论《化学反应工程》教学改革与实践——从“3T”人才培养模式视角

傅杨武 祁俊生 梁克中

(重庆三峡学院化学与环境工程学院，重庆 404100)

近年来，随着社会对应用型人才需求的旺盛，国内普通高等院校逐渐形成了一股重视实践教学、强化应用型人才培养的新潮流.我校（重庆三峡学院）提出了注重基础理论、强化实验实训、提高实践能力的“3T”应用型人才培养理念.“3T”培养模式由理论体系（Theory）、验证体系（Test）、实践创新体系（Try）三大体系构成.“3T”培养模式不仅仅是突出实践教学环节，更强调理论与实践的齐头并进和相互渗透，从而达到更有效地培养应用型高级人才培养的目的.

化学反应工程既是化学工程与工艺、应用化学等专业的基础核心课程，同时也是一门具有普遍指导意义的基础性工程学科，与工程实际密切相关，在整个教学体系中承担着从基础课到专业课过渡的桥梁作用.化学反应工程内容由于涉及高等数学、工程数学、物理学、化工热力学、化工传递过程、化学反应动力学等内容，其综合性和理论性很强，概念也相对抽象.另一方面，化学反应工程是以工业规模进行的化学反应为研究对象，同时又以工程问题为研究对象，其目的是实现工业反应过程的优化.因此，化学反应工程与工程实践密切相关，具有很强的工程性.“3T”人才培养模式的提出，对化学反应程的教学提出的更高的要求，有必要对化学反应工程教学的各个方面进行改革，以提高学生的工程分析能力和实践能力，实现“3T”人才培养模式的改革和人才培养目标.

1 优化教学内容体系，强化理论教学与实践教学相互渗透

1.1 优化教学内容体系，采用灵活多样的教学手段

化学反应工程是一门既以化学反应为研究对象，又以工程问题为研究对象的综合性学科，除与物理、化学、数学等基础学科密切相关外，还与化工热力学、化学动力学等相互交叉.因此，化学反应工程内容多而繁杂，教师讲授和学生学习都要花费大量的时间，学生学起来亦感到非常困难.另一方面，高校教学改革在要求提高教学效率的同时精简了授课学时数.这就要求任课教师对课程内容进行整合，同时采用灵活多样的教学手段以提高教学效率.

首先精选教材，教师要在详细阅读和充分研究不同教材的基础上，根据本校学生的学习基础选择适宜的教材.笔者认为，陈甘棠编写的《化学反应工程》（第三版）一书比较适用本科学生的学习阅读和教学.该书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材，内容经典、系统，行文简练，易于掌握.[1]且第三版在第二版的基础上对内容进行了必要的修改增减，增加了关于聚合反应过程和生化反应工程等新兴领域的内容，可供选择性教学或学生课外阅读.同时，第三版亦对均相反应过程等内容的编排结构进行了相应的调整，使知识脉络更加清晰.除此之外，朱炳辰主编的《化学反应工程》更注重反应工程的研究方法介绍，对气-固、流-固和气-液相反应及反应器的介绍详细深入，便于读者深入钻研.这两本教材各有特色，可互为补充.

其次要精心组织教案，精选授课内容.均相反应动力学、催化动力学、均相反应过程（即：理想反应器）和非理想流动是化学反应工程的基础知识，教师应该主点讲授，为后续学习打下坚实的基础.由于化学反应工程学时数有限，对于在其他课程学习过的内容教师应该概括性介绍，而把主要精力放在新知识和在学过知识的拓展上.例如均相反应动力学基础一章，学生已在物理化学课中学习了均相反应动力学的基本原理、简单反应动力学等内容，因此教师授课的重点应该放在复合反应动力学方面，并要结合生产实际进行讲解，传授新知识的同时让学生树立工程观念.对于固定床和流化床反应器，其设计计算部分尽管复杂而繁琐，但因其在实际设计中有用处很大，教师不应该忽略不讲.兼顾课时的要求，教师可根据情况，重点讲解设计计算的基本原理和方法，删减一些具体的复杂公式推导.对于多流相的反应过程、聚合反应过程以及生化反应工程，在学时允许的情况可进行一般性的介绍，主要引导学生自学完成.

再次，应采用灵活多样的教学手段.近年来，计算机辅助教学作为现代教育手段的一种趋势，已经在课堂教学中发挥越来越重要的作用.在化学反应工程中应把多媒体技术与传统的教育手段相结合，根据授课内容特点，有选择性的使多种手段进行教学.对于数学模型的推导和分析，可采用传统的教学手段.因为多媒体技术若运用于数学模型推导的教学时，由于展示屏的限制，每屏显示的步骤较少而不如黑板展示那么全面，滚屏后学生就无法看见前面的内容，造成学生思路不连贯，容易走神，学生对后续推导过程也难以理解.而使用传统的教学手段，则能使学生的思维跟上教师讲课的节奏，理解深刻，容易掌握.而对于反应器、实际的生产操作以及需要通过图形进行分析比较的内容，则采用多媒体技术更形象真观，也可节省很多画图和阐述时间，提高教学效率.

1.2 开设适量专业实验，增强实践环节

化学反应工程的主要研究方法是数学模型法，因而学习起来非常抽象和复杂，初学者难以和生产实际联系起来.另一方面，化学反应工程又是一门研究化学反应的工程问题的学科，与工程实际密切相关，最终要解决实际的工程问题.实际教学中发现，单纯的理论教学很难树立起学生的工程观念，有必要开设适量的专业实验，增强实践环节，与“3T”人才培养模式改革相适应.开设恰当的化学反应工程实验可以帮助学生建立化学反应工程的直观图象，加深对概念和原理的理解，树立学生的工程观念.例如，“返混”是化学反应工程中较为抽象的一个概念，本质上讲是指具有不同停留时间的物料质点之间的混合，是指时间而不是指空间上的混合.返混对反应结果有重要影响，对于不同的流动形式，返混程度也不相同，对反应结果的影响也不一样.教学中，学生由于理解“返混”比较困难，因而也很难建立起“返混”与反应结果的联系.通过开设“平推流反应器液体停留时间分布测定”和“多釜串联反应器液体停留时间分布测定”等实验，学生则可直观地从实验中获得不同流动方式返混的情况，以及返混对反应物浓度的影响和停留时间分布的特征等内容，对平推流模型和串联全混釜模型有了深刻的理解.通过以上实验，学生可顺利建立起理论与实践的联系，树立工程观念.

化学反应工程实验的开设可以根据学校条件和人才培养目标有针对性的开设，因为学时的限制，宜精不宜多.开设的方式可以课内实验的方式开设，亦可单独设课.在教学实践中，我们开设了《化工专业实验》，将涉及化工原理、化学反应工程和化学工艺学等课程的实验整合在一起，在提高学生的实践能力，树立工程观念等方面起到了很好的效果.

1.3 开设专题讲座，强化理论与生产实际的联系

化学反应工程是一门工程类学科，具有数学模型复杂、理论抽象、实践性和应用性强的特点.化学反应工程的教学中，课堂教学常常与生产实际脱节.很多化工类专业学生的主要弊病就是很难把书本理论知识和实际应用结合起来，遇到实际工程问题时往往无从下手分析解决.主要原因在于教学和学习过程中，教师和学习都只注重书本知识的传授，理论与生产实际联系较少.尽管在课堂教学中，可以列举一些生产实例与书本知识联系起来进行分析，以培养学生分析实际工程问题的能力.但一方面，毕竟课堂学时有限，不可能列举大量的生产实例进行分析；另一方面，课堂上列举的生产实例主要与该堂课学习的主要理论知识相联系，学生难以形成整体印象.在教学实践中，为了更好地培养学生分析实际问题和解决实际问题的能力，可采用在课外开设“专题讲座”的方式，每两周一次，列举典型的生产实例进行讲解和分析，并让学生参与其中讨论，提高学生分析和解决实际生产问题的能力.

2 突出科学方法讲授，培养学生工程分析能力

学习效果主要通过两个方面相互作用来实现，即是教师的“讲”和学生的“学”.因此，作为教师在教学上要精益求精，突出科学方法讲授.主要应该做到以下几点：

一是内容组织要系统化，条理清楚，逻辑性强.授课内容重点是阐明基本原理，反应工程的最基本概念、理论和研究方法.授课内容要抓住主要矛盾和矛盾的主要方面进行讲解分析.例如，反应器的设计的主要内容是反应器体积的计算，而在确定了反应器类型和操作条件下，反应器的大小则由反应速率决定，而反应速率又取决于反应物系的组成、温度和压力等因素.化学反应工程中，贯穿各类反应器的主线就是如何确定组成、温度和压力等在反应器内的变化规律，从而计算反应速率和确定反应器的体积大小.

二是采用启发式等多种教学方法，重视培养学生的思维能力和工程分析能力.课堂教学的主要目的不仅仅是让学生获得书本知识，更重要的是授予学生获得知识的方法，包括分析问题和获得解决问题的方法.例如理想反应器一章，学习各类反应结构和操作方式等内容的最终目的是实现反应器的选型和操作方法的评选.在教学中，教师可采用启发式和讨论式组合的教学方式，通过引导、启发，启迪学生主动思考、分析，从而得到结论.例如单一反应，教师引导学生分析出单一反应不存在副反应，不存在产品分布问题，从而让学生抓住问题的主要方面，即单一反应的反应器选型时只需考虑如何有利于反应速率的提高.然后让学生自己根据学过的关于单一反应的反应速率与浓度关系的三种性状，给出图示，并让学生回顾各种理想反应器的设计方程.再引导学生思考怎样在图上表示出同一反应在不同反应器中反应达到同一转化率的体积.学生即可通后自己回顾，思考和分析，自然可得到结论.在这样一种教学过程中，教师起主导作用，引导学生通过“回顾旧知识→思考→分析→获得结论”的一种流程，既锻炼了学生的思维能力和分析问题的能力，也教给了学生在解决问题时如何抓住问题的本质的方法.实际工业反应器进行的反应过程种类繁多而复杂，教师不可能无遗地描述所有的工业反应过程和一个反应过程的各个方面.教师只有培养学生学会科学的思维方法，获得分析问题和解决问题的能力，才能让学生学有所用.同时，教师亦应将理论与生产实际结合起来，树立学生的工程观念和工程经济观念.例如，在反应器相关知识学完以后，教师应根据学时数量列举石油化工中的催化裂化、无机化工中的氨合成等典型化工生产过程（最好先通过图片、视频资料或仿真动画展示），结合理论知识，详细分析这些化工生产过程中反应器的类型及其操作条件、操作方式及其原因.可让学生对于实际化工生产获得一定感性认识，并逐步树立起工程观念和化学反应工程对于实际生产的重要性.

总之，化学反应工程由于涉及知识面广，各章节知识特点不尽相同，教师应根据内容特点和学生情况，采用灵活多样的教学方法和手段，让学生学会分析问题和解决问题的能力，树立起工程观念.

3 强化计算机的应用，培养学生工程计算能力

无论是反应器的设计、放大或控制，教需要对研究对象进行定量描述，也就是要用数学语言来表达各参数之间的关系，即数学模型.换句话说，化学反应工程最基本的研究方法就是数学模型法，要求学生具备一定的工程计算能力.化学反应工程的数学模型多而复杂，除少数情况可以直接求解，很多情况下需要采用计算数值求解.在实际的教学中，很多教师只注重基本原理和知识的传授，而忽略了学生工程计算能力的培养.化学反应工程常用的数值求解方法主要有欧拉法、改进欧拉法和龙格-库塔法等.教学中，教师应该用意识的介绍这些方法，让学生掌握这些方法的基本原理，并让学生根据算法原理用FORTRAN、VB和C++等计算机语言程序编程计算.当然，这对学生的编程能力要求较高.因此，教师可从最简单的入手，让学生感到能够学会.如果学生编程困难，教师亦让学生使用一些成熟的计算软件如Mathematica和Matlab完成相应的计算，这也可让学生借助这些软件培养相应的工程计算能力.[2]使用Mathematica和Matlab等软件求解有关数学模型具有（a）计算过程简单，易于掌握；（b）界面友好，函数和数握可视化等优点.运用这些软件，可完成如化学反应动力学参数估计、反应器模拟等工作.

化学反应工程的研究目标是实现反应器的设计和放大，因此反应工程的教学中不可避免地要涉数学模型.对于简单反应和理想反应器，计算相对容易.但是实际反应器的模型相对复杂，不可避免的涉及非线性方程组、常微分方程及偏微分方程组的求解，必须借助计算机和数学工具完成.因此，教学中教师应当强化计算机的应用，重视学生借助Mathematica和Matlab等数学工具解决工程计算问题，提高工程计算能力，从而达到理论教学与实际应用的有效结合.否则，学生的工程计算能力缺失，则无法解决一些基本的计算问题，更谈不上理论与实际应和的结合.

4 结 论

《化学反应工程》是化工类及相关专业的主干课程，是一门工程类的学科，理论抽象，数学模型复杂，实践性和应用性很强，在整个教学体系中承担着从基础课到专业课过渡的桥梁作用.社会经济的快速发展，对化工人才的知识水平和应用能力等素质提出了更高的要求，对高级应用型人才的需求也更加旺盛.我校作为地方应用型本科院校，积极适应社会需求，提出了更加强调学生实践创新能力的“3T”人才培养模式.近几年来，化工教研室根据“3T”人才培养目标，从化学反应工程内容体系的优化、教学方法和手段和实践教学等方面进行了初步的探索和实践，在强化理论教学与实践教学的有效结合和相互渗透，提高学生的工程观念、工程分析能力和计算能力等方面取得了一成的效果.在今后的教学活动中，要进一步研究和探索，为学校高级应用型人才的培养出力，为地方和社会方经济建设服务.

[1]周国权，洪晓波，邵丹凤，王家荣.化学反应工程教学改革与实践[J].宁波工程学院学报，2009，21(3)：100-103.

[2]杜迎春.数学软件 Mathematica在化学反应工程中的应用[J].计算机与应用化学,2008，25(8).