“化学反应工程”教学渗透案例元素的探索与研究

＊欧阳金波 周利民 刘峙嵘

（东华理工大学化学生物与材料科学学院 江西 330013）

在高校化工课程案例教学实施过程中，化工专业课程不同于人文社科类专业课程，实施难度较大。一是课程案例工作的开展多由院系党委牵头，各教工党支部推进，教学单位参与相对较少，课程案例难以结合专业与课程特点实施[1]；二是课程案例缺乏顶层设计，相较于人文社科专业教师，化工专业教师在教学中想开展案例教育但不知道如何落实，导致课程案例生搬硬套、流于表面，收效甚微[2]；三是仍有部分化工专业教师课程案例观念不强，认为案例教育是辅导员的事情，导致案例教育与专业教育之间难实现融会贯通[3]；四是课程案例缺乏质量评价体系与激励机制，教师进行课程案例动力不足，难以持续推动、形成教学常态[4]。

综上所述，探索化工专业课程案例新的模式，加强化工专业教育与案例教育联动研究十分必要。申请人基于“化学反应工程”课程目标与育人目标，从介绍反应工程发展史、传承“工匠精神”、践行绿色发展理念、培养哲学思维、探寻科学家事迹、突出中国传统元素、介绍国家重大工程、引入警示性案例等入手，探索如何将案例元素融入化学反应工程课程教学，并通过创新教学内容与方法，提升教学效果和育人成效。

1.课程案例选择与设计

教学案例设计如表1所示。

表1 教学案例设计

续表

2.课程案例实施

课程知识1：反应工程发展史

案例融入点：突出中国元素，增强学生的民族自豪感。

育人目标：培养学生了解反应工程发展史与化工新进展，树立正确价值观。

实施过程：化学反应工程是随着化学工程学科发展而诞生的一门课程，主要研究化工行业及其相关行业生产中所涉及到的化学反应理论、规律及过程[5]。在进行反应工程课程绪论讲解时，与学生共同探讨反应工程的发展现状及未来趋势，同时针对反应工程热点问题（如化学反应工程与其它相关课程的关联度，反应工程在化学工业中的地位）开展小组讨论并进行分组汇报，重点突出中国化学工业及反应工程的快速发展，引入著名化工领域爱国科学家（侯德榜）的案例，介绍他们对我国化学工业的贡献，有利于增强学生对专业的认同度，激发学生的学习兴趣，增强民族自豪感。

课程知识2：化学反应速率方程与应用

案例融入点：理论联系实际，提高学生解决化工工程问题的能力。

育人目标：培养学生运用反应工程科学思维，应用到化工实际问题中的三传一反，解决工程问题。

实施过程：化学反应工程主要研究如何在工业中实现实验室中的化学反应，即化学工程中的放大问题。工业规模的实验反应往往与实验室中的小型实验存在较大区别，主要有温度、浓度、压力等参数的区别，从而存在放大效应。而传递过程就是影响反应过程中温度、浓度等参数的关键所在，而这些因素会直接影响到化学反应动力学。所以，反应工程主要以反应动力学为核心，结合化工流体“三传”，考察工业反应器中的温度和组分浓度在时间、空间上的分布规律。在该章节授课时，可以将合成氨工业案例引入到教学中，探讨案例中的催化剂设计、工艺优化，耐腐蚀性设备设计等，提高学生采用理论分析解决工程问题能力[6]。

课程知识3：反应速率方程变换-恒容与变容反应

案例融入点：融入哲学观点和方法，培养学生的科学思维能力。

育人目标：培养学生运用辩证唯物主义观点和科学方法考察、分析化工基础理论知识。

实施过程：哲学蕴含在大自然一切事物中，化学反应工程课程也不例外，其中渗透着丰富的哲学元素。通过将哲学思维运用到反应工程课程的教学中，引导学生深刻发现反应工程的本质，进而掌握内部动力学参数的变化规律，这对于学生发现问题、分析问题、解决问题具有重要意义[7]。教师在教学中可以借鉴这一观点讲解相关内容，如“反应速率方程”同时适用于恒容与变容过程，一个假定反应体积不变，一个假定反应体积变化（图1）。在动力学推导教学中引入“体积膨胀因子”，进而将反应器体积的计算两个方面，一类是恒容，另一个是变容，然后分别计算体积。

图1 科学思维方法处理反应动力学方程

课程知识4：多相催化反应动力学

案例融入点：传承“恩泽”精神，激励学生争当时代楷模。

育人目标：培养学生掌握催化反应动力学理论，具备家国情怀、严谨细致的化工工匠精神。

实施过程：在多相催化动力学的讲解中，通过引入闵恩泽先生（中国催化剂之父，获得2007年度中国最高科技奖，同年获得感动中国人物之一，主要从事炼油催化剂的研发，是石油化工绿色化学的创新者）的励志故事，让学生充分了解闵恩泽先生对中国乃至全世界催化工业做出的卓越贡献，这种精神将会鼓舞着青年化工学子报效祖国。

课程知识5：釜式反应器的计算与应用

案例融入点：凸显釜式反应器的工业应用，增强化工自信与职业素养。

育人目标：培养学生掌握釜式反应器操作计算，具备良好的职业素养和社会责任感。

实施过程：釜式反应器是工业上广泛应用的反应器之一，既可以用来进行均相反应（主要是液相反应），又可用于多相反应，在釜式反应器中主要完成包括典型化学反应等工艺过程。其中，90%的聚合反应需要采用釜式反应器，对于聚氯乙烯工艺，美国通常采用几十立方米的釜式反应器；而德国对于聚合反应采用的是几百立方米的较大釜式反应器；在中国进行聚氯乙烯的生产时，基本采用不锈钢或者搪瓷的釜式反应器。对于精细化工而言，其中的单元操作基本都是在釜式反应器中完成的。通过釜式反应器多个案例的讲解，凸显釜式反应器的工业应用，增强学生化工自信与职业素养。

课程知识6：釜式反应器的稳态操作

案例融入点：辅以警示性案例，培养严谨细致的工作作风。

育人目标：培养学生掌握釜式反应器的稳态操作，养成认真负责、踏实敬业的工作态度和严谨细致的工作作风。

实施过程：近年来，化工生产过程中由于不安全操作，导致了多例反应釜爆炸事故。湖南益阳一试剂厂在操作过程中，其中的一台搪瓷玻璃反应釜的盖子突然往外脱落，随后釜中大量的丙酮涌出，与周围空气混合，诱发大爆炸，造成多人伤亡。“千里之堤，溃于蚁穴”“失之毫厘，谬以千里”，化工厂的这些操作不当带来的后果是惨痛的。“天下难事，必作于易；天下大事，必作于细”，通过这些案例的警示学习，让学生在上课和实验过程中形成细致严谨的工作态度。

课程知识7：管式反应器的计算与应用

案例融入点：引入国家重大工程案例，培养家国情怀。

育人目标：培养学生掌握管式反应器的操作性计算，树立高远的理想和追求，将所学所思落实到报效国家的实际行动中。

实施过程：作为中国化学工程工业结晶技术的开拓者之一，长期以来，王静康院士致力于化学工程工业结晶的理论和新技术的创新研究与开发，系统地发展了现代工业结晶与医药理论，出色完成了从“六五”至“十五”国家重点科技攻关产业化工程项目，带领着团队突破了工业结晶关键技术自主研发钾肥助力工农业发展、设计了管式液膜结晶器获取高纯度对二氯苯打破国外垄断、提高了青霉素纯度占领80%的国际市场。在讲解该内容时，通过渗透这类案例元素，培养学生丰富的理论知识和自主创新能力，同时让学生们胸怀国家情怀，树立崇高理想，将学校所学知识应用到祖国的实际需要领域。

课程知识8：循环管式反应器的计算与应用

案例融入点：倡导生命共同体理念，践行绿色发展观。

育人目标：培养学生的环保和法律意识，强调化工过程绿色化的重要性，培养学生的绿色化工素养。

实施过程：工业循环反应器是实现化工行业节能减排的重要纽带，通过循环反应，实现原料与产品二次利用，从而降低能耗，实现废物利用，是践行绿色循环发展的重要表现。工业上有些反应过程，如合成氨、合成甲醇以及乙烯水合成生产乙醇等，由于化学平衡的限制以致单程转化率不高，为了提高原料的利用率，通常是将反应器流出的物料中的产品分离后再循环至反应器的入口，与新鲜原料一道进入反应器再行反应，这类反应器叫做循环反应器。在学习循环反应器的内容时，教师可以引导学生从反应器的物料处理量、反应器的入口转化率、循环比等方面考虑，基于反应动力学，优化循环比，进行原料二次利用，从而培养学生的节能减排和环保意识，逐渐形成绿色化工素养。

课程知识9：理想反应器的停留时间分布

案例融入点：设计实验方案，提高科研创新能力。

育人目标：培养学生掌握停留时间分布的实验测定方法，提高学生自主创新设计能力。

实施过程：对于流动系统，由于流体连续不断流入系统而又连续地从系统流出，且流体在反应器内流速分布不均匀，存在流体扩散以及反应器内死区等问题，流体的停留时间问题比较复杂，不像间歇反应器那样是同一个值，由停留时间分布描述。测定流动反应器停留时间，即可由已知的化学反应速度计算反应器物料的出口浓度、平均转化率。通过引导学生自主设计釜式反应器与管式反应器流动特性的实验装置，优化实验参数，将釜式反应器与管式反应器的实验结果进行对比，进而更深刻地理解各种反应器的特性，提高学生自主创新设计能力。

课程知识10：固定床反应器设计

案例融入点：探寻科学家足迹，激励学生成长。

育人目标：培养学生掌握反应器设计方法，激励学生在科学的道路上不畏艰险、开拓进取、勇攀高峰。

实施过程：固定床设计中包含大量的原理、定律及公式，如雷诺方程、贝克来数等，这些方程的建立都离不开科学家的探索精神。雷诺方程是由英国物理学家提出的，他发现当黏性不可压缩流体作湍流运动时，其中的压力分量和速度分量，也满足斯托克斯方程，然后将压力分量和速度分量分别进行位移分解，对时间进行平均后，得到最终方程。顾氏公司是由我国著名化工专家-顾毓珍教授提出的，由于理论基础可靠，得到了国际学术界的广泛采用。所以，从以上科学家的事迹可以看出，科技的进步与他们的辛勤努力是密不可分的。通过在课程中引入这些科学家案例，与同学们一起共同探寻科学家的足迹，鼓励学生在今后道路上不畏困难、积极进取。

3.总结

针对“化学反应工程”不同知识点，挖掘潜在的案例元素，并进行案例设计与设施，对化工类其它课程按照课程案例建设要求改革起到了一个参考与借鉴作用，提高了教书育人效果，促进了学生自主学习和掌握化工工程应用的能力，达到了案例教学“润物细无声”的目的。