實踐教學在化學反應工程教學中的應用探索—以滁州學院為例

王余杰，鄭建東，陳綱領，周阿洋

(滁州學院 材料與化學工程學院，安徽 滁州 239000)

化學反應工程是一門涉及高等數學、化工原理、化學反應工程、化工熱力學、化工分離工程等多學科領域的科學[1]。我校在化學教育專科的基礎上，于2007年創辦了化學工程與工藝本科專業，《化學反應工程》在2009年第一次為化學工程與工藝本科專業開課，現已成為我院化工類專業的主干課程。但滁州學院作為新建本科院校，學生基礎知識較為薄弱，僅通過理論學習學生無法較為全面的掌握化學反應工程的內容，因此結合虛擬仿真、專業實驗、學科競賽等實踐教學使化學反應工程建立科學系統的理論與實踐相結合的教學體系，提高教學效果。

1 虛擬仿真在化學反應工程教學中的應用

滁州學院是安徽省地方應用型高水平大學，近年來，化學工程與工藝專業作為省級綜合改革試點專業及校級重點建設專業得到了長足的發展與進步，但由于一些歷史原因導致化工學院建設場地嚴重不足，我院可供學生實踐的專業實驗裝置較少，不能滿足學生實地學習化學反應工程課程的需要。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、人機交互、多媒體、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學目的，因此開展虛擬仿真教學可以彌足教學場地不足的問題[2]。利用實驗中專業實驗教學資源與虛擬仿真教學資源的完美結合，可以達到完善教學資源，提高學生的實際應用能力，完善知識結構，培養創新能力。

建設與應用軟件共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等優質教學資源，推動信息化條件下自主學習、探究學習、協作學習等實驗教學方法改革，提高教學能力，豐富教學內容，拓展實踐領域，降低成本和風險，開展綠色實驗教學。并且通過仿真教學可以注重學生動手能力的培養，拓寬學生工程意識，并使學生對整個化工過程的設計與應用具備全局觀念，實現理論和實踐相結合的虛擬教學情境。

學生普遍認為化學反應工程是大學中本專業最難學習的課程之一，學習時感到理論抽象，計算繁瑣。我們的虛擬仿真模擬軟件包括“乙苯脫氫制苯乙烯”、“單釜、三釜串聯返混狀況測定”、“一氧化碳中溫-低溫串聯變換反應”等。以上軟件的使用可以使得學生在理論學習的基礎上，進一步理解化學反應工程課程中講授的PFR、CSTR等反應器的設計及返混等較為抽象的知識，使得該課程的學習效果更加顯著。

滁州學院立足地方，針對滁州市化工典型案例，與北京歐倍爾軟件技術開發有限公司聯合開發具有地方特色的虛擬仿真教學軟件。安徽金禾實業股份有限公司作為全球最大的甲、乙基麥芽酚供應商，我們與其聯合開發了“麥芽酚工業生產過程”、“吡啶鹽酸鹽PHC生產工藝”等虛擬仿真軟件，使學生了解了具體的工業生產案例，進一步拓展了學生的思維空間和培養工程創新能力，同時也提高了學生的工程應用能力，為學生提供網絡虛擬實習機會，并為就業打下堅實的基礎。

2 專業實驗在化學反應工程教學中的應用

化工專業實驗的開設主要為化工專業理論課程的補充，但滁州學院化學反應工程的教學起步較晚，且由于早期滁州學院人才培養方案制定的不合理性，化工專業實驗為第七學期開設，此時化學反應工程的理論教學已經結束，很多學生在進行專業實驗時理論知識已經基本忘記，導致無法實現理論與實踐相結合，實驗效果較差。

在制定化學工程與工藝專業2016版人才培養方案時，我們將化學工程與工藝專業實驗貫徹到化學反應工程的教學過程中，即靈活安排實驗時間，比如在講授完固定床反應器時，開展“一氧化碳中溫-低溫串聯變換反應”專業實驗，在實驗中為學生實際講解固定床反應器的基本知識，氣固相催化反應工程的基本類型及數學模型。由于化學反應工程知識的抽象性，很多學生對于“返混”的概念無法有效理解，在講述返混等理論知識時，開設“連續循環反應器返混狀況測定”、“單釜、三釜串聯返混狀況測定”等實驗，加深對返混概念的理解。

3 課程設計在化學反應工程教學中的應用

化學反應工程是化學工程與工藝專業的核心課程，主要研究化學反應動力學方程的應用與反應器的設計，內容枯燥。盡管通過理論課程的學習，學生可以進行反應器的設計，計算反應器的體積，但卻很難用于工程實際，對于理論上講的化學反應動力學模型和非理想反應器模型的工業應用更是無從下手。在課程設計中布置化學反應工程相關的課題，可以使學生將工程問題和工藝問題進行很好的關聯，加深學生對化學工業過程的理解。滁州學院化學工程與工藝專業學生在進行專業課程設計過程中，化工系全體老師作為指導老師，學生5人一組，圍繞化學反應工程的理論知識，結合指導老師自己的科研方向提煉出設計題目。如氣固催化反應的本征及宏觀動力學方程的求解及應用是化學反應工程課程中較為重要的知識點，圍繞這一內容布置相關設計題目，如甲烷催化燃燒，機動車尾氣的處理，VOC的處理等。在設計過程中，要求學生自學有關化學工藝學和化工設計相關知識，并查閱相關參考資料，熟悉反應過程的條件，使用催化劑等，然后小組討論確定工藝流程，選定工藝條件，通過反應器的選型、設計和工藝計算等，對涉及到的工程問題和工藝問題進行綜合，撰寫設計說明書[3]。通過這種綜合性的專業課程設計訓練，鍛煉了學生綜合運用化工原理、化學反應工程、化工熱力學等理論知識的能力。

4 學科競賽在化學反應工程教學中的應用

很多學生認為化學反應工程課程枯燥，在將來的工作中很難得到應用，平時學習只是為了應付期末考試。滁州學院雖然屬于應用性本科高校，但學生的動手能力并不強。由于實驗室場地的限制，學生在學習過程中沒有足夠的實踐環節，理論和實踐沒有有效的對接。化工相關學科競賽可以幫助學生在《化學反應工程》學習過程中實現理論和實際有效結合。在化工類專業相關的學科競賽中，學生不僅可以將所學理論知識應用于實踐中，而且可以在競賽中加深化學反應工程理論知識的理解。以學科競賽為依托，將學科競賽與實踐教學充分融合，并將其貫穿于日常的化學反應工程教學中，有利于培養理論功底深厚且應用實踐能力強的化工人才[4]。

滁州學院自2017年開始參加由中國化工學會、中國化工教育協會、教育部高等學校化工類專業教學指導委員會主辦的全國大學生化工設計競賽，每年均取得全國二等獎以上的好成績。2018年參加了由教育部高等學校化工類專業教學指導委員會主辦，四川大學化學工程學院承辦，贏創工業集團獨家冠名贊助的“贏創杯”第二屆全國“互聯網+化學反應工程”課模設計大賽，并取得了全國三等獎，設計題目為“氣固相催化反應過程及內外擴散影響的消除”。化學反應工程課模設計大賽可以增加學生對《化學反應工程》課程的理解程度，促進學生的創新能力，在創新中強化理解和應用反應工程解決實際問題的能力，起到教學相長效果。依托化工類相關學科競賽對化學反應工程的理論教學中的應用，使得教學目的更加明確，教學目標更加清晰，教學任務更加具體，促進了學生對《化學反應工程》課程的學習興趣，提高了學生的學習效果。

5 結論

在化學反應工程理論教學中融入不同的實踐教學過程，使學生在掌握化學工業中的基礎理論、基本概念的同時，學會從工程的角度發現問題，思考問題，并具有獨立解決工程問題的能力。