拉法、改進歐拉法和龍格-庫塔法等.教學中，教師應該用意識的介紹這些方法，讓學生掌握這些方法的基本原理，并讓學生根據算法原理用FORTRAN、VB和C++等計算機語言程序編程計算.當然，這對學生的編程能力要求較高.因此，教師可從最簡單的入手，讓學生感到能夠學會.如果學生編程困難，教師亦讓學生使用一些成熟的計算軟件如Mathematica和Matlab完成相應的計算，這也可讓學生借助這些軟件培養相應的工程計算能力.[2]使用Mathematica和Matlab等軟件求解有關數學模型具有（a）計算過程簡單，易于掌握；（b）界面友好，函數和數握可視化等優點.運用這些軟件，可完成如化學反應動力學參數估計、反應器模擬等工作.

化學反應工程的研究目標是實現反應器的設計和放大，因此反應工程的教學中不可避免地要涉數學模型.對于簡單反應和理想反應器，計算相對容易.但是實際反應器的模型相對復雜，不可避免的涉及非線性方程組、常微分方程及偏微分方程組的求解，必須借助計算機和數學工具完成.因此，教學中教師應當強化計算機的應用，重視學生借助Mathematica和Matlab等數學工具解決工程計算問題，提高工程計算能力，從而達到理論教學與實際應用的有效結合.否則，學生的工程計算能力缺失，則無法解決一些基本的計算問題，更談不上理論與實際應和的結合.

4 結 論

《化學反應工程》是化工類及相關專業的主干課程，是一門工程類的學科，理論抽象，數學模型復雜，實踐性和應用性很強，在整個教學體系中承擔著從基礎課到專業課過渡的橋梁作用.社會經濟的快速發展，對化工人才的知識水平和應用能力等素質提出了更高的要求，對高級應用型人才的需求也更加旺盛.我校作為地方應用型本科院校，積極適應社會需求，提出了更加強調學生實踐創新能力的“3T”人才培養模式.近幾年來，化工教研室根據“3T”人才培養目標，從化學反應工程內容體系的優化、教學方法和手段和實踐教學等方面進行了初步的探索和實踐，在強化理論教學與實踐教學的有效結合和相互滲透，提高學生的工程觀念、工程分析能力和計算能力等方面取得了一成的效果.在今后的教學活動中，要進一步研究和探索，為學校高級應用型人才的培養出力，為地方和社會方經濟建設服務.

[1]周國權，洪曉波，邵丹鳳，王家榮.化學反應工程教學改革與實踐[J].寧波工程學院學報，2009，21(3)：100-103.

[2]杜迎春.數學軟件 Mathematica在化學反應工程中的應用[J].計算機與應用化學,2008，25(8).