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[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）08-0121-03
化学反应工程是化学工程的一个重要分支和组成部分，以化学反应过程和反应器为研究对象，旨在进行化工反应技术的开发、反应过程的优化和反应器的设计与优化，属于化学工程与工艺专业的核心课程。[1]本课程涉及物理化学、化工热力学、化工传递过程、优化与控制以及数学、物理等多领域的知识，是集综合性、工程性和理论性于一体的交叉性很强的一门学科。学生在学习本课程时，普遍感到理论抽象、数学推导繁琐、工程问题多，不少学生认为化学反应工程是大学中最难学习的课程之一。[2]甚至，很多学生在学完本课程之后，其思维仍停留在繁琐的计算公式中，不甚清楚所学知识的内在联系和具体应用。尽管已有很多关于化学反应工程的教学、教改论文，在教学内容、教学方法以及考核方法等方面提出很多有益的建议和措施，但是仍有必要进一步的对化学反应工程的内容进行一个系统的梳理，构建一个明确、系统的知识体系框架，对一些容易混淆的概念、知识点予以廓清，并针对部分知识难点的教学提出一些建设性处理方法。鉴于上述原因，笔者经过多年的教学实践，结合学生的反馈，获得一些体会，希望能与同仁们进行交流，提升本门课程的教学效果。
一、构建课程知识体系框架
由于化学反应工程具有内容多、公式多、计算繁琐的特点，很多大学生在学完本门课程后，留下的印象大多是大量、复杂的公式推导和计算，他们仍十分迷惑从这门课程中究竟学到了什么知识，所学知识有什么用？因此，在课堂教学时要力求避免纯粹的繁琐数学描述，着重进行基本概念、基本理论和工程观点的阐述。这就有必要构建一个清晰、明确的化学反应工程的知识体系，让学生清楚课程的核心目标以及不同章节知识点间的内在联系，并不过多的纠结于复杂的数学计算，方能化繁为简，更好的掌握本课程的知识。
图1画出了化学反应工程课程的知识体系框图，涵盖了课程的核心目标、研究对象及其间相互关系和主要章节内容。学习本课程的核心目标是能对化学反应过程进行正确分析，设计和优化反应器。基于此，还可开发新技术和设备，指导和解决反应过程开发中的放大问题，发展和完善反应工程学的理论和方法。工业化学反应总是在一定的反应器中进行，化学反应的特性（化学过程）和反应器的传递特性（物理过程）共同作用，影响到最终的反应结果。为了便于学习和研究，将反应特性和反应器传递特性分开来进行研究和阐述，在分别研究清楚之后，再进行综合。这就需要研究清楚两方面的内容：（1）化学反应特性，主要研究不考虑传递过程的本征动力学，属于每一个化学反应的个性，是影响反应结果的内因，不同的化学反应体系具有不同的动力学表达式。按照参加反应的物相划分，化学反应可分为均相反应和非均相反应。其中，均相反应的反应速率主要受催化剂、温度、浓度（压力）和溶剂特性的影响，在反应体系确定的情况下，其反应速率则可表示为温度（T）和浓度（C）的函数关系，即：-ri=f（T，C）。而非均相反应总是发生在相界面上，其本征化学反应过程涉及多个界面过程（如：气-固相催化反应包含表面吸附、表面反应和表面脱附三个串联过程），其反应速率除受上述因素影响外，还受到反应界面大小的影响，在催化剂确定的情况下，仍可表示为-ri=f（T，C）。本部分内容主要涉及均相反应动力学基础和非均相反应（多相催化催化）动力学基础两个章节。（2）反应器传递特性，主要是指反应器的热量、质量传递（在压力变化不大的情况下，一般不考虑动量传递）和返混特性，属于反应器的共性问题，是影响反应结果的工程因素――通过影响反应器内温度与浓度分布而改变反应结果。反应器按操作方式可以分为间歇式操作、连续操作和半连续操作。其中间隙式操作的所有流体质点具有同样的停留时间，而不存在返混问题；而连续操作的反应器根据返混的大小程度则可以分为完全不返混的平推流反应器（PFR）、完全返混的全混流反应器（CSTR）以及介于二者之间的实际反应器。PFR和CSTR中的流体流动状态是两种理想的极端情况，称为理想流动；而偏离上述两种理想情况的流体流动（不管是否由返混造成）则为非理想流动，对于非理想流动通常通过停留时间分布函数和停留时间分布密度函数，并借助于一定的流动模型来描述其流动特征。本部分内容主要分为理想流动（部分书也称之为均相反应过程）和非理想流动两个章节。
反应器的传递特性与其中发生何种反应无关，故可以通过冷模实验来研究大型反应器中的传递特征；而化学反应的本征反应动力学特性与反应器的尺寸、形式无关，则可以构建小型热态实验研究反应特性。这样就可以比较容易的分别研究清楚反应器的传递特性和化学反应特性。鉴于反应器的传递特性会改变反应器的温度场、浓度场，从而影响反应器内各质点的反应速率，进而又改变反应器内的温度、浓度分布，二者相互作用、相互影响，影响最终的反应结果。因此，需要综合考虑化学反应特性和反应器传递特性，通过数学模型法，联立物料衡算式、热量衡算式、动力学方程、动量衡算式和参数计算式，进行反应过程的分析（包括反应器的热稳定性），从而设计新的反应器或对现有反应器进行优化。本部分内容主要涉及均相反应器（含反应器热稳定性分析）和非均相反应器（主要包括固定床反应器、流化床反应器及多相流反应器）各章节。考虑到我校的化学反应工程教学课时为48学时，关于多流体相反应过程、聚合反应过程以及生化反应过程等章节的内容则不做课堂教学要求，感兴趣的同学可以自学。
二、注重方法
关于教学方法在很多教学论文[3] [4] [5]中已有较好的阐述，在这里主要针对本门课程一些难点抛砖引玉的介绍几个处理方法，希望有助于大学生学习和掌握相关内容，学会将所学知识进行移植、融会贯通。
（三）在化学反应工程中常常会涉及很多优化问题的求解问题
化学反应工程常常涉及串联反应中间产物为目标产物时的优化操作时间，循环反应器的最优循环比，CSTR串联反应器的优化组合，以及CSTR反应器的热稳定性等问题。优化问题求解实际上就是求解极值，惯用的手段就是推导出关键函数与关联操作变量的函数关系式，通过求导并令导数等于零即可求出最优操作条件。这是纯粹的数学问题，学生往往觉得抽象、难以理解，并容易因抽象的数学公式而产生厌学情绪。这时，将关键函数与关联操作变量在图上示意出其变化趋势，再结合关键函数的数学求导进行讲解就很容易被学生理解、接受了。
三、知识的衔接与应用
化学反应工程是一门集理论知识和工程应用于一身的课程，贯穿化学工程专业的大学三年级及其以后的整个大学生涯。在化工专业的课程设置和能力培养上必须注重知识的衔接和应用。我校的化学反应工程课程安排在大学第六学期，同步开设了化工专业实验，其中与本课程紧密相关的实验主要涉及反应器停留时间分布的测定（包括管式反应器流动特性测定、多釜串联返混性能测定）、多孔物质（催化剂）孔径分布及比表面积的测定、甲基丙烯酸甲酯的本体聚合及其聚合反应速度的测定、活性炭吸附法脱除气体中的有机溶剂蒸汽、煤炭反应性的测定、固体流态化实验（含流化床干燥实验）、超细粉体（碳酸钙）的制备等（上述部分实验属于设计性的选做实验）。通过实验强化学生对非理想流动特征、反应器停留时间分布特征及其测定方法、反应速率测定方法、多孔介质上气体吸附特征及其应用、实际反应器等的认识和理解，并能初步创造性的运用所学理论知识进行反应器的操控和数据的处理。第六学期期末即进行为期3周的化工生产实习，其中2周主要在燕山石化的炼油厂和化工厂进行，现场重温各类实际化工反应器及其操控；1周在校内进行，可在新建的化工仿真实验室进行石油常减压蒸馏和催化裂化工段的仿真实习，熟悉各装置的操控、调节和事故分析、处理，增强工程分析和解决工程问题的能力。每年举办的全国大学生化工设计竞赛（自2007年开始举办，时间为每年的5月-8月）为化工类大学生提供了一个很好的培养和锻炼创新思维、工程设计与实践等多方面技能的实战平台。近五年来，我校化工专业学生均组队参赛，参赛人数比例逐年递增，今年的参赛人数达整个化工专业学生总人数（指化工专业三年级大学生，个别二年级优秀学生参与体验但不组队参赛）的65%。从2014开始，我校开始尝试将本年度的化工设计竞赛题目作为化工专业的专业综合设计题目，一改使用多年设计题目的陈旧感，紧追化工领域的当前热点，师生普遍反映效果良好。在化工设计竞赛中的一大核心即是反应器的设计和模拟，有助于夯实化学反应工程学科相关知识，并学以致用。课堂教学――专业实验――设计竞赛――专业综合设计这一系列教学实践活动保证了化学反应工程知识的强化、吸收和从学到用的衔接。
四、结束语
综上所述，对化学反应工程的教学除了常规的教学方法的改进外，尚需要从课程本身的特点出发，从第一堂课开始即要构建一个清晰、明确的课程知识体系，避免过多的纠结于复杂的数学计算过程。并且，在教和学的过程中巧妙的利用一些处理方法解决知识难点，起到融会贯通的作用。此外，教学院系在化工专业培养体系和课程设置上要适当注意专业知识内容的衔接和运用，力争做到学以致用，学以会用。
[ 注 释 ]
[1] 李宝霞.《化学反应工程》教学改革模式探讨[J].高教研究与实践，2012（4）：33-35.
[2] 苟建霞，解胜利，贾冬梅.化学反应工程教学与改革[J].广西大学学报（自然科学版），2008（S1）：264-266.
[3] 尹先清，李赓.化学反应工程教学方法探讨[J].长江大学学报（社会科学版），2010（5）：32-33.
关键词:化学反应工程;教学改革;教材;实施方案
《化学反应工程》课程是化工类及相关专业的核心课程之一，属于本专业重要的专业基础课和必修课，在化工类学生的培养过程中起着举足轻重的作用。化学反应工程是一门研究与化学反应工程相关问题的一门科学技术，是从上世纪30年代初萌生到50年代末形成的一门由过程控制、传递工程、物理化学、化工热力学、化工工艺学、催化剂等相关学科互相交叉互相渗透而演变成的一门边缘学科［1］。通过近几年的教学经验和调查研究发现，学生普遍认为化学反应工程是大学课程中最难学的基础课程之一，学习过程中发现理论计算公式复杂，反应器种类繁多，课程学习结束后感到一头雾水，抓不住重点。因此，面对这样一门课程，如何进行教学，让学生理解起来更加形象生动，从更本上改变化学反应工程的教学现状是我们目前的重要任务。本文结合不同种类高等学校选用教材的特点和差异，并根据我校化工专业的特色，提出了《化学反应工程》课程教学的侧重点，从多方面对本课程的教学提出了改革实施方案。
1《化学反应工程》教学在化工专业中的作用
化学反应工程的主要任务是研究化工生产过程中反应器内的反应规律和传递现象，使化学反应实现工业化生产的一门技术科学，是提高化工生产技术所必需的科学技术理论。化学反应工程在化学化工领域中起着举足轻重的作用，目前各种化学品的生产和应用无不借助于化学反应工程相关的理论知识。在20世纪40年代，一个化学反应过程的技术开发到真正的工业生产大概需要十年以上的时间，而现在只需要三到五年。此外，随着计算机技术的快速发展，中试试验的规模不断缩小，试验的次数也不断减少，大大加快了化工厂建设的步伐，降低了投资建设的成本［2］。因此，作为一门理论教学课程，将化学反应工程这门课程作为化工专业方向的重点课程进行建设，对于高等学校教学改革的促进、本科教学质量的提高、优秀化工专业人才的培养具有十分重要的意义。济南大学作为一所省部共建的大学，化学工程与工艺专业一直是本学校的特色学科，学校对化工类学生的培养目标一直是培养应用型高技术的人才，每年为我国的精细化工和石油化工行业输送大约240名高水平人才，对精细化工和石油化工行业的发展起到重要的作用。为此在化学反应工程教学过程中，我们紧密结合我校的特点和化工实际生产的需要，着重提升学生的反应工程知识储备，培养学生分析解决实际工程问题的能力，并在教学过程中不断地进行教学改革和实践，把课程、教材的理论研究和教学方法相结合，不断提升《化学反应工程》的教学效果。
2不同类型高校选用教材的特点和差异
直到20世纪70年代，化学反应工程的相关研究成果才开始被大量地介绍到国内，其中华东理工大学的陈敏恒教授，天津大学的李绍芬教授，浙江大学的陈甘棠教授，四川大学的王建华教授等是国内最早从事反应工程教学的学者。到了80年代以后，国内从事化学反应工程学科教学研究的队伍迅速壮大，并且化学反应工程的研究逐渐渗透到各种化工领域，与世界研究水平之间的差距也不断缩小，不同版本的教科书和各种各样的专著也相继出版。反应工程已经成为我国化工类专业学生的一门非常重要的专业课程。目前国内已有120所大学和科研单位培养化工类相关专业的人才，例如清华大学、天津大学、华东理工大学、北京化工大学、中国石油大学、南京工业大学、浙江大学、大连理工大学、四川大学、华南理工大学和济南大学等。目前化学反应工程学科正在蓬勃发展，由于国内高校地区和专业特色的不同，不同高校在化学反应工程教材选择上也存在差异，各有各的特点。作者就不同高校所使用的《化学反应工程》教材进行了汇总和分析。首先介绍一下陈甘棠教授主编的《化学反应工程》(第三版)，这本教材是国内许多化工类高校选用的主要教材之一，随着我国在化学反应工程这一重要学科的教育方面日渐普及，该部教材自1981年第一版问世以来，已经出版到了第三版，受到广大化工类专业师生的好评［3］。该部教材的特点是着重基础，本书共分为十章，分别介绍了均相反应过程，包括均相反应动力学基础、均相反应器、非理想流动:非均相反应过程，包括气—固相催化反应过程、非催化两流体相反应过程、固定床反应器、流化床反应器;聚合反应过程，包括聚合过程的化学与动力学基础;生化反应过程，包括生化动力学基础、生化反应器。该部教材注重反应工程研究方法的介绍，在不同的章节内容中论述了反应工程学的发展方向，有助于读者进一步深入研究。朱炳辰老师主编的《化学反应工程》也受到国内很多工科类高校化工专业老师和学生的青睐。本部教材的第一版是由化学工业出版社于1993年出版，截至目前本部教材已经出版到第四版，其中第三版累计发行量高达32000册。《化学反应工程》第四版主要吸收了一些关于现代化学反应工程发展方向方面的知识，本部教材的主线是围绕化学反应与动量、质量、热量传递交互作用的共性归纳综合的宏观反应过程，以及如何解决反应装置的工程分析和设计。该书对近年来出现的化学反应新概念、新理论和新方法做了大量阐述。另外，对于国内一些偏工科的化工类高等院校，选用的教材大多数以郭锴老师主编的《化学反应工程》为主，本部教材的主要内容包括:均相单一反应动力学和理想反应器、复合反应和反应器选型、非理想流动反应器、气固相催化反应本征动力学、气固相催化反应宏观动力学、气固相催化反应固定床反应器、气固相催化反应流化床反应器、气液相反应过程与反应器、反应器的热稳定性和参数灵敏性。本部教材的特点是主要突出了该门课程的重点和难点，删除了一些与教学大纲联系不是十分密切相关的内容，并着重讲解解决化学工程问题的基本方法。除此之外，罗康碧老师主编的《化学反应工程》教材结合了理科和工科的综合优势，吸收了国内外相关教材的许多内容和好的经验，增添了一些反应工程研究方面的最新成果。另外，本部教材在贯彻“少而精”的原则上更注意删繁就简，将重点放在化工专业领域内共性的基本问题上，并且同时体现了其教学性。本部教材先重点阐述基本概念和基本原理，然后结合实际生产，详细论述各种常用反应器的设计方法，并列出详细的例题和课后习题，用于帮助学生利用所学到的反应工程原理去分析和解决实际应用问题。近年来，梁斌等老师主编的《化学反应工程》第二版也受到国内许多化工类高校老师和学生的欢迎。在本部教材中，主要内容是以《化学反应工程》、《反应器理论分析》及国内外相关优秀教材为基础，致力于培养学生的分析问题能力和提高学生的工程实际知识储备，减少了教材内容在模型分析上的过程描述，加强学生在建立模型方面的训练。另外，本部教材还增加了工业应用背景的实例分析和课后习题，在分析解答这些习题的过程中让学生充分掌握反应工程的基本原理和相关知识，使教学内容尽量与科学研究和工程实践同步。
3我校化工专业的特点和教学侧重点
济南大学的化学工程与工艺专业属于理论性和应用性兼顾的一门特色化工学科，本专业始建于1992年，前身为山东建材学院精细化工专业，1993年招生，是济南大学重点学科的重要组成部分，2007年被学校授予校级特色专业，2012年成为山东省品牌(特色)专业，现为山东省氟化学化工材料重点实验室依托专业之一。其中化学反应工程这门课是本专业重要的专业基础课和必修课，另外，化学反应工程课程的理论教学是本专业本科教学的重要组成部分，起着理论指导和基础知识培养的作用。另外，从学校每年安排的工程实习学时就可以看出，学校对学生的动手能力和实践能力提出了更高的要求。例如学校每年组织化学工程与工艺专业大三学生去山东金城医药化工有限公司进行生产实习，主要参观和学习2－甲氧羰基甲氧亚胺基－4－氯－3－氧代丁酸生产车间的反应器设计和工艺装置流程图。通过调研每年的学生生产实习效果发现:学生在学习完实际工业生产装置后，对课本上的基本概念和原理理解的更加透彻。根据我校化工专业的特点，在《化学反应工程》的课程教学上，我们选择的教材是郭锴老师主编的《化学反应工程》第二版。在课堂教学过程中我们的教学目标为:通过对反应工程理论的学习，能够运用化学反应工程的理论方法建立数学模型，优化设计反应器、或者改善化学反应场所、改进现有的化工生产工艺;进一步提高学生的理论联系实际的能力，培养学生判断和解决问题的能力，使学生学会研究的方法，为进入研究生学习打下良好的基础;掌握由化学动力学特性建立动力学方程、建立数学模型、优化和设计反应器及改进化工工艺的理论;运用化学反应工程的知识，能够进行基本化工反应装置反应器的设计。
4拟采用或已经实施的教学方法
化学反应工程具有跨接多种学科的特点，结合本校化学工程与工艺专业的特色和优势，笔者从以下方面进行了教学方法的改进。(1)结合我校特点济南大学在医药中间体工业化生产、氟化学材料合成、精细化学品制备和环境催化方向具有鲜明的特色和优势，已经发展成为以新产品开发、新工艺设计、新技术应用为特色的精细化工和化工领域高级人才培养、科学研究和新技术开发的重要基地之一，并多次获得国家科技进步奖和发明奖。因此，在本科教学过程中，要结合我校化工专业的特色，着重讲解气固相催化反应和气液相反应过程，并要求学生能够运用化学反应工程的知识进行基本化工反应装置或反应器的设计，进一步提高学生的理论联系实际的能力，培养学生判断和解决问题的能力，为社会培养优秀的化学化工(医药中间体、氟化学材料和精细化学品)相关人才。(2)阐述方法和教学方式的改进目前全国高等学校的教学方式还是以灌输式教学为主，老师主动讲，学生盲目听，导致课堂利用率低，学生学习效率不高。随着计算机技术的不断发展，多媒体技术在高校已经普遍使用，虽然这样可以改善课堂教学方式，丰富课堂教学内容，提高学生的学习兴趣，但是多媒体技术的使用导致每节课的授课内容大大增加，学生并不能高效率的吸收每节课中所有的知识点，导致在学期末时学生对这门课的了解程度并不高［4］。例如，我在第一次讲授《化学反应工程》这门课程时，由于讲课经验和技巧都很欠缺，所以在整个课堂教学过程中完全按照多媒体上的内容进行阅读，这样生硬的填鸭式的教学模式，导致整个课堂教学效果很差。因此这样的灌输式教学模式会导致学生盲目听从，其自主性和能动性大大缺失，所以在以后的教学过程中，我们要“授之以渔”，而非“授之以鱼”，这需要我们在教学方式上加以引导［5］。笔者认为改变这种填鸭式的教学模式，主要的突破口就是让学生参与到课堂教学过程中，充分调动学生的积极性并培养学生对本门课的学习兴趣。针对这一措施，笔者在教学过程中进行了一些探索和改进，取得了很好的效果。具体探索过程如下:在阐述一些基本概念和原理的时候，可以在课前让学生充分的查阅资料，然后在课堂上让学生进行讲解，在这过程中并进行充分讨论，最后老师做总结，并纠正学生的错误观点。这种“查阅资料－主题讨论－问题反馈”的教学模式，能够让学生参与到课堂教学过程中，让学生做课堂真正的主人，提高学生的主观能动性，改变填鸭式教学的不足。(3)注重理论和实际的结合在高校的课堂教学过程中，教科书是一种不可或缺的教学工具，但也不能作为唯一的使用工具，教科书在本科教学过程中只能作为一种辅助的工具。这样就要求老师在教学过程中要灵活应用教材，既不能完全拘泥于教材，也不能完全脱离教材，在讲清楚基本原理和基本概念的基础上，注重理论和实际相结合。在每一章的讲述过程中，把每一个知识点都与实际工业应用相互关联，并阐明其主要的热量传递、动量传递、质量传递及化学反应在实际过程中是如何应用的，以加深学生对每一个知识点的理解。另外，还要注意结合科研成果，对学科前沿知识进行讲解，让学生了解目前化学反应工程的研究动向，例如在讲解气固相催化反应本征动力学时，可以引入最新发表的经典文献，通过对文献的讲解，加深学生对气固相反应本征动力学的理解，知道如何来研究一个催化剂的本征反应活性。通过这种理论与实际相结合的方法，可以大大提高学生在课堂上的学习效率。在对《化学反应工程》课程教学方法不断改进后，获得了良好的课堂效果，这不仅对教师的教学能力是一种转变和提高，对化工类学生思维和能力的培养也具有重要的意义。
参考文献
［1］金涌，程易，颜彬行.化学反应工程的前世、今生和未来［J］.化工学报，2013，64(1):34－43.
［2］王安杰，周裕之，赵蓓.化学反应工程［M］.北京:化学工业出版社，2005:1.
［3］陈甘棠.化学反应工程［M］.北京:化学工业出版社，2011:1－3.
［4］吴元欣，朱圣东，吴迎.以多尺度理念构建新的化学反应工程体系［J］.武汉工程大学学报，2011，33(1):2－3.
[关键词] 化学反应工程；教学改革；教学方法
化学反应工程是精细化工专业一门必修的，建立在数学、化学等基础学科及物理化学、化工热力学、化工传递过程等知识领域，内容新颖而难点较多的专业技术基础课。通过该课程的学习，学生应能掌握化学反应工程最基本的原理和计算方法，能够理论联系实际，提高对工业反应器进行设计与分析能力。
面对这样一门课程，必须让学生能系统掌握本课程的内容，使教学内容较为合理，并在教学方法和手段方面进行改革，力求把化学反应工程基本观点与实际紧密联系起来，现介绍该课程教学中的几点体会。
1 阐明化学反应工程课程地位，激发学生学习兴趣
化学工程与工艺专业的核心知识可概括为“三传一反”，“反”是核心。对各种不同类型反应器的设计与分析正是化学反应工程课程的主要内容。因此要让学生懂得该课程的重要地位，激发他们的学习兴趣。一旦他们能认识到该课程的重要性，就会自觉地下功夫学习，主动克服学习中遇到的困难。目前硕士研究生入学考试只考化工原理，并不是意味着它没有化工原理课程重要，主要由于化学反应工程课程难度较大，一些重点高校在硕士研究生复试时要加试化学反应工程，这也可激发学习的积极性。
2 教学内容和目标的改革
在准确把握化学反应工程学科总体框架和教学中心的基础上，课程强调重点、基本理论和基本方法和专业知识的系统性，因为基础理论不扎实，会限制学生解决问题能力的发挥与创新；同时强调工程应用能力的训练，强调与其他课程，如数值计算、化学动力学、化工原理、传递现象、催化原理和计算机技术等的衔接、贯通。因此，这门课的学习，要求学生综合利用所学的知识来解决工业反应器设计问题。为此，在组织教学过程中，要求学生在课下认真复习所需的基础知识。
在教材选择上，精心挑选精细化工专业适合的教材，以许志美的《化学反应工程原理》为主，以李绍芬的《反应工程》、陈甘裳的《化学反应工程》、朱炳辰的《化学反应工程》等为辅来讲授，将当今世界上最流行的英文教材如Levenspiel主编的《Chemical Reaction Engineering》为参考来组织教学，同时将最新的科学研究成果融入课堂教学，如膜反应器等。
3 教学方法和手段的改革
鉴于本课程涉及的工程数学知识较多，且要求有一定的逻辑思维能力，课堂讲授的内容和方法必须适当。在讲授每一章时都应该利用几分钟的时间将本章加以概括。同时，注意将课程体系进行系统化处理，教学内容包括：反应动力学基础、釜式反应器、管式反应器、停留时间分布与反应器的流动模型、多相系统中的化学反应与传递现象、多相催化反应器的设计与分析等。建立物料衡算式、能量衡算式和动量衡算式这三类方程的依据分别是质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律是各类反应器章节的基本内容。学生若能抓住各类反应器设计与分析的最基本的内容，就能从总体上掌握化学反应工程学科的知识体系。
对于那些学生用现有知识无法解决的问题，如数值积分中的Simpson法，教会学生使用多种手段进行解决，如程序设计、Excel计算、Origin绘图及MatLab计算等实用方法。平时的作业也直接在计算机完成，然后直接发至主讲教师的电子邮箱，实现了无纸化作业。同时上课过程中注意制造悬念，促进学生思考，复习旧知识，提出新问题，让学生处于索取状态，刺激学生的大脑兴奋，主动想去获取问题答案。
化学反应工程中有很多的图表说明、例题演算等，一般情况一节课需7～8个黑板版面，这就需要利用计算机进行演示。而且利用生动的动画来模拟事物的变化过程，说明科学原理，将一些抽象、复杂的内的合成与应用容具体化，便于学生理解和掌握。但是，对于一些难度较大的内容，由于学生的数学基础参差不齐，其过程推导还需要用板书的形式进行，由浅入深，可引导学生学会推导的方法、思路，也便于学生记录笔记。
4 考核方式的改革
化学反应工程是被教育部颁发的《目录》确定的宽口径化学工程与工艺专业的四门主干课程之一，也是涉及研究过程工业(即通过化学变化或物理-化学变化制造产品的工业，包括化工、石油、冶金、材料、轻工、医药、生化、食品、建材、军工、环境等) 中生产过程、生产装置、工艺技术规律的诸多专业重要的必修或选修的技术类或技术基础课程[1]。化学反应工程既包含化学现象，又包含物理现象，是一门综合性强、涉及基础知识面广、对数学要求高的专业技术学科，学生在学习时普遍感到理论抽象、计算繁琐，不少学生认为化学反应工程课程是大学中最难学习的课程之一。又加之我校为一所地方性本科院校，学生的基础知识并不扎实，实验和实习条件有限，因此，如何在较短的课时数内使学生能够系统地掌握本课程主要内容，培养学生的工程观念和创新能力，成为我校化学反应工程教学改革的重点。基于此，我们在传统教学方式的基础上，进行教学改革，引入师生互动教学模式，并取得了一些进展。
1 化学反应工程的主要内容和作用
化学反应工程是化工类专业的一门专业主干课程、核心课程，涉及物理化学、化工热力学、化工传递过程、优化与控制等。主要研究工业规模化学反应过程的优化设计与控制。该课程对于培养学生的工程意识、强化工程分析能力具有十分重要的作用[2]。本课程的基本内容包括反应动力学和反应器设计与分析两个方面，重点是介绍气——固相催化反应本征动力学、气——固相催化反应宏观动力学、理想流动反应器、反应器中的混合及对反应的影响、气液反应及反应器和流——固相非催化反应等基本理论。目的是使学生掌握研究工业规模化学反应器中化学反应宏观动力学的基本方法和基本原理，具备进行反应器结构设计、最优操作条件的确定和最佳工况的分析控制、过程的开发研究和模拟放大的基本能力。
2 化学反应工程教学现状与存在的主要问题
传统的化学反应工程教学方式单一，主要是教师在讲台上讲，学生台下听。课堂教学不具有主体性、创造性、全面性、发展性的行为，其不足之处有以下几方面：灌输式过多，参与式过少。教师的启发式与学生的参与体现得不够，学生被动听课，课堂气氛大多比较沉闷。结论型过多，问题型过少。教师教给学生的都是定论，启发学生思考问题、提出问题不够，学生的问题意识和提出问题、研究问题的能力较弱，授课效果不佳。现代教学理论认为，教学是一个双边互动的过程。在这一过程中，教师是主导，学生是主体，任何一方的作用都不能忽视[3-4]。所以我们在化学反应工程的教学中，根据地方院校的特点引入了师生互动教学法。
3 互动式教学法在化学反应工程教学中的运用
互动式教学是指在教师的指导下，利用合适的教学选材，通过教与学双方交流、沟通，激发教学双方的主动性，拓展学生思维，培养学生发现问题、解决问题的能力，以达到提高教学效果的一种教学模式[5]。这种教学模式需要营造多边互动的教学环境，在教学双方平等交流探讨的过程中，达到不同观点碰撞交融，进而激发教学双方的主动性和探索性，从而提高教学效果。互动式教学常用的方式有多种，本教学改革选择问题教学法、案例教学法、上课提问、课后互动多种方法进行教学，由传统的讲授式转向讲授与提问、讨论相结合的教师与学生双向交流的启发式教学。在教改过程中，我们充分发挥互动式教学法的优势，努力寻找互动式教学与化学反应工程教学的最佳结合点，促进了化学反应工程教学的开展。
3.1问题教学法与案例教学
问题教学法是指围绕问题展开教学双方互动。一般为：提出问题—思考讨论问题—寻找答案—归纳总结。比如，在讲授多级cstr串联的计算及优化时采用此教学方法。首先提出两个问题，第一个问题是分析多级cstr串联的必要性，第二个问题是如何求串联体系的转化率。然后引导学生根据平推流和全混流反应器的优缺点和两种理想流动反应器数学模型的建立方法进行思考、讨论；进而利用已学知识点寻找答案，教师最后归纳总结。在讲授反应器中的混合及对反应的影响这章时，充分利用案例教学。案例教学一般程序为案例解说—尝试解决—设置悬念—理论学习—剖析方案。在这一章中利用案例教学，启发学生学会根据所测得的停留时间分布情况，利用非理想流动模型解决实际工业生产中的操作型和设计型问题。
3.2加强课堂提问
由于搅拌槽内的流场的流动具有复杂性，目前对搅拌槽等混合设备的设计和经验成分也采用理论计算的方式，在化工领域中，化工工业规模的反应器存在不均匀性等特点，不均匀性随规模扩大而加重，因此，对搅拌槽内部流场进行研究是非常有必要的。虽然许多化学家对化工领域中的搅拌机槽内的流场进行了分析研究，如Harvey等人采用二维模拟计算搅拌槽内流场的流体，但随着技术的不断改革与发展，计算流体力学的引进，改变了以二维模拟的计算方式，计算流体力学的方法不仅可以节约化工研究成本，采用实验手段不能获得的数据，计算流体力学方法也可以获得。Sun等人利用计算流体力学中的湍流模型计算了搅拌槽内的气液两相流动，并且对其进行了三维模拟，通过实验研究表明，计算流体力学的数值模拟能有效的计算搅拌器上部的气体部分，但是，CFD数值模拟也存在一定的缺陷，不能有效模拟搅拌器底部区域。计算流体力学CFD与多普勒激光测速仪LDV有效结合，可以对搅拌装置能更深入的研究，其主要原因是多普勒激光测速仪测量的数据可以准确验证计算流体力学CFD计算的结果，同时多普勒激光测速仪测定特定点的速度也可以作为计算流体力学计算的参考条件。
2.CFD在化学工程换热器中的应用分析
换热器是化学工程中使用最多的设备，通过计算流体力学的计算方式，不仅可以精确、详细的测量换热设备内流场的流动，也可以预测换热器的性能，经济可靠的换热器对化工工业具有重要作用。对于化工中的管壳式换热设备，其内部的几何形状设备结构复杂，利用计算流体力学模拟管壳式换热设备的壳侧流场，进而充分了解管壳式换热设备的壳侧在瞬间变化中的温度场、速度场，CFD的应用有利于分析研究换热器的基本原理和结构构造。
3.CFD在化学反应工程中的应用研究
关键词：绿色化学；研究发展；环境保护；应用
1、绿色化学的基本概念
绿色化学是利用化学原理来防止污染的一门学科，也称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学，在绿色化学基础上发展起来的技术称为绿色技术、环境友好技术或清洁生产技术。绿色化学的化学反应过程，实现“零”排放，不产生污染。绿色化学对生产过程来说，包括节约原材料和能源、淘汰有毒原料、减降废物的数量和毒性。 绿色化学通过改变化学品或生产过程的内在本质，来减少或消除有害物质的使用或产生，是非常科学的，是化学工业可持续发展的基础。
2、绿色化学的原则
绿色化学经过先驱者10多年的研究与探索，总结出了绿色化学的一些理论和原则，为绿色化学的今后研究工作奠定了墓础。P.T .A nastas和J.C. W aner提出的12条绿色化学的原则目前为国际化学界所公认，它反映了近年来在绿色化学领域中所开展的多方面的研究工作内容，同时也指明了未来发展绿色化学的方向。
3、绿色化学主要研究内容
绿色化学的研究主要是围绕化学反应、原料、催化剂、溶剂和产品的绿色化开展的，具体包括：新合成方法和路线的研究，特别是新型催化剂和催化过程的研究；新化学原料的研究，包括生物质资源的沽净转化和综合利用；新反应条件及过程的研究，包括对超临界流体、环境无害的介质等的研究；绿色产品的设计和研制的研究。
4、绿色化学的主要研究对象
4.1 原料的绿色化
现有的化工生产中，仍有不少产品在生产过程中使用着剧毒原料。为了确保环境安全和人类的健康，寻找无毒、无害的原料来生产人类所需的化工产品，是十分必要的。
4.2 化学反应的绿色化
提高化学反应效率符合化学反应绿色化的要求，化学反应的绿色化包括 （1）原子经济性。即最大限度地利用原料和最大限度地减少废物的排放，减少环境污染。 （2）反应的选择性。化学反应的选择性包括位置选择性、化学选择性和立体选择性。
4.3 产品的绿色化
产品的绿色化是绿色化学的关键部分，其实质就是大力研制并且提供人身更安全的环境友好型化工产品，如新的海洋生物防垢剂、THPS杀菌剂、灭火制冷剂、二酰基肼杀虫剂等。可降解塑料、环境友好农药、绿色燃料、绿色涂料、CFCs替代物等等都是很有发展前景的绿色产品，随着技术的进步，越来越多的产品将会取代原来的对环境有害的产品。
4.4 催化剂的绿色化
目前在许多化学反应和化学工艺中，常采用对设备腐蚀较大，污染环境、危害人体健康和社会安全的化学原材料作为催化剂，目前围绕催化剂的绿色化展开的研究主要有：仿酶催化剂、固体酸催化、水溶性有机金属配合催化剂及多相催化体系。
4.5 溶剂的绿色化
溶剂在化学品生产过程中，广泛的用做反应分离的介质或用做清洗剂。当前广泛使用的溶剂是挥发性有机化合物（VOC），其在使用过程中有的会引起地面臭氧的形成，有的会引起水源污染。
4.6 化学设计的绿色化
化学设计的绿色化是利用计算机进行辅助的绿色化学设计。其做法是：首先建立一个尽可能全的化学反应的资料库，利用计算机进行可能的化学反应的组合；其次确定目标产物和可能采用的原料；第三让计算机找出能生产目标产物的反应及所需原料，第四以上一步的原料为目标产物再做搜寻，找出该目标产物的合成反应原料，直到得出预定的原料；最后比较各条可能的反应路线的经济技术性及环境效应，从中选出最佳途径。
4.7 合成技术的绿色化
合成技术的绿色化是近年来发展起来的，其宗旨是要减少有毒有害物质的使用，该技术采用一些特别的非传统的化学方法，获得多种环境效果，改善产品的选择性，降低单位产品的能耗。其中电化学发是新世纪洁净技术的重要方法，该方法在化学反应中无需使用有毒有害试剂，而且还可以使反应在常温、常压下进行，所以，电化学方法在洁净合成中个有独特的魅力。
5、绿色化学的新技术和新工艺
5.1 催化技术
催化剂，不仅可以加速反应的过程，极大地改善化学反应的选择性和提高转化率，提高产品质量、降低成本，而且能从根本上减少或消除副产物的产生，减少污染，最大限度地利用各种资源，保护生态环境，这是绿色化学研究所追求的目标。
5.2 生物技术
生物技术被认为是21世纪最具有发展潜力的产业之一，是当代科学的高新技术，生物技术在医药、食品、能源、冶金、化工、精细化学品的制造等方面具有广泛的应用。它的最大特点在于能充分利用生物质资源，节约能源，易于实现清洁生产，而且可以实现一般化工技术难以实现的化工过程。生物技术主要包括：基因工程、细胞工程、酶工程和微生物工程。
5.3 超声技术
超声技术，即声化学，它是声学和化学的交叉渗透而产生的一门新兴交叉学科。声化学能改变反应的进程，提高反应的选择性，增加化学反应的速率和产率，降低能耗和较少废物的排放，因此声化学技术作为一种安全无害的“绿色技术”，在合成化学中具有广泛的应用。
一、“以学为主”的多样化课堂教学
龚克指出,[5]大学教育区别于基础教育的标志之一,应是从以教为主转变为以学为主。改进以“管灌”为主的培养模式,激发学生的主动求知欲是真正提高教育质量的关键。在化学反应工程课程的双语教学中,我们也在逐渐转变观念,采用多种多样的课堂教学方法,改变完全以教师为中心的讲授式教学为多种教学方法并用,以提高学生学习的主动性为目的,着力提高课堂教学效果。下面拟对主要采用的几种教学方法进行介绍。
1•讲授式教学:即教师系统地向学生传授科学知识。由于本课程采用双语教学,学生在学习中往往花费较大精力在理解语言、语法上,反而忽视了课程知识,导致学习效果不够理想。[6]针对这一问题,我们在教学中改变传统的灌输式教学,采用多种形象、生动的手段,如大量的图示、动画,以图文并茂的方式进行讲解,避开学生在语言方面的障碍,使其注意力转移到课程知识的学习,引导学生不要过多关注语言、语法,强调英语语言以“用”为目的,提高学生对知识的接受效果。课堂上经常设问,激发学生克服语言障碍从课本中寻找答案的兴趣。教学中重视双语应用实效,根据学生接受知识的程度,逐渐提高英文讲授和表述的比例;鼓励学生多运用英文,从看例题、做习题开始,到逐渐习惯用英文写作业和考试答卷。
2•互动式教学:即授课过程中教学双方经常进行交流互动。例如在教学中,教师提供工业反应器范例,由学生自行发现反应器的设计特点并主动质疑,然后全班讨论或小组讨论,继而选出学生代表,用英语表达自己对该反应器设计特点的认识和分析原理,最后教师作总结或纠正要点。教师经常选出教材中较为生动的典型章节或例题,提出问题,由学生自行阅读课本,让学生带着兴趣学习,引导学生猜读不熟悉的单词;以学习课程知识为重点,让学生自行讨论阅读的内容,最后教师强调这部分内容中的关键概念和原理。每次课结束,教师都布置任务给学生,要求学生总结本次课程的内容。下次课上首先抽出几位同学对前一次课的内容进行提纲挈领的回顾,由此督促学生课下自主复习,及时回顾,保证知识的连贯性,达到温故而知新的目的。这些互动式教学方法促使学生自主阅读教材,并运用英语语言表达自己对课程内容认知,取得了很好的教学效果。
3•感知式教学:教学中利用各种方式让学生直接感知实际的反应器。我们认为,仅给学生讲授理论知识,往往很难达到预想的效果,而直接感知对化学反应工程教学具有非常重要的作用。由于反应器是化工工艺过程的核心设备,我校有大量的科研力量投入在反应器设计中,已开发的反应器包括催化裂化、催化裂解两段提升管反应器及渣油加氢裂化悬浮床反应器等。此外,各科研组用于科学研究的反应器多种多样,如固定床反应器、流化床反应器、釜式反应器等。在教学过程中,课程组教师创造各种条件,让学生进入实验室参观实际反应装置,不能参观实物的,则以生动的照片、图片来展示,将反应器的特点直观地展示给学生,让学生将抽象的理论与实物建立起联系,显著提高教学的实效。
4•训练式教学:即教学注重学生对所学知识的反复实际训练。目前推进的“卓越工程师培养计划”中,很注重培养学生的工程设计能力,在化学工程与工艺专业随后的课程中有专门培养工程设计能力的化工设计课程,其中不可避免地涉及化学反应器的设计。由此,在课堂教学中,我们除了让学生就每个知识点进行反复训练,还设计题目,让学生就多个知识点甚至整个知识体系进行训练;并设法找到工业实际反应器的数据,例如石油化工过程中涉及的油品催化裂化流化床反应器、乙苯脱氢制苯乙烯固定床反应器、邻二甲苯制苯酐反应器等,让学生身临其境地进行反应器计算或设计的训练。在教学中,针对具体的教学内容,我们分别采用不同的教学方法,激励学生充分发挥主动性,并尽力使课程理论与工程实际相结合,取得了较为满意的教学效果。
二、理论教学与实践教学充分融合
近年来由于校院两级投入的加大,我们的实验和实践教学条件取得了较大的发展。化学反应工程课程组教师,充分抓住各实践教学环节的机会,将本课程中的理论融入实践教学之中。
目前,针对本课程所设置的教学实验有五个,包括:多釜串联反应器停留时间分布测定实验、固定床及流化床的流动特性实验、管式反应器内的烃类裂解反应实验、苯酐合成反应过程实验以及乙苯脱氢制苯乙烯实验,以强化学生对非理想流动、流体流动示踪方法、停留时间分布、实际反应器形式以及转化率、选择性、反应器换热方式等的认识。这些教学实验,为本课程的实践性教学提供了良好的支撑。进行相关实验时,我们进一步强化学生所学的理论知识,重温重要的概念,使学生在实验过程中切实认识真正的反应器,并运用所学理论知识进行反应器的操控和数据的处理。
我校拥有良好的实践和实习教学条件。化学工程与工艺专业的学生均要经历认识实习和生产实习等实践环节。化学反应工程课程组教师充分利用这些实践环节,引导学生把课程的相关理论知识与现场实践相结合。例如在实习中,我们给学生下达任务,了解相关工业反应器的形式,认识其特点,了解其中所发生反应的类型和特点,调研并取得反应器进出物料组成和流量数据,以此进行物料衡算,计算目的产物的收率、选择性等,使学生对反应工程所学内容有一个回顾,体会到本门课程所学知识在实际工作中的作用,激发学习兴趣,实现理论与工程实际的紧密结合。
我校专为化工专业建成了一个仿真计算实验室,安装了常减压、催化裂化、加氢精制等典型的炼油装置仿真软件。在配合实习教学的同时,它们可以进一步深化学生对化工反应器的认识。仿真实验室还安装了化工设计模拟软件,为化工设计实践提供了良好条件。承担化学反应工程课程的教师,也参与化工设计实践的指导,从中进一步强化有关反应器设计理论的应用,使抽象的理论体现于具体的工程设计中,让学生体会到学有所用。很多学生在化工设计总结中感慨地表示:以前学了那么多理论,不知道有什么用,通过化工设计,又将以前的理论知识回顾了一遍,设计出一套实际的装置,收获很大,很有成就感!目前,我国推进的“卓越工程师培养计划”注重提升学生的工程实践能力和创新能力,[5]本课程理论教学与实践教学充分融合的教学方案无疑正好吻合了“卓越工程师培养计划”的总体思路,也是我们进一步努力的方向。
三、教学与科研相结合
科研在高等教育中具有十分重要的地位,要培养创新型人才,建设一支合格的教师队伍,必须把科学研究作为提高教师素质的关键环节。教学工作是教师的天职,而科研对教师学术水平的提高有着积极的促进作用。国内外经验证明,没有高质量的科学研究,就不可能建立一支高水平的师资队伍。没有高水平的师资队伍,同样也不可能有高水平的教学质量和科学研究。科研是提高教师综合素质和教学能力的第一促进力。
我校化学反应工程课程组教师均具有较强的科研背景,在炼油工艺和催化领域取得了大量的研究成果,掌握着该领域的最新进展,所承担的科研任务大多与化学反应工程课程知识有着紧密的联系。例如,催化裂化两段提升管反应器就是利用化学反应工程的知识所开发出的新型反应器。已开发的多产丙烯(TMP)技术的中心环节也与非均相催化反应动力学和反应器设计直接相关。教师在科学研究中进行自我完善与发展,通过科研工作促进自我知识结构的更新、知识体系的充实、对知识前沿的把握和对学科知识的理解,为教学内容和教学方法的改革奠定了“能动性”基础。
有深厚的科研背景,可以保证教师授课中知识传授的准确性与知识重点的掌握,同时教学中教师会自然而然地把科研中获取的生动案例结合进来,实现将科研成果向教学内容的转化。将科研成果融入课堂教学,一方面能有力促使学生掌握较宽的化学反应工程基础知识,学习化学反应工程的研究方法与思路,了解化学反应工程最新进展及发展方向,另一方面也激励学生提高创新思维的能力,加强工程观点、提高分析工程问题和解决工程问题的能力。以下即是科研成果向教学转化的两个实例:
实例1,利用两段提升管催化裂化技术的科研成果,课上给学生讲授两段提升管反应器的设计思路,从反应动力学特性、反应器流动特性等多角度进行案例剖析讲解,使学生在理解理论知识的同时,接触到工业实际反应器设计案例,抓住学生的兴趣点,大大提高教学效果。
实例2,我们利用科研中对反应器流动行为示踪研究的经验,生动形象地将非常抽象、难懂的非理想流动现象和概念介绍给学生,并利用图片、动画给学生演示非理想流动示踪研究的过程,使学生产生浓厚的学习兴趣。
教师们在科研工作中积淀的经典案例和对学科前沿的把握,使学生感同身受地体会到知识的力量,增强了对工程技术科学的崇尚意识,有效地激发了探索和研究的热情。
1.1由于化学反应工程公式较多，完全采用多媒体教学，学生感到眼花缭乱，采用板书教学，更能帮助学生掌握化学反应工程的基本理论。在教学中始终强调物料衡算和热量衡算，它们贯穿反应工程理论公式推导的全部。虽然在化工原理和物理化学中都学过这些基本方法，但在运用中学生还不能熟练掌握。在釜式反应器与理想反应器的计算中，每一个公式的推导中都从基本出发，培养学生的基本功，只要掌握了基本方法，对于非恒温反应过程的问题也能很好的解决［6］。在教学中注重类比方法，减少学生记忆公式的负担。例如在讲解第二章的内扩散有效因子时需建立物料和热量传递的微分方程，注重球形颗粒物料反应－扩散方程的基本方法，强调推导过程中易出现的问题，再通过类比的方法得到热量反应－扩散的方程。改变方程的形式，给出球形、柱状、片状催化剂统一的反应扩散方程，便于学生类比记忆，减少公式推导的繁琐。在讲解气固相催化反应工程时，再把柱状催化剂的反应扩散方程类比引申到二维固定床反应器的计算。讲解均匀表面吸附动力学时，类比反应物吸附和产物脱附动力学的最终形式，便于理解过程的推动力，使学生更深入的了解反应推动力和平衡的概念。
1.2在教学过程中，第五、六章、流化床反应器的内容采用多媒体教学，在教学过程中更多的展示各类工业反应器的结构，特别是显示反应器的内部结构，并以实际化工生产中的实例反应器为例说明反应器各部件的作用。由于工业反应器的设计计算较为复杂，在这部分主要介绍计算方法，采用多媒体能节约教学时间。在教学中注重讨论互动，虽然化学反应工程更多的强调计算，但对实际反应器的性能分析是提高工业生产效率的有效方法［7］。比如以汽车工业的尾气净化器为例，介绍尾气的温度，发动机的工作情况、实际催化转化器的活性组成和形状，发动学生讨论汽车尾气净化器所包含的化学反应工程知识。化工中反应器的多维设计计算基本上都是通过计算机完成的，很少有人工计算设计整个工艺，利用计算机设计可以对不同的反应参数进行对比以达到节能、经济的目的。由于教学条件和学生能力的限制，现阶段只能采用由老师在电脑上演示利用计算软件进行反应器的设计计算和优化，可以采用AspenPlus、PROii等成熟的化工流程模拟软件计算稳态操作条件下的反应器的工艺参数，也可以采用FEMLAB计算多维反应器的模拟计算，把学生从枯燥的计算工作中解放出来，使学生有更多的时间去分析反应器的性能和优化，提高学生对反应工程的兴趣［8］。
2改变考核方法
关键词 化工反应工程实验；教学改革；实验技能
中图分类号：G642.423 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2012)12-0117-03
Reform and Practice in Teaching Chemical Reaction Engineering Experiment//Yang Yaping1, Chen Ruijie1, Lu Chun’e2
Abstract By means of the course status analysis, this article describes specific practices of reform on equipment development and improvement, teaching content, teaching methods, assessment methods of Chemical Reaction Engineering experiment in Southeast University Chengxian College. Practice shows that the reform will help improve the skills in organic synthesis experiments and overall quality of students, ensure the improvement of teaching quality.
Key words chemical reaction engineering experiment; teaching reform; skills in experiment
Author’s address
1 Department of Chemical and Pharmaceutical Engineering of Southeast University, Chengxian College,
Nanjing, China 210088
2 School of Chemistry and Chemical Engineering of Southeast University, Nanjing, China 211189
化学反应工程是化学工程的一个分支，简称反应工程，于20世纪50年代才开始逐渐形成。化学反应工程课程是一门综合性、工程性和理论性都很强的课程，既有工程问题的共性特点，又有工艺过程的个性特征。本课程要求学生有较为扎实的物理化学、化工原理、化工热力学、工程数学和计算机基础。化学反应工程课程教学内容覆盖基本理论、实验教学两个教学环节，与化学反应工程理论课程相配套的实验课程化工反应工程实验，是一门化学工程与工艺专业高年级化工类专业实验的必修课[1-3]。本实验课程根据化学工业的生产特点，以动力学为基础，通过定量计算、实验技能和设计能力的训练，培养学生牢固的工程观点，使学生对化工生产中常用的反应器有一个深层次的了解。通过该课程的学习，培养了学生运用基础理论分析解决各种实际工程问题的能力，为化工行业培养具有科研、设计和生产实践等方面需要的专业人才。
1 化工反应工程实验课程的现状与分析
东南大学成贤学院是一所以培养应用型人才为目标的独立学院，化工与制药工程系自2007年建系以来，化工反应工程实验一直作为化学工程与工艺专业高年级学生的必修课，是有机化学、无机化学、物理化学和化工原理四大化学课程的一个延伸与拓展。目前，化工与制药工程系化工反应工程实验引进6套实验装置，主要开设了与设备相对应的6个实验，分别是乙苯脱氢制苯乙烯、甲苯氧化制苯甲酸、变压吸附制富氧、非稳态导热系数的测定、单多釜提留时间分布及萃取精馏实验。所有的实验设备和仪器全部采购于某高校，每台实验设备对应一个固定的实验内容，受仪器设备台数条件的限制，同时设备中存在部分设计的局限性，使得反应工程实验始终停留在原有的实验教学模式和教学内容上，在实验大纲和内容上基本沿用了该高校的教学大纲和教学管理模式，没有任何突破和改进。
考虑到学校人才培养模式和定位与该高校有较大的差异，化工与制药工程系专业设置和学生生源质量等诸多方面与该高校也有相当大的差异，如果完全照搬该高校实验课程的设备和教学内容，就会缺乏该系化学反应工程实验自己的课程特色，缺乏实验内容的创新性，在人才培养上就会显得定位不明确，不能完全体现学院自己的办学特色。
2 优化和扩展实验内容
考虑到以上因素，结合目前化工反应工程在化工行业的发展要求，针对原有实验教学内容上的缺点和不足，化工与制药工程系先后进行一系列的教学改革和实践，主要从以下几个方面进行优化和扩展。
2.1 开发和改进实验设备
目前，化工行业发展迅猛，尤其是新工艺新设备更新换代迅速，原有的很多化工操作单元已经不能完全适应化工行业的发展需求。例如，化工产品的分离提纯是化工行业最普遍操作单元，主要包括减压蒸馏、萃取精馏、加压精馏和加盐精馏等。而该系化学反应工程实验中只有一套精馏萃取装置，而在减压精馏、加压精馏、加盐精馏等提纯分离方面，学生只是停留在课堂理论的基础上，缺乏对这些化工分离操作的实践认知和操作过程训练。
为了适应这一化工行业的发展需求，学院特别针对化工反应工程实验进行了教学改革，方案中专门对化工反应工程实验的装置进行了设计和改造，在院大学生实践创新活动中，组织专门的教师和学生进行实验装置的设计与改造。学生在此次创新活动中，对化工原理、化工热力学、机械制图等方面的知识进行了系统的巩固和综合提高。经过一年的努力，利用实验室现有的场地，自行设计了精馏实验装置和气液反应实验装置等两套设备装置，设计的装置在材质和仪表控制上都做了改进，改变了以往玻璃材质耐压和耐高温性能差、仪表和输液泵不够精确的特点。新设计的精馏实验装置能够实现萃取精馏、加压精馏、加盐精馏等多种分离提纯操作，新设计的气液反应实验装置能够对很多典型的气液反应实验进行操作。
另外，还改进了化工反应工程实验现有设备中的一些设计缺陷和不足。如在甲苯氧化实验中冷凝效果不佳，于是增加二级空气冷凝管使冷却效果大大改善；在乙苯脱氢制苯乙烯实验中，原料必须先校正流量配比后方可输入反应釜中，但由于反应位置与校正位置高度相差较大，导致原料进料配比与校正进料配比相差，于是通过改变输液泵类型、液位槽位置等手段，使得反应配比更加准确，使反应收到很好的效果。
2.2 丰富实验教学大纲的内容
为了丰富和扩展化工反应过程实验教学大纲的内容，提高教学质量，不仅利用现有的设备开发出了新的实验内容，提高了现有设备的利用率，同时利用自行设计的实验装置，增加了新的实验内容。如新增了化工产品分离提纯实验和气液分离实验的内容，主要包括减压精馏、加压精馏、加盐精馏、气液反应等实验操作内容，如丙醛脱水实验属于加压精馏实验，对二异丙苯氧化反应实验属于气液反应实验。另外，利用现有的设备开发出更多的实验内容。例如，利用乙苯脱氢的实验装置，增加了化工反应过程中典型的流化床反应器的操作内容。通过增设这些化工反应过程中典型的操作单元实验内容，丰富了化工反应工程教学大纲[4]，使化工反应工程实验操作过程和方法紧跟化工行业发展的脚步，体现了学院对应用型人才培养的特点。
2.3 建立化工反应工程实验工作站和仿真实验平台
为了模拟和优化化学反应工程实验的实验条件、工艺参数，同时克服现有实验设备数量的局限性，对现有的几个化工反应工程实验建立了的工作站和仿真实验平台。通过工作站处理软件对实验数据的现场采集，可以快速地进行数据处理和分析，及时有效直观地对实验结果进行评价，同时减少人为因素处理数据的误差和繁琐，提高了实验教学效率[5]。另外，通过建立仿真实验平台，可以模拟不同条件下化工反应的控制过程，特别是一些受设备条件限制（如高温高压条件）的实验过程，对实验操作过程具有一定的理论依据和指导意义。
2.4 实验内容中增加产物表征操作
化学反应工程实验中，在数据分析与处理中有的设备配备有专门的数据处理软件，直接对实验数据进行分析处理，学生实际动手操作的机会就相对较少。为了改变这种状况，在实验内容中加强实验反应过程的监测、实验结果表征方面的实验内容。如利用气相色谱仪监测反应过程中反应液的含量来判断反应进程，通过热导检测器来分析精馏萃取液中水分的含量来确定最佳工艺条件，利用碘量法测定过氧化物的含量，等等。学生不仅在整个实验过程中操作技能得到锻炼和提高，同时对数据的处理分析、产物的表征、谱图的解析等方面都得到了学习和提高。
3 加强过程管理，改进实验教学方法
实验过程管理是实验教学内容的重要组成部分，是保障实验教学质量的重要环节。化学反应工程实验属于大型设备实验，是一门操作少而理论性相对较强的实验教学，加强过程管理，形成化工反应工程实验教学的学科特色，提高实验教学质量和水平十分重要。
3.1 加强实验过程控制
化工反应工程实验学时数相对较长，学生等待和空闲的时间较多。为了充分利用实验过程中的等待时间，使实验学时数更加饱满，实验过程中加强巡视，强调实验过程中实验现象的观察、数据的采集整理和分析。在整个实验过程中，学生的实验操作能力、数据分析、谱图解析、结果的分析与讨论等各方面的能力都得到全面的锻炼和提高。
3.2 合理分配循环实验时间
化学反应工程实验由于受到实验特点和台件数的限制，目前大都采用循环方式安排实验，这就存在多个学生操作同一台仪器设备的情况，使得有些学生得不到操作和锻炼的机会。为了改善这种状况，采用分组细化的方法，即同一台仪器操作过程中，按照实验学生数量来改变工艺条件参数进行分组实验，尽可能地让每个学生都有动手操作的机会。同时，由于工艺条件参数的不一样，使得学生实验操作过程、实验数据处理及结论也不完全一致。这样既让更多的学生得到了训练和提高，也改善了大量实验数据重复，同组间学生实验报告抄袭雷同的现象。
3.3 树立牢固工程观念，培养工程分析能力
化工生产过程错综复杂，为了让学生更好地掌握化工反应实验过程理论知识和实践水平，透过现象看本质。在实验教学过程中，教师应从分析工程因素的本质及反应特征入手，突出强调过程速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响。如通过实验中工艺条件及参数的变化来分析实验结果的影响，让学生通过实验来分析化工反应过程的基本规律，引导学生掌握化工反应工程研究的基本方法，使学生树立牢固的工程观念，培养学生采用工程分析方法来分析和解决工程实际问题的能力。
4 改革实验考核方法，综合评定学生成绩
综合评定学生的实验成绩是考察实验教学效果的一个重要途径，化工反应工程实验以往主要从预习报告和实验报告等方面进行考评。由于化工反应工程实验主要是以工业反应过程为主要研究对象，研究过程速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响，因此，考虑到化工反应工程实验课程的特殊性，在学生成绩评定中，应适当增加学生实验操作技能、实验数据处理、实验结果分析与讨论等方面的评分比例，同时对学生的出勤、预习报告、实验报告完成情况、实验态度及卫生等划分不同的权重进行考评，多方面综合评定学生的实验成绩，而不再把实验结果的好坏作为衡量实验成绩的唯一标准。即便学生的实验结果不理想，但在实验报告中能做好实验数据的处理、实验结果的分析与讨论，从而找到失败的原因，就可以获得较好的实验成绩。通过这些考核制度的改革，培养了学生实事求是的科学态度，同时，学生的实验技能、数据处理和分析能力等综合能力都得到很大的提高。
5 结束语
虽然实施化学反应工程实验教学改革与实践时间不长，但已经收到了较好的成效。例如，化工与制药工程系在金陵石化、扬子石化认识实习和下场实习过程中，学生表现出比较强的动手操作能力和工程实践能力；在毕业设计阶段，学生表现出较强的操作技能、独立工作能力和综合实验能力；另外，有相当一部分学生在扬子总控工和高级工的培训中顺利通过考试，取得了总控工和高级工的资格证书。然而也清醒地看到，实验教学改革与实践是一个持续的过程，
化工与制药工程系应顺应化工行业变化的形势和发展要求，不断深化教学改革，充分发挥学生的主体作用，不断优化和完善教学模式和管理水平，突出专业内涵建设，不断提高教学水平，加强实验室建设，着力提高实验教学水平。尤其在化学反应工程实验中增设创新性、开放性实验内容，还有待进一步的探索和研究。
参考文献
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