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[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）08-0121-03
化學反應工程是化學工程的一個重要分支和組成部分，以化學反應過程和反應器為研究對象，旨在進行化工反應技術的開發、反應過程的優化和反應器的設計與優化，屬于化學工程與工藝專業的核心課程。[1]本課程涉及物理化學、化工熱力學、化工傳遞過程、優化與控制以及數學、物理等多領域的知識，是集綜合性、工程性和理論性于一體的交叉性很強的一門學科。學生在學習本課程時，普遍感到理論抽象、數學推導繁瑣、工程問題多，不少學生認為化學反應工程是大學中最難學習的課程之一。[2]甚至，很多學生在學完本課程之后，其思維仍停留在繁瑣的計算公式中，不甚清楚所學知識的內在聯系和具體應用。盡管已有很多關于化學反應工程的教學、教改論文，在教學內容、教學方法以及考核方法等方面提出很多有益的建議和措施，但是仍有必要進一步的對化學反應工程的內容進行一個系統的梳理，構建一個明確、系統的知識體系框架，對一些容易混淆的概念、知識點予以廓清，并針對部分知識難點的教學提出一些建設性處理方法。鑒于上述原因，筆者經過多年的教學實踐，結合學生的反饋，獲得一些體會，希望能與同仁們進行交流，提升本門課程的教學效果。
一、構建課程知識體系框架
由于化學反應工程具有內容多、公式多、計算繁瑣的特點，很多大學生在學完本門課程后，留下的印象大多是大量、復雜的公式推導和計算，他們仍十分迷惑從這門課程中究竟學到了什么知識，所學知識有什么用？因此，在課堂教學時要力求避免純粹的繁瑣數學描述，著重進行基本概念、基本理論和工程觀點的闡述。這就有必要構建一個清晰、明確的化學反應工程的知識體系，讓學生清楚課程的核心目標以及不同章節知識點間的內在聯系，并不過多的糾結于復雜的數學計算，方能化繁為簡，更好的掌握本課程的知識。
圖1畫出了化學反應工程課程的知識體系框圖，涵蓋了課程的核心目標、研究對象及其間相互關系和主要章節內容。學習本課程的核心目標是能對化學反應過程進行正確分析，設計和優化反應器。基于此，還可開發新技術和設備，指導和解決反應過程開發中的放大問題，發展和完善反應工程學的理論和方法。工業化學反應總是在一定的反應器中進行，化學反應的特性（化學過程）和反應器的傳遞特性（物理過程）共同作用，影響到最終的反應結果。為了便于學習和研究，將反應特性和反應器傳遞特性分開來進行研究和闡述，在分別研究清楚之后，再進行綜合。這就需要研究清楚兩方面的內容：（1）化學反應特性，主要研究不考慮傳遞過程的本征動力學，屬于每一個化學反應的個性，是影響反應結果的內因，不同的化學反應體系具有不同的動力學表達式。按照參加反應的物相劃分，化學反應可分為均相反應和非均相反應。其中，均相反應的反應速率主要受催化劑、溫度、濃度（壓力）和溶劑特性的影響，在反應體系確定的情況下，其反應速率則可表示為溫度（T）和濃度（C）的函數關系，即：-ri=f（T，C）。而非均相反應總是發生在相界面上，其本征化學反應過程涉及多個界面過程（如：氣-固相催化反應包含表面吸附、表面反應和表面脫附三個串聯過程），其反應速率除受上述因素影響外，還受到反應界面大小的影響，在催化劑確定的情況下，仍可表示為-ri=f（T，C）。本部分內容主要涉及均相反應動力學基礎和非均相反應（多相催化催化）動力學基礎兩個章節。（2）反應器傳遞特性，主要是指反應器的熱量、質量傳遞（在壓力變化不大的情況下，一般不考慮動量傳遞）和返混特性，屬于反應器的共性問題，是影響反應結果的工程因素――通過影響反應器內溫度與濃度分布而改變反應結果。反應器按操作方式可以分為間歇式操作、連續操作和半連續操作。其中間隙式操作的所有流體質點具有同樣的停留時間，而不存在返混問題；而連續操作的反應器根據返混的大小程度則可以分為完全不返混的平推流反應器（PFR）、完全返混的全混流反應器（CSTR）以及介于二者之間的實際反應器。PFR和CSTR中的流體流動狀態是兩種理想的極端情況，稱為理想流動；而偏離上述兩種理想情況的流體流動（不管是否由返混造成）則為非理想流動，對于非理想流動通常通過停留時間分布函數和停留時間分布密度函數，并借助于一定的流動模型來描述其流動特征。本部分內容主要分為理想流動（部分書也稱之為均相反應過程）和非理想流動兩個章節。
反應器的傳遞特性與其中發生何種反應無關，故可以通過冷模實驗來研究大型反應器中的傳遞特征；而化學反應的本征反應動力學特性與反應器的尺寸、形式無關，則可以構建小型熱態實驗研究反應特性。這樣就可以比較容易的分別研究清楚反應器的傳遞特性和化學反應特性。鑒于反應器的傳遞特性會改變反應器的溫度場、濃度場，從而影響反應器內各質點的反應速率，進而又改變反應器內的溫度、濃度分布，二者相互作用、相互影響，影響最終的反應結果。因此，需要綜合考慮化學反應特性和反應器傳遞特性，通過數學模型法，聯立物料衡算式、熱量衡算式、動力學方程、動量衡算式和參數計算式，進行反應過程的分析（包括反應器的熱穩定性），從而設計新的反應器或對現有反應器進行優化。本部分內容主要涉及均相反應器（含反應器熱穩定性分析）和非均相反應器（主要包括固定床反應器、流化床反應器及多相流反應器）各章節。考慮到我校的化學反應工程教學課時為48學時，關于多流體相反應過程、聚合反應過程以及生化反應過程等章節的內容則不做課堂教學要求，感興趣的同學可以自學。
二、注重方法
關于教學方法在很多教學論文[3] [4] [5]中已有較好的闡述，在這里主要針對本門課程一些難點拋磚引玉的介紹幾個處理方法，希望有助于大學生學習和掌握相關內容，學會將所學知識進行移植、融會貫通。
（三）在化學反應工程中常常會涉及很多優化問題的求解問題
化學反應工程常常涉及串聯反應中間產物為目標產物時的優化操作時間，循環反應器的最優循環比，CSTR串聯反應器的優化組合，以及CSTR反應器的熱穩定性等問題。優化問題求解實際上就是求解極值，慣用的手段就是推導出關鍵函數與關聯操作變量的函數關系式，通過求導并令導數等于零即可求出最優操作條件。這是純粹的數學問題，學生往往覺得抽象、難以理解，并容易因抽象的數學公式而產生厭學情緒。這時，將關鍵函數與關聯操作變量在圖上示意出其變化趨勢，再結合關鍵函數的數學求導進行講解就很容易被學生理解、接受了。
三、知識的銜接與應用
化學反應工程是一門集理論知識和工程應用于一身的課程，貫穿化學工程專業的大學三年級及其以后的整個大學生涯。在化工專業的課程設置和能力培養上必須注重知識的銜接和應用。我校的化學反應工程課程安排在大學第六學期，同步開設了化工專業實驗，其中與本課程緊密相關的實驗主要涉及反應器停留時間分布的測定（包括管式反應器流動特性測定、多釜串聯返混性能測定）、多孔物質（催化劑）孔徑分布及比表面積的測定、甲基丙烯酸甲酯的本體聚合及其聚合反應速度的測定、活性炭吸附法脫除氣體中的有機溶劑蒸汽、煤炭反應性的測定、固體流態化實驗（含流化床干燥實驗）、超細粉體（碳酸鈣）的制備等（上述部分實驗屬于設計性的選做實驗）。通過實驗強化學生對非理想流動特征、反應器停留時間分布特征及其測定方法、反應速率測定方法、多孔介質上氣體吸附特征及其應用、實際反應器等的認識和理解，并能初步創造性的運用所學理論知識進行反應器的操控和數據的處理。第六學期期末即進行為期3周的化工生產實習，其中2周主要在燕山石化的煉油廠和化工廠進行，現場重溫各類實際化工反應器及其操控；1周在校內進行，可在新建的化工仿真實驗室進行石油常減壓蒸餾和催化裂化工段的仿真實習，熟悉各裝置的操控、調節和事故分析、處理，增強工程分析和解決工程問題的能力。每年舉辦的全國大學生化工設計競賽（自2007年開始舉辦，時間為每年的5月-8月）為化工類大學生提供了一個很好的培養和鍛煉創新思維、工程設計與實踐等多方面技能的實戰平臺。近五年來，我校化工專業學生均組隊參賽，參賽人數比例逐年遞增，今年的參賽人數達整個化工專業學生總人數（指化工專業三年級大學生，個別二年級優秀學生參與體驗但不組隊參賽）的65%。從2014開始，我校開始嘗試將本年度的化工設計競賽題目作為化工專業的專業綜合設計題目，一改使用多年設計題目的陳舊感，緊追化工領域的當前熱點，師生普遍反映效果良好。在化工設計競賽中的一大核心即是反應器的設計和模擬，有助于夯實化學反應工程學科相關知識，并學以致用。課堂教學――專業實驗――設計競賽――專業綜合設計這一系列教學實踐活動保證了化學反應工程知識的強化、吸收和從學到用的銜接。
四、結束語
綜上所述，對化學反應工程的教學除了常規的教學方法的改進外，尚需要從課程本身的特點出發，從第一堂課開始即要構建一個清晰、明確的課程知識體系，避免過多的糾結于復雜的數學計算過程。并且，在教和學的過程中巧妙的利用一些處理方法解決知識難點，起到融會貫通的作用。此外，教學院系在化工專業培養體系和課程設置上要適當注意專業知識內容的銜接和運用，力爭做到學以致用，學以會用。
[ 注 釋 ]
[1] 李寶霞.《化學反應工程》教學改革模式探討[J].高教研究與實踐，2012（4）：33-35.
[2] 茍建霞，解勝利，賈冬梅.化學反應工程教學與改革[J].廣西大學學報（自然科學版），2008（S1）：264-266.
[3] 尹先清，李賡.化學反應工程教學方法探討[J].長江大學學報（社會科學版），2010（5）：32-33.
關鍵詞:化學反應工程;教學改革;教材;實施方案
《化學反應工程》課程是化工類及相關專業的核心課程之一，屬于本專業重要的專業基礎課和必修課，在化工類學生的培養過程中起著舉足輕重的作用。化學反應工程是一門研究與化學反應工程相關問題的一門科學技術，是從上世紀30年代初萌生到50年代末形成的一門由過程控制、傳遞工程、物理化學、化工熱力學、化工工藝學、催化劑等相關學科互相交叉互相滲透而演變成的一門邊緣學科［1］。通過近幾年的教學經驗和調查研究發現，學生普遍認為化學反應工程是大學課程中最難學的基礎課程之一，學習過程中發現理論計算公式復雜，反應器種類繁多，課程學習結束后感到一頭霧水，抓不住重點。因此，面對這樣一門課程，如何進行教學，讓學生理解起來更加形象生動，從更本上改變化學反應工程的教學現狀是我們目前的重要任務。本文結合不同種類高等學校選用教材的特點和差異，并根據我校化工專業的特色，提出了《化學反應工程》課程教學的側重點，從多方面對本課程的教學提出了改革實施方案。
1《化學反應工程》教學在化工專業中的作用
化學反應工程的主要任務是研究化工生產過程中反應器內的反應規律和傳遞現象，使化學反應實現工業化生產的一門技術科學，是提高化工生產技術所必需的科學技術理論。化學反應工程在化學化工領域中起著舉足輕重的作用，目前各種化學品的生產和應用無不借助于化學反應工程相關的理論知識。在20世紀40年代，一個化學反應過程的技術開發到真正的工業生產大概需要十年以上的時間，而現在只需要三到五年。此外，隨著計算機技術的快速發展，中試試驗的規模不斷縮小，試驗的次數也不斷減少，大大加快了化工廠建設的步伐，降低了投資建設的成本［2］。因此，作為一門理論教學課程，將化學反應工程這門課程作為化工專業方向的重點課程進行建設，對于高等學校教學改革的促進、本科教學質量的提高、優秀化工專業人才的培養具有十分重要的意義。濟南大學作為一所省部共建的大學，化學工程與工藝專業一直是本學校的特色學科，學校對化工類學生的培養目標一直是培養應用型高技術的人才，每年為我國的精細化工和石油化工行業輸送大約240名高水平人才，對精細化工和石油化工行業的發展起到重要的作用。為此在化學反應工程教學過程中，我們緊密結合我校的特點和化工實際生產的需要，著重提升學生的反應工程知識儲備，培養學生分析解決實際工程問題的能力，并在教學過程中不斷地進行教學改革和實踐，把課程、教材的理論研究和教學方法相結合，不斷提升《化學反應工程》的教學效果。
2不同類型高校選用教材的特點和差異
直到20世紀70年代，化學反應工程的相關研究成果才開始被大量地介紹到國內，其中華東理工大學的陳敏恒教授，天津大學的李紹芬教授，浙江大學的陳甘棠教授，四川大學的王建華教授等是國內最早從事反應工程教學的學者。到了80年代以后，國內從事化學反應工程學科教學研究的隊伍迅速壯大，并且化學反應工程的研究逐漸滲透到各種化工領域，與世界研究水平之間的差距也不斷縮小，不同版本的教科書和各種各樣的專著也相繼出版。反應工程已經成為我國化工類專業學生的一門非常重要的專業課程。目前國內已有120所大學和科研單位培養化工類相關專業的人才，例如清華大學、天津大學、華東理工大學、北京化工大學、中國石油大學、南京工業大學、浙江大學、大連理工大學、四川大學、華南理工大學和濟南大學等。目前化學反應工程學科正在蓬勃發展，由于國內高校地區和專業特色的不同，不同高校在化學反應工程教材選擇上也存在差異，各有各的特點。作者就不同高校所使用的《化學反應工程》教材進行了匯總和分析。首先介紹一下陳甘棠教授主編的《化學反應工程》(第三版)，這本教材是國內許多化工類高校選用的主要教材之一，隨著我國在化學反應工程這一重要學科的教育方面日漸普及，該部教材自1981年第一版問世以來，已經出版到了第三版，受到廣大化工類專業師生的好評［3］。該部教材的特點是著重基礎，本書共分為十章，分別介紹了均相反應過程，包括均相反應動力學基礎、均相反應器、非理想流動:非均相反應過程，包括氣—固相催化反應過程、非催化兩流體相反應過程、固定床反應器、流化床反應器;聚合反應過程，包括聚合過程的化學與動力學基礎;生化反應過程，包括生化動力學基礎、生化反應器。該部教材注重反應工程研究方法的介紹，在不同的章節內容中論述了反應工程學的發展方向，有助于讀者進一步深入研究。朱炳辰老師主編的《化學反應工程》也受到國內很多工科類高校化工專業老師和學生的青睞。本部教材的第一版是由化學工業出版社于1993年出版，截至目前本部教材已經出版到第四版，其中第三版累計發行量高達32000冊。《化學反應工程》第四版主要吸收了一些關于現代化學反應工程發展方向方面的知識，本部教材的主線是圍繞化學反應與動量、質量、熱量傳遞交互作用的共性歸納綜合的宏觀反應過程，以及如何解決反應裝置的工程分析和設計。該書對近年來出現的化學反應新概念、新理論和新方法做了大量闡述。另外，對于國內一些偏工科的化工類高等院校，選用的教材大多數以郭鍇老師主編的《化學反應工程》為主，本部教材的主要內容包括:均相單一反應動力學和理想反應器、復合反應和反應器選型、非理想流動反應器、氣固相催化反應本征動力學、氣固相催化反應宏觀動力學、氣固相催化反應固定床反應器、氣固相催化反應流化床反應器、氣液相反應過程與反應器、反應器的熱穩定性和參數靈敏性。本部教材的特點是主要突出了該門課程的重點和難點，刪除了一些與教學大綱聯系不是十分密切相關的內容，并著重講解解決化學工程問題的基本方法。除此之外，羅康碧老師主編的《化學反應工程》教材結合了理科和工科的綜合優勢，吸收了國內外相關教材的許多內容和好的經驗，增添了一些反應工程研究方面的最新成果。另外，本部教材在貫徹“少而精”的原則上更注意刪繁就簡，將重點放在化工專業領域內共性的基本問題上，并且同時體現了其教學性。本部教材先重點闡述基本概念和基本原理，然后結合實際生產，詳細論述各種常用反應器的設計方法，并列出詳細的例題和課后習題，用于幫助學生利用所學到的反應工程原理去分析和解決實際應用問題。近年來，梁斌等老師主編的《化學反應工程》第二版也受到國內許多化工類高校老師和學生的歡迎。在本部教材中，主要內容是以《化學反應工程》、《反應器理論分析》及國內外相關優秀教材為基礎，致力于培養學生的分析問題能力和提高學生的工程實際知識儲備，減少了教材內容在模型分析上的過程描述，加強學生在建立模型方面的訓練。另外，本部教材還增加了工業應用背景的實例分析和課后習題，在分析解答這些習題的過程中讓學生充分掌握反應工程的基本原理和相關知識，使教學內容盡量與科學研究和工程實踐同步。
3我校化工專業的特點和教學側重點
濟南大學的化學工程與工藝專業屬于理論性和應用性兼顧的一門特色化工學科，本專業始建于1992年，前身為山東建材學院精細化工專業，1993年招生，是濟南大學重點學科的重要組成部分，2007年被學校授予校級特色專業，2012年成為山東省品牌(特色)專業，現為山東省氟化學化工材料重點實驗室依托專業之一。其中化學反應工程這門課是本專業重要的專業基礎課和必修課，另外，化學反應工程課程的理論教學是本專業本科教學的重要組成部分，起著理論指導和基礎知識培養的作用。另外，從學校每年安排的工程實習學時就可以看出，學校對學生的動手能力和實踐能力提出了更高的要求。例如學校每年組織化學工程與工藝專業大三學生去山東金城醫藥化工有限公司進行生產實習，主要參觀和學習2－甲氧羰基甲氧亞胺基－4－氯－3－氧代丁酸生產車間的反應器設計和工藝裝置流程圖。通過調研每年的學生生產實習效果發現:學生在學習完實際工業生產裝置后，對課本上的基本概念和原理理解的更加透徹。根據我校化工專業的特點，在《化學反應工程》的課程教學上，我們選擇的教材是郭鍇老師主編的《化學反應工程》第二版。在課堂教學過程中我們的教學目標為:通過對反應工程理論的學習，能夠運用化學反應工程的理論方法建立數學模型，優化設計反應器、或者改善化學反應場所、改進現有的化工生產工藝;進一步提高學生的理論聯系實際的能力，培養學生判斷和解決問題的能力，使學生學會研究的方法，為進入研究生學習打下良好的基礎;掌握由化學動力學特性建立動力學方程、建立數學模型、優化和設計反應器及改進化工工藝的理論;運用化學反應工程的知識，能夠進行基本化工反應裝置反應器的設計。
4擬采用或已經實施的教學方法
化學反應工程具有跨接多種學科的特點，結合本校化學工程與工藝專業的特色和優勢，筆者從以下方面進行了教學方法的改進。(1)結合我校特點濟南大學在醫藥中間體工業化生產、氟化學材料合成、精細化學品制備和環境催化方向具有鮮明的特色和優勢，已經發展成為以新產品開發、新工藝設計、新技術應用為特色的精細化工和化工領域高級人才培養、科學研究和新技術開發的重要基地之一，并多次獲得國家科技進步獎和發明獎。因此，在本科教學過程中，要結合我校化工專業的特色，著重講解氣固相催化反應和氣液相反應過程，并要求學生能夠運用化學反應工程的知識進行基本化工反應裝置或反應器的設計，進一步提高學生的理論聯系實際的能力，培養學生判斷和解決問題的能力，為社會培養優秀的化學化工(醫藥中間體、氟化學材料和精細化學品)相關人才。(2)闡述方法和教學方式的改進目前全國高等學校的教學方式還是以灌輸式教學為主，老師主動講，學生盲目聽，導致課堂利用率低，學生學習效率不高。隨著計算機技術的不斷發展，多媒體技術在高校已經普遍使用，雖然這樣可以改善課堂教學方式，豐富課堂教學內容，提高學生的學習興趣，但是多媒體技術的使用導致每節課的授課內容大大增加，學生并不能高效率的吸收每節課中所有的知識點，導致在學期末時學生對這門課的了解程度并不高［4］。例如，我在第一次講授《化學反應工程》這門課程時，由于講課經驗和技巧都很欠缺，所以在整個課堂教學過程中完全按照多媒體上的內容進行閱讀，這樣生硬的填鴨式的教學模式，導致整個課堂教學效果很差。因此這樣的灌輸式教學模式會導致學生盲目聽從，其自主性和能動性大大缺失，所以在以后的教學過程中，我們要“授之以漁”，而非“授之以魚”，這需要我們在教學方式上加以引導［5］。筆者認為改變這種填鴨式的教學模式，主要的突破口就是讓學生參與到課堂教學過程中，充分調動學生的積極性并培養學生對本門課的學習興趣。針對這一措施，筆者在教學過程中進行了一些探索和改進，取得了很好的效果。具體探索過程如下:在闡述一些基本概念和原理的時候，可以在課前讓學生充分的查閱資料，然后在課堂上讓學生進行講解，在這過程中并進行充分討論，最后老師做總結，并糾正學生的錯誤觀點。這種“查閱資料－主題討論－問題反饋”的教學模式，能夠讓學生參與到課堂教學過程中，讓學生做課堂真正的主人，提高學生的主觀能動性，改變填鴨式教學的不足。(3)注重理論和實際的結合在高校的課堂教學過程中，教科書是一種不可或缺的教學工具，但也不能作為唯一的使用工具，教科書在本科教學過程中只能作為一種輔助的工具。這樣就要求老師在教學過程中要靈活應用教材，既不能完全拘泥于教材，也不能完全脫離教材，在講清楚基本原理和基本概念的基礎上，注重理論和實際相結合。在每一章的講述過程中，把每一個知識點都與實際工業應用相互關聯，并闡明其主要的熱量傳遞、動量傳遞、質量傳遞及化學反應在實際過程中是如何應用的，以加深學生對每一個知識點的理解。另外，還要注意結合科研成果，對學科前沿知識進行講解，讓學生了解目前化學反應工程的研究動向，例如在講解氣固相催化反應本征動力學時，可以引入最新發表的經典文獻，通過對文獻的講解，加深學生對氣固相反應本征動力學的理解，知道如何來研究一個催化劑的本征反應活性。通過這種理論與實際相結合的方法，可以大大提高學生在課堂上的學習效率。在對《化學反應工程》課程教學方法不斷改進后，獲得了良好的課堂效果，這不僅對教師的教學能力是一種轉變和提高，對化工類學生思維和能力的培養也具有重要的意義。
參考文獻
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［3］陳甘棠.化學反應工程［M］.北京:化學工業出版社，2011:1－3.
［4］吳元欣，朱圣東，吳迎.以多尺度理念構建新的化學反應工程體系［J］.武漢工程大學學報，2011，33(1):2－3.
[關鍵詞] 化學反應工程；教學改革；教學方法
化學反應工程是精細化工專業一門必修的，建立在數學、化學等基礎學科及物理化學、化工熱力學、化工傳遞過程等知識領域，內容新穎而難點較多的專業技術基礎課。通過該課程的學習，學生應能掌握化學反應工程最基本的原理和計算方法，能夠理論聯系實際，提高對工業反應器進行設計與分析能力。
面對這樣一門課程，必須讓學生能系統掌握本課程的內容，使教學內容較為合理，并在教學方法和手段方面進行改革，力求把化學反應工程基本觀點與實際緊密聯系起來，現介紹該課程教學中的幾點體會。
1 闡明化學反應工程課程地位，激發學生學習興趣
化學工程與工藝專業的核心知識可概括為“三傳一反”，“反”是核心。對各種不同類型反應器的設計與分析正是化學反應工程課程的主要內容。因此要讓學生懂得該課程的重要地位，激發他們的學習興趣。一旦他們能認識到該課程的重要性，就會自覺地下功夫學習，主動克服學習中遇到的困難。目前碩士研究生入學考試只考化工原理，并不是意味著它沒有化工原理課程重要，主要由于化學反應工程課程難度較大，一些重點高校在碩士研究生復試時要加試化學反應工程，這也可激發學習的積極性。
2 教學內容和目標的改革
在準確把握化學反應工程學科總體框架和教學中心的基礎上，課程強調重點、基本理論和基本方法和專業知識的系統性，因為基礎理論不扎實，會限制學生解決問題能力的發揮與創新；同時強調工程應用能力的訓練，強調與其他課程，如數值計算、化學動力學、化工原理、傳遞現象、催化原理和計算機技術等的銜接、貫通。因此，這門課的學習，要求學生綜合利用所學的知識來解決工業反應器設計問題。為此，在組織教學過程中，要求學生在課下認真復習所需的基礎知識。
在教材選擇上，精心挑選精細化工專業適合的教材，以許志美的《化學反應工程原理》為主，以李紹芬的《反應工程》、陳甘裳的《化學反應工程》、朱炳辰的《化學反應工程》等為輔來講授，將當今世界上最流行的英文教材如Levenspiel主編的《Chemical Reaction Engineering》為參考來組織教學，同時將最新的科學研究成果融入課堂教學，如膜反應器等。
3 教學方法和手段的改革
鑒于本課程涉及的工程數學知識較多，且要求有一定的邏輯思維能力，課堂講授的內容和方法必須適當。在講授每一章時都應該利用幾分鐘的時間將本章加以概括。同時，注意將課程體系進行系統化處理，教學內容包括：反應動力學基礎、釜式反應器、管式反應器、停留時間分布與反應器的流動模型、多相系統中的化學反應與傳遞現象、多相催化反應器的設計與分析等。建立物料衡算式、能量衡算式和動量衡算式這三類方程的依據分別是質量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律是各類反應器章節的基本內容。學生若能抓住各類反應器設計與分析的最基本的內容，就能從總體上掌握化學反應工程學科的知識體系。
對于那些學生用現有知識無法解決的問題，如數值積分中的Simpson法，教會學生使用多種手段進行解決，如程序設計、Excel計算、Origin繪圖及MatLab計算等實用方法。平時的作業也直接在計算機完成，然后直接發至主講教師的電子郵箱，實現了無紙化作業。同時上課過程中注意制造懸念，促進學生思考，復習舊知識，提出新問題，讓學生處于索取狀態，刺激學生的大腦興奮，主動想去獲取問題答案。
化學反應工程中有很多的圖表說明、例題演算等，一般情況一節課需7～8個黑板版面，這就需要利用計算機進行演示。而且利用生動的動畫來模擬事物的變化過程，說明科學原理，將一些抽象、復雜的內的合成與應用容具體化，便于學生理解和掌握。但是，對于一些難度較大的內容，由于學生的數學基礎參差不齊，其過程推導還需要用板書的形式進行，由淺入深，可引導學生學會推導的方法、思路，也便于學生記錄筆記。
4 考核方式的改革
化學反應工程是被教育部頒發的《目錄》確定的寬口徑化學工程與工藝專業的四門主干課程之一，也是涉及研究過程工業(即通過化學變化或物理-化學變化制造產品的工業，包括化工、石油、冶金、材料、輕工、醫藥、生化、食品、建材、軍工、環境等) 中生產過程、生產裝置、工藝技術規律的諸多專業重要的必修或選修的技術類或技術基礎課程[1]。化學反應工程既包含化學現象，又包含物理現象，是一門綜合性強、涉及基礎知識面廣、對數學要求高的專業技術學科，學生在學習時普遍感到理論抽象、計算繁瑣，不少學生認為化學反應工程課程是大學中最難學習的課程之一。又加之我校為一所地方性本科院校，學生的基礎知識并不扎實，實驗和實習條件有限，因此，如何在較短的課時數內使學生能夠系統地掌握本課程主要內容，培養學生的工程觀念和創新能力，成為我校化學反應工程教學改革的重點。基于此，我們在傳統教學方式的基礎上，進行教學改革，引入師生互動教學模式，并取得了一些進展。
1 化學反應工程的主要內容和作用
化學反應工程是化工類專業的一門專業主干課程、核心課程，涉及物理化學、化工熱力學、化工傳遞過程、優化與控制等。主要研究工業規模化學反應過程的優化設計與控制。該課程對于培養學生的工程意識、強化工程分析能力具有十分重要的作用[2]。本課程的基本內容包括反應動力學和反應器設計與分析兩個方面，重點是介紹氣——固相催化反應本征動力學、氣——固相催化反應宏觀動力學、理想流動反應器、反應器中的混合及對反應的影響、氣液反應及反應器和流——固相非催化反應等基本理論。目的是使學生掌握研究工業規模化學反應器中化學反應宏觀動力學的基本方法和基本原理，具備進行反應器結構設計、最優操作條件的確定和最佳工況的分析控制、過程的開發研究和模擬放大的基本能力。
2 化學反應工程教學現狀與存在的主要問題
傳統的化學反應工程教學方式單一，主要是教師在講臺上講，學生臺下聽。課堂教學不具有主體性、創造性、全面性、發展性的行為，其不足之處有以下幾方面：灌輸式過多，參與式過少。教師的啟發式與學生的參與體現得不夠，學生被動聽課，課堂氣氛大多比較沉悶。結論型過多，問題型過少。教師教給學生的都是定論，啟發學生思考問題、提出問題不夠，學生的問題意識和提出問題、研究問題的能力較弱，授課效果不佳。現代教學理論認為，教學是一個雙邊互動的過程。在這一過程中，教師是主導，學生是主體，任何一方的作用都不能忽視[3-4]。所以我們在化學反應工程的教學中，根據地方院校的特點引入了師生互動教學法。
3 互動式教學法在化學反應工程教學中的運用
互動式教學是指在教師的指導下，利用合適的教學選材，通過教與學雙方交流、溝通，激發教學雙方的主動性，拓展學生思維，培養學生發現問題、解決問題的能力，以達到提高教學效果的一種教學模式[5]。這種教學模式需要營造多邊互動的教學環境，在教學雙方平等交流探討的過程中，達到不同觀點碰撞交融，進而激發教學雙方的主動性和探索性，從而提高教學效果。互動式教學常用的方式有多種，本教學改革選擇問題教學法、案例教學法、上課提問、課后互動多種方法進行教學，由傳統的講授式轉向講授與提問、討論相結合的教師與學生雙向交流的啟發式教學。在教改過程中，我們充分發揮互動式教學法的優勢，努力尋找互動式教學與化學反應工程教學的最佳結合點，促進了化學反應工程教學的開展。
3.1問題教學法與案例教學
問題教學法是指圍繞問題展開教學雙方互動。一般為：提出問題—思考討論問題—尋找答案—歸納總結。比如，在講授多級cstr串聯的計算及優化時采用此教學方法。首先提出兩個問題，第一個問題是分析多級cstr串聯的必要性，第二個問題是如何求串聯體系的轉化率。然后引導學生根據平推流和全混流反應器的優缺點和兩種理想流動反應器數學模型的建立方法進行思考、討論；進而利用已學知識點尋找答案，教師最后歸納總結。在講授反應器中的混合及對反應的影響這章時，充分利用案例教學。案例教學一般程序為案例解說—嘗試解決—設置懸念—理論學習—剖析方案。在這一章中利用案例教學，啟發學生學會根據所測得的停留時間分布情況，利用非理想流動模型解決實際工業生產中的操作型和設計型問題。
3.2加強課堂提問
由于攪拌槽內的流場的流動具有復雜性，目前對攪拌槽等混合設備的設計和經驗成分也采用理論計算的方式，在化工領域中，化工工業規模的反應器存在不均勻性等特點，不均勻性隨規模擴大而加重，因此，對攪拌槽內部流場進行研究是非常有必要的。雖然許多化學家對化工領域中的攪拌機槽內的流場進行了分析研究，如Harvey等人采用二維模擬計算攪拌槽內流場的流體，但隨著技術的不斷改革與發展，計算流體力學的引進，改變了以二維模擬的計算方式，計算流體力學的方法不僅可以節約化工研究成本，采用實驗手段不能獲得的數據，計算流體力學方法也可以獲得。Sun等人利用計算流體力學中的湍流模型計算了攪拌槽內的氣液兩相流動，并且對其進行了三維模擬，通過實驗研究表明，計算流體力學的數值模擬能有效的計算攪拌器上部的氣體部分，但是，CFD數值模擬也存在一定的缺陷，不能有效模擬攪拌器底部區域。計算流體力學CFD與多普勒激光測速儀LDV有效結合，可以對攪拌裝置能更深入的研究，其主要原因是多普勒激光測速儀測量的數據可以準確驗證計算流體力學CFD計算的結果，同時多普勒激光測速儀測定特定點的速度也可以作為計算流體力學計算的參考條件。
2.CFD在化學工程換熱器中的應用分析
換熱器是化學工程中使用最多的設備，通過計算流體力學的計算方式，不僅可以精確、詳細的測量換熱設備內流場的流動，也可以預測換熱器的性能，經濟可靠的換熱器對化工工業具有重要作用。對于化工中的管殼式換熱設備，其內部的幾何形狀設備結構復雜，利用計算流體力學模擬管殼式換熱設備的殼側流場，進而充分了解管殼式換熱設備的殼側在瞬間變化中的溫度場、速度場，CFD的應用有利于分析研究換熱器的基本原理和結構構造。
3.CFD在化學反應工程中的應用研究
關鍵詞：綠色化學；研究發展；環境保護；應用
1、綠色化學的基本概念
綠色化學是利用化學原理來防止污染的一門學科，也稱環境無害化學、環境友好化學、清潔化學，在綠色化學基礎上發展起來的技術稱為綠色技術、環境友好技術或清潔生產技術。綠色化學的化學反應過程，實現“零”排放，不產生污染。綠色化學對生產過程來說，包括節約原材料和能源、淘汰有毒原料、減降廢物的數量和毒性。 綠色化學通過改變化學品或生產過程的內在本質，來減少或消除有害物質的使用或產生，是非常科學的，是化學工業可持續發展的基礎。
2、綠色化學的原則
綠色化學經過先驅者10多年的研究與探索，總結出了綠色化學的一些理論和原則，為綠色化學的今后研究工作奠定了墓礎。P.T .A nastas和J.C. W aner提出的12條綠色化學的原則目前為國際化學界所公認，它反映了近年來在綠色化學領域中所開展的多方面的研究工作內容，同時也指明了未來發展綠色化學的方向。
3、綠色化學主要研究內容
綠色化學的研究主要是圍繞化學反應、原料、催化劑、溶劑和產品的綠色化開展的，具體包括：新合成方法和路線的研究，特別是新型催化劑和催化過程的研究；新化學原料的研究，包括生物質資源的沽凈轉化和綜合利用；新反應條件及過程的研究，包括對超臨界流體、環境無害的介質等的研究；綠色產品的設計和研制的研究。
4、綠色化學的主要研究對象
4.1 原料的綠色化
現有的化工生產中，仍有不少產品在生產過程中使用著劇毒原料。為了確保環境安全和人類的健康，尋找無毒、無害的原料來生產人類所需的化工產品，是十分必要的。
4.2 化學反應的綠色化
提高化學反應效率符合化學反應綠色化的要求，化學反應的綠色化包括 （1）原子經濟性。即最大限度地利用原料和最大限度地減少廢物的排放，減少環境污染。 （2）反應的選擇性。化學反應的選擇性包括位置選擇性、化學選擇性和立體選擇性。
4.3 產品的綠色化
產品的綠色化是綠色化學的關鍵部分，其實質就是大力研制并且提供人身更安全的環境友好型化工產品，如新的海洋生物防垢劑、THPS殺菌劑、滅火制冷劑、二酰基肼殺蟲劑等。可降解塑料、環境友好農藥、綠色燃料、綠色涂料、CFCs替代物等等都是很有發展前景的綠色產品，隨著技術的進步，越來越多的產品將會取代原來的對環境有害的產品。
4.4 催化劑的綠色化
目前在許多化學反應和化學工藝中，常采用對設備腐蝕較大，污染環境、危害人體健康和社會安全的化學原材料作為催化劑，目前圍繞催化劑的綠色化展開的研究主要有：仿酶催化劑、固體酸催化、水溶性有機金屬配合催化劑及多相催化體系。
4.5 溶劑的綠色化
溶劑在化學品生產過程中，廣泛的用做反應分離的介質或用做清洗劑。當前廣泛使用的溶劑是揮發性有機化合物（VOC），其在使用過程中有的會引起地面臭氧的形成，有的會引起水源污染。
4.6 化學設計的綠色化
化學設計的綠色化是利用計算機進行輔助的綠色化學設計。其做法是：首先建立一個盡可能全的化學反應的資料庫，利用計算機進行可能的化學反應的組合；其次確定目標產物和可能采用的原料；第三讓計算機找出能生產目標產物的反應及所需原料，第四以上一步的原料為目標產物再做搜尋，找出該目標產物的合成反應原料，直到得出預定的原料；最后比較各條可能的反應路線的經濟技術性及環境效應，從中選出最佳途徑。
4.7 合成技術的綠色化
合成技術的綠色化是近年來發展起來的，其宗旨是要減少有毒有害物質的使用，該技術采用一些特別的非傳統的化學方法，獲得多種環境效果，改善產品的選擇性，降低單位產品的能耗。其中電化學發是新世紀潔凈技術的重要方法，該方法在化學反應中無需使用有毒有害試劑，而且還可以使反應在常溫、常壓下進行，所以，電化學方法在潔凈合成中個有獨特的魅力。
5、綠色化學的新技術和新工藝
5.1 催化技術
催化劑，不僅可以加速反應的過程，極大地改善化學反應的選擇性和提高轉化率，提高產品質量、降低成本，而且能從根本上減少或消除副產物的產生，減少污染，最大限度地利用各種資源，保護生態環境，這是綠色化學研究所追求的目標。
5.2 生物技術
生物技術被認為是21世紀最具有發展潛力的產業之一，是當代科學的高新技術，生物技術在醫藥、食品、能源、冶金、化工、精細化學品的制造等方面具有廣泛的應用。它的最大特點在于能充分利用生物質資源，節約能源，易于實現清潔生產，而且可以實現一般化工技術難以實現的化工過程。生物技術主要包括：基因工程、細胞工程、酶工程和微生物工程。
5.3 超聲技術
超聲技術，即聲化學，它是聲學和化學的交叉滲透而產生的一門新興交叉學科。聲化學能改變反應的進程，提高反應的選擇性，增加化學反應的速率和產率，降低能耗和較少廢物的排放，因此聲化學技術作為一種安全無害的“綠色技術”，在合成化學中具有廣泛的應用。
一、“以學為主”的多樣化課堂教學
龔克指出,[5]大學教育區別于基礎教育的標志之一,應是從以教為主轉變為以學為主。改進以“管灌”為主的培養模式,激發學生的主動求知欲是真正提高教育質量的關鍵。在化學反應工程課程的雙語教學中,我們也在逐漸轉變觀念,采用多種多樣的課堂教學方法,改變完全以教師為中心的講授式教學為多種教學方法并用,以提高學生學習的主動性為目的,著力提高課堂教學效果。下面擬對主要采用的幾種教學方法進行介紹。
1•講授式教學:即教師系統地向學生傳授科學知識。由于本課程采用雙語教學,學生在學習中往往花費較大精力在理解語言、語法上,反而忽視了課程知識,導致學習效果不夠理想。[6]針對這一問題,我們在教學中改變傳統的灌輸式教學,采用多種形象、生動的手段,如大量的圖示、動畫,以圖文并茂的方式進行講解,避開學生在語言方面的障礙,使其注意力轉移到課程知識的學習,引導學生不要過多關注語言、語法,強調英語語言以“用”為目的,提高學生對知識的接受效果。課堂上經常設問,激發學生克服語言障礙從課本中尋找答案的興趣。教學中重視雙語應用實效,根據學生接受知識的程度,逐漸提高英文講授和表述的比例;鼓勵學生多運用英文,從看例題、做習題開始,到逐漸習慣用英文寫作業和考試答卷。
2•互動式教學:即授課過程中教學雙方經常進行交流互動。例如在教學中,教師提供工業反應器范例,由學生自行發現反應器的設計特點并主動質疑,然后全班討論或小組討論,繼而選出學生代表,用英語表達自己對該反應器設計特點的認識和分析原理,最后教師作總結或糾正要點。教師經常選出教材中較為生動的典型章節或例題,提出問題,由學生自行閱讀課本,讓學生帶著興趣學習,引導學生猜讀不熟悉的單詞;以學習課程知識為重點,讓學生自行討論閱讀的內容,最后教師強調這部分內容中的關鍵概念和原理。每次課結束,教師都布置任務給學生,要求學生總結本次課程的內容。下次課上首先抽出幾位同學對前一次課的內容進行提綱挈領的回顧,由此督促學生課下自主復習,及時回顧,保證知識的連貫性,達到溫故而知新的目的。這些互動式教學方法促使學生自主閱讀教材,并運用英語語言表達自己對課程內容認知,取得了很好的教學效果。
3•感知式教學:教學中利用各種方式讓學生直接感知實際的反應器。我們認為,僅給學生講授理論知識,往往很難達到預想的效果,而直接感知對化學反應工程教學具有非常重要的作用。由于反應器是化工工藝過程的核心設備,我校有大量的科研力量投入在反應器設計中,已開發的反應器包括催化裂化、催化裂解兩段提升管反應器及渣油加氫裂化懸浮床反應器等。此外,各科研組用于科學研究的反應器多種多樣,如固定床反應器、流化床反應器、釜式反應器等。在教學過程中,課程組教師創造各種條件,讓學生進入實驗室參觀實際反應裝置,不能參觀實物的,則以生動的照片、圖片來展示,將反應器的特點直觀地展示給學生,讓學生將抽象的理論與實物建立起聯系,顯著提高教學的實效。
4•訓練式教學:即教學注重學生對所學知識的反復實際訓練。目前推進的“卓越工程師培養計劃”中,很注重培養學生的工程設計能力,在化學工程與工藝專業隨后的課程中有專門培養工程設計能力的化工設計課程,其中不可避免地涉及化學反應器的設計。由此,在課堂教學中,我們除了讓學生就每個知識點進行反復訓練,還設計題目,讓學生就多個知識點甚至整個知識體系進行訓練;并設法找到工業實際反應器的數據,例如石油化工過程中涉及的油品催化裂化流化床反應器、乙苯脫氫制苯乙烯固定床反應器、鄰二甲苯制苯酐反應器等,讓學生身臨其境地進行反應器計算或設計的訓練。在教學中,針對具體的教學內容,我們分別采用不同的教學方法,激勵學生充分發揮主動性,并盡力使課程理論與工程實際相結合,取得了較為滿意的教學效果。
二、理論教學與實踐教學充分融合
近年來由于校院兩級投入的加大,我們的實驗和實踐教學條件取得了較大的發展。化學反應工程課程組教師,充分抓住各實踐教學環節的機會,將本課程中的理論融入實踐教學之中。
目前,針對本課程所設置的教學實驗有五個,包括:多釜串聯反應器停留時間分布測定實驗、固定床及流化床的流動特性實驗、管式反應器內的烴類裂解反應實驗、苯酐合成反應過程實驗以及乙苯脫氫制苯乙烯實驗,以強化學生對非理想流動、流體流動示蹤方法、停留時間分布、實際反應器形式以及轉化率、選擇性、反應器換熱方式等的認識。這些教學實驗,為本課程的實踐性教學提供了良好的支撐。進行相關實驗時,我們進一步強化學生所學的理論知識,重溫重要的概念,使學生在實驗過程中切實認識真正的反應器,并運用所學理論知識進行反應器的操控和數據的處理。
我校擁有良好的實踐和實習教學條件。化學工程與工藝專業的學生均要經歷認識實習和生產實習等實踐環節。化學反應工程課程組教師充分利用這些實踐環節,引導學生把課程的相關理論知識與現場實踐相結合。例如在實習中,我們給學生下達任務,了解相關工業反應器的形式,認識其特點,了解其中所發生反應的類型和特點,調研并取得反應器進出物料組成和流量數據,以此進行物料衡算,計算目的產物的收率、選擇性等,使學生對反應工程所學內容有一個回顧,體會到本門課程所學知識在實際工作中的作用,激發學習興趣,實現理論與工程實際的緊密結合。
我校專為化工專業建成了一個仿真計算實驗室,安裝了常減壓、催化裂化、加氫精制等典型的煉油裝置仿真軟件。在配合實習教學的同時,它們可以進一步深化學生對化工反應器的認識。仿真實驗室還安裝了化工設計模擬軟件,為化工設計實踐提供了良好條件。承擔化學反應工程課程的教師,也參與化工設計實踐的指導,從中進一步強化有關反應器設計理論的應用,使抽象的理論體現于具體的工程設計中,讓學生體會到學有所用。很多學生在化工設計總結中感慨地表示:以前學了那么多理論,不知道有什么用,通過化工設計,又將以前的理論知識回顧了一遍,設計出一套實際的裝置,收獲很大,很有成就感!目前,我國推進的“卓越工程師培養計劃”注重提升學生的工程實踐能力和創新能力,[5]本課程理論教學與實踐教學充分融合的教學方案無疑正好吻合了“卓越工程師培養計劃”的總體思路,也是我們進一步努力的方向。
三、教學與科研相結合
科研在高等教育中具有十分重要的地位,要培養創新型人才,建設一支合格的教師隊伍,必須把科學研究作為提高教師素質的關鍵環節。教學工作是教師的天職,而科研對教師學術水平的提高有著積極的促進作用。國內外經驗證明,沒有高質量的科學研究,就不可能建立一支高水平的師資隊伍。沒有高水平的師資隊伍,同樣也不可能有高水平的教學質量和科學研究。科研是提高教師綜合素質和教學能力的第一促進力。
我校化學反應工程課程組教師均具有較強的科研背景,在煉油工藝和催化領域取得了大量的研究成果,掌握著該領域的最新進展,所承擔的科研任務大多與化學反應工程課程知識有著緊密的聯系。例如,催化裂化兩段提升管反應器就是利用化學反應工程的知識所開發出的新型反應器。已開發的多產丙烯(TMP)技術的中心環節也與非均相催化反應動力學和反應器設計直接相關。教師在科學研究中進行自我完善與發展,通過科研工作促進自我知識結構的更新、知識體系的充實、對知識前沿的把握和對學科知識的理解,為教學內容和教學方法的改革奠定了“能動性”基礎。
有深厚的科研背景,可以保證教師授課中知識傳授的準確性與知識重點的掌握,同時教學中教師會自然而然地把科研中獲取的生動案例結合進來,實現將科研成果向教學內容的轉化。將科研成果融入課堂教學,一方面能有力促使學生掌握較寬的化學反應工程基礎知識,學習化學反應工程的研究方法與思路,了解化學反應工程最新進展及發展方向,另一方面也激勵學生提高創新思維的能力,加強工程觀點、提高分析工程問題和解決工程問題的能力。以下即是科研成果向教學轉化的兩個實例:
實例1,利用兩段提升管催化裂化技術的科研成果,課上給學生講授兩段提升管反應器的設計思路,從反應動力學特性、反應器流動特性等多角度進行案例剖析講解,使學生在理解理論知識的同時,接觸到工業實際反應器設計案例,抓住學生的興趣點,大大提高教學效果。
實例2,我們利用科研中對反應器流動行為示蹤研究的經驗,生動形象地將非常抽象、難懂的非理想流動現象和概念介紹給學生,并利用圖片、動畫給學生演示非理想流動示蹤研究的過程,使學生產生濃厚的學習興趣。
教師們在科研工作中積淀的經典案例和對學科前沿的把握,使學生感同身受地體會到知識的力量,增強了對工程技術科學的崇尚意識,有效地激發了探索和研究的熱情。
1.1由于化學反應工程公式較多，完全采用多媒體教學，學生感到眼花繚亂，采用板書教學，更能幫助學生掌握化學反應工程的基本理論。在教學中始終強調物料衡算和熱量衡算，它們貫穿反應工程理論公式推導的全部。雖然在化工原理和物理化學中都學過這些基本方法，但在運用中學生還不能熟練掌握。在釜式反應器與理想反應器的計算中，每一個公式的推導中都從基本出發，培養學生的基本功，只要掌握了基本方法，對于非恒溫反應過程的問題也能很好的解決［6］。在教學中注重類比方法，減少學生記憶公式的負擔。例如在講解第二章的內擴散有效因子時需建立物料和熱量傳遞的微分方程，注重球形顆粒物料反應－擴散方程的基本方法，強調推導過程中易出現的問題，再通過類比的方法得到熱量反應－擴散的方程。改變方程的形式，給出球形、柱狀、片狀催化劑統一的反應擴散方程，便于學生類比記憶，減少公式推導的繁瑣。在講解氣固相催化反應工程時，再把柱狀催化劑的反應擴散方程類比引申到二維固定床反應器的計算。講解均勻表面吸附動力學時，類比反應物吸附和產物脫附動力學的最終形式，便于理解過程的推動力，使學生更深入的了解反應推動力和平衡的概念。
1.2在教學過程中，第五、六章、流化床反應器的內容采用多媒體教學，在教學過程中更多的展示各類工業反應器的結構，特別是顯示反應器的內部結構，并以實際化工生產中的實例反應器為例說明反應器各部件的作用。由于工業反應器的設計計算較為復雜，在這部分主要介紹計算方法，采用多媒體能節約教學時間。在教學中注重討論互動，雖然化學反應工程更多的強調計算，但對實際反應器的性能分析是提高工業生產效率的有效方法［7］。比如以汽車工業的尾氣凈化器為例，介紹尾氣的溫度，發動機的工作情況、實際催化轉化器的活性組成和形狀，發動學生討論汽車尾氣凈化器所包含的化學反應工程知識。化工中反應器的多維設計計算基本上都是通過計算機完成的，很少有人工計算設計整個工藝，利用計算機設計可以對不同的反應參數進行對比以達到節能、經濟的目的。由于教學條件和學生能力的限制，現階段只能采用由老師在電腦上演示利用計算軟件進行反應器的設計計算和優化，可以采用AspenPlus、PROii等成熟的化工流程模擬軟件計算穩態操作條件下的反應器的工藝參數，也可以采用FEMLAB計算多維反應器的模擬計算，把學生從枯燥的計算工作中解放出來，使學生有更多的時間去分析反應器的性能和優化，提高學生對反應工程的興趣［8］。
2改變考核方法
關鍵詞 化工反應工程實驗；教學改革；實驗技能
中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B 文章編號：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
化學反應工程是化學工程的一個分支，簡稱反應工程，于20世紀50年代才開始逐漸形成。化學反應工程課程是一門綜合性、工程性和理論性都很強的課程，既有工程問題的共性特點，又有工藝過程的個性特征。本課程要求學生有較為扎實的物理化學、化工原理、化工熱力學、工程數學和計算機基礎。化學反應工程課程教學內容覆蓋基本理論、實驗教學兩個教學環節，與化學反應工程理論課程相配套的實驗課程化工反應工程實驗，是一門化學工程與工藝專業高年級化工類專業實驗的必修課[1-3]。本實驗課程根據化學工業的生產特點，以動力學為基礎，通過定量計算、實驗技能和設計能力的訓練，培養學生牢固的工程觀點，使學生對化工生產中常用的反應器有一個深層次的了解。通過該課程的學習，培養了學生運用基礎理論分析解決各種實際工程問題的能力，為化工行業培養具有科研、設計和生產實踐等方面需要的專業人才。
1 化工反應工程實驗課程的現狀與分析
東南大學成賢學院是一所以培養應用型人才為目標的獨立學院，化工與制藥工程系自2007年建系以來，化工反應工程實驗一直作為化學工程與工藝專業高年級學生的必修課，是有機化學、無機化學、物理化學和化工原理四大化學課程的一個延伸與拓展。目前，化工與制藥工程系化工反應工程實驗引進6套實驗裝置，主要開設了與設備相對應的6個實驗，分別是乙苯脫氫制苯乙烯、甲苯氧化制苯甲酸、變壓吸附制富氧、非穩態導熱系數的測定、單多釜提留時間分布及萃取精餾實驗。所有的實驗設備和儀器全部采購于某高校，每臺實驗設備對應一個固定的實驗內容，受儀器設備臺數條件的限制，同時設備中存在部分設計的局限性，使得反應工程實驗始終停留在原有的實驗教學模式和教學內容上，在實驗大綱和內容上基本沿用了該高校的教學大綱和教學管理模式，沒有任何突破和改進。
考慮到學校人才培養模式和定位與該高校有較大的差異，化工與制藥工程系專業設置和學生生源質量等諸多方面與該高校也有相當大的差異，如果完全照搬該高校實驗課程的設備和教學內容，就會缺乏該系化學反應工程實驗自己的課程特色，缺乏實驗內容的創新性，在人才培養上就會顯得定位不明確，不能完全體現學院自己的辦學特色。
2 優化和擴展實驗內容
考慮到以上因素，結合目前化工反應工程在化工行業的發展要求，針對原有實驗教學內容上的缺點和不足，化工與制藥工程系先后進行一系列的教學改革和實踐，主要從以下幾個方面進行優化和擴展。
2.1 開發和改進實驗設備
目前，化工行業發展迅猛，尤其是新工藝新設備更新換代迅速，原有的很多化工操作單元已經不能完全適應化工行業的發展需求。例如，化工產品的分離提純是化工行業最普遍操作單元，主要包括減壓蒸餾、萃取精餾、加壓精餾和加鹽精餾等。而該系化學反應工程實驗中只有一套精餾萃取裝置，而在減壓精餾、加壓精餾、加鹽精餾等提純分離方面，學生只是停留在課堂理論的基礎上，缺乏對這些化工分離操作的實踐認知和操作過程訓練。
為了適應這一化工行業的發展需求，學院特別針對化工反應工程實驗進行了教學改革，方案中專門對化工反應工程實驗的裝置進行了設計和改造，在院大學生實踐創新活動中，組織專門的教師和學生進行實驗裝置的設計與改造。學生在此次創新活動中，對化工原理、化工熱力學、機械制圖等方面的知識進行了系統的鞏固和綜合提高。經過一年的努力，利用實驗室現有的場地，自行設計了精餾實驗裝置和氣液反應實驗裝置等兩套設備裝置，設計的裝置在材質和儀表控制上都做了改進，改變了以往玻璃材質耐壓和耐高溫性能差、儀表和輸液泵不夠精確的特點。新設計的精餾實驗裝置能夠實現萃取精餾、加壓精餾、加鹽精餾等多種分離提純操作，新設計的氣液反應實驗裝置能夠對很多典型的氣液反應實驗進行操作。
另外，還改進了化工反應工程實驗現有設備中的一些設計缺陷和不足。如在甲苯氧化實驗中冷凝效果不佳，于是增加二級空氣冷凝管使冷卻效果大大改善；在乙苯脫氫制苯乙烯實驗中，原料必須先校正流量配比后方可輸入反應釜中，但由于反應位置與校正位置高度相差較大，導致原料進料配比與校正進料配比相差，于是通過改變輸液泵類型、液位槽位置等手段，使得反應配比更加準確，使反應收到很好的效果。
2.2 豐富實驗教學大綱的內容
為了豐富和擴展化工反應過程實驗教學大綱的內容，提高教學質量，不僅利用現有的設備開發出了新的實驗內容，提高了現有設備的利用率，同時利用自行設計的實驗裝置，增加了新的實驗內容。如新增了化工產品分離提純實驗和氣液分離實驗的內容，主要包括減壓精餾、加壓精餾、加鹽精餾、氣液反應等實驗操作內容，如丙醛脫水實驗屬于加壓精餾實驗，對二異丙苯氧化反應實驗屬于氣液反應實驗。另外，利用現有的設備開發出更多的實驗內容。例如，利用乙苯脫氫的實驗裝置，增加了化工反應過程中典型的流化床反應器的操作內容。通過增設這些化工反應過程中典型的操作單元實驗內容，豐富了化工反應工程教學大綱[4]，使化工反應工程實驗操作過程和方法緊跟化工行業發展的腳步，體現了學院對應用型人才培養的特點。
2.3 建立化工反應工程實驗工作站和仿真實驗平臺
為了模擬和優化化學反應工程實驗的實驗條件、工藝參數，同時克服現有實驗設備數量的局限性，對現有的幾個化工反應工程實驗建立了的工作站和仿真實驗平臺。通過工作站處理軟件對實驗數據的現場采集，可以快速地進行數據處理和分析，及時有效直觀地對實驗結果進行評價，同時減少人為因素處理數據的誤差和繁瑣，提高了實驗教學效率[5]。另外，通過建立仿真實驗平臺，可以模擬不同條件下化工反應的控制過程，特別是一些受設備條件限制（如高溫高壓條件）的實驗過程，對實驗操作過程具有一定的理論依據和指導意義。
2.4 實驗內容中增加產物表征操作
化學反應工程實驗中，在數據分析與處理中有的設備配備有專門的數據處理軟件，直接對實驗數據進行分析處理，學生實際動手操作的機會就相對較少。為了改變這種狀況，在實驗內容中加強實驗反應過程的監測、實驗結果表征方面的實驗內容。如利用氣相色譜儀監測反應過程中反應液的含量來判斷反應進程，通過熱導檢測器來分析精餾萃取液中水分的含量來確定最佳工藝條件，利用碘量法測定過氧化物的含量，等等。學生不僅在整個實驗過程中操作技能得到鍛煉和提高，同時對數據的處理分析、產物的表征、譜圖的解析等方面都得到了學習和提高。
3 加強過程管理，改進實驗教學方法
實驗過程管理是實驗教學內容的重要組成部分，是保障實驗教學質量的重要環節。化學反應工程實驗屬于大型設備實驗，是一門操作少而理論性相對較強的實驗教學，加強過程管理，形成化工反應工程實驗教學的學科特色，提高實驗教學質量和水平十分重要。
3.1 加強實驗過程控制
化工反應工程實驗學時數相對較長，學生等待和空閑的時間較多。為了充分利用實驗過程中的等待時間，使實驗學時數更加飽滿，實驗過程中加強巡視，強調實驗過程中實驗現象的觀察、數據的采集整理和分析。在整個實驗過程中，學生的實驗操作能力、數據分析、譜圖解析、結果的分析與討論等各方面的能力都得到全面的鍛煉和提高。
3.2 合理分配循環實驗時間
化學反應工程實驗由于受到實驗特點和臺件數的限制，目前大都采用循環方式安排實驗，這就存在多個學生操作同一臺儀器設備的情況，使得有些學生得不到操作和鍛煉的機會。為了改善這種狀況，采用分組細化的方法，即同一臺儀器操作過程中，按照實驗學生數量來改變工藝條件參數進行分組實驗，盡可能地讓每個學生都有動手操作的機會。同時，由于工藝條件參數的不一樣，使得學生實驗操作過程、實驗數據處理及結論也不完全一致。這樣既讓更多的學生得到了訓練和提高，也改善了大量實驗數據重復，同組間學生實驗報告抄襲雷同的現象。
3.3 樹立牢固工程觀念，培養工程分析能力
化工生產過程錯綜復雜，為了讓學生更好地掌握化工反應實驗過程理論知識和實踐水平，透過現象看本質。在實驗教學過程中，教師應從分析工程因素的本質及反應特征入手，突出強調過程速率及其變化規律、傳遞規律及其對化學反應的影響。如通過實驗中工藝條件及參數的變化來分析實驗結果的影響，讓學生通過實驗來分析化工反應過程的基本規律，引導學生掌握化工反應工程研究的基本方法，使學生樹立牢固的工程觀念，培養學生采用工程分析方法來分析和解決工程實際問題的能力。
4 改革實驗考核方法，綜合評定學生成績
綜合評定學生的實驗成績是考察實驗教學效果的一個重要途徑，化工反應工程實驗以往主要從預習報告和實驗報告等方面進行考評。由于化工反應工程實驗主要是以工業反應過程為主要研究對象，研究過程速率及其變化規律、傳遞規律及其對化學反應的影響，因此，考慮到化工反應工程實驗課程的特殊性，在學生成績評定中，應適當增加學生實驗操作技能、實驗數據處理、實驗結果分析與討論等方面的評分比例，同時對學生的出勤、預習報告、實驗報告完成情況、實驗態度及衛生等劃分不同的權重進行考評，多方面綜合評定學生的實驗成績，而不再把實驗結果的好壞作為衡量實驗成績的唯一標準。即便學生的實驗結果不理想，但在實驗報告中能做好實驗數據的處理、實驗結果的分析與討論，從而找到失敗的原因，就可以獲得較好的實驗成績。通過這些考核制度的改革，培養了學生實事求是的科學態度，同時，學生的實驗技能、數據處理和分析能力等綜合能力都得到很大的提高。
5 結束語
雖然實施化學反應工程實驗教學改革與實踐時間不長，但已經收到了較好的成效。例如，化工與制藥工程系在金陵石化、揚子石化認識實習和下場實習過程中，學生表現出比較強的動手操作能力和工程實踐能力；在畢業設計階段，學生表現出較強的操作技能、獨立工作能力和綜合實驗能力；另外，有相當一部分學生在揚子總控工和高級工的培訓中順利通過考試，取得了總控工和高級工的資格證書。然而也清醒地看到，實驗教學改革與實踐是一個持續的過程，
化工與制藥工程系應順應化工行業變化的形勢和發展要求，不斷深化教學改革，充分發揮學生的主體作用，不斷優化和完善教學模式和管理水平，突出專業內涵建設，不斷提高教學水平，加強實驗室建設，著力提高實驗教學水平。尤其在化學反應工程實驗中增設創新性、開放性實驗內容，還有待進一步的探索和研究。
參考文獻
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[2]張雅明,谷和平,丁健.化學工程與工藝實驗[M].南京:南京大學出版,2006.
[3]房鼎業,樂清華,李福清.化學工程與工藝專業實驗[M].北京:化學工業出版社出版,2000.
