韓永軍 王 莉

(平頂山學院化學與環(huán)境工程學院，河南 平頂山 467000)

化學反應(yīng)工程是一門研究工業(yè)反應(yīng)過程的開發(fā)和反應(yīng)器設(shè)計、優(yōu)化、放大的工程學科[1]，目標是培養(yǎng)學生分析、解決工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計、操作和控制中遇到的實際工程問題的能力。學生在學習時普遍感到理論抽象，數(shù)學推導煩瑣，工程問題多。本科生的工程背景知識不足，難以將反應(yīng)工程基本原理與工業(yè)反應(yīng)過程有效結(jié)合，將知識內(nèi)化為能力[2,3]。

課堂教育是傳授知識，培養(yǎng)學生思維能力的主要途徑。我們以加強工程設(shè)計訓練為主線，以化工企業(yè)實際工程技術(shù)需求為導向，以理論教學圍繞工程問題講解，深化書本理論知識、強化工程應(yīng)用能力。

目前教學中存在的主要問題有工程思維弱化，基本概念掌握不夠牢靠，工程設(shè)計能力基本為零[4]，因此課程教學急需解決的關(guān)鍵問題是通過理論教學，培養(yǎng)學生的工程思維和工程設(shè)計能力。

1 教學改革思路、教學改革具體措施和方法

1.1 倡導工程思維，牢固掌握基本概念

為建立完整的工程觀點，在教學過程中著重培養(yǎng)工程思維方法，充分應(yīng)用基礎(chǔ)知識，在理論和實踐上培養(yǎng)學生建立工程思維方法。以化學反應(yīng)過程中的返混問題為例，返混是反應(yīng)器中流體流動和反應(yīng)疊加而形成的重要工程概念，它是化學反應(yīng)器中十分生動，又對化學反應(yīng)結(jié)果影響特別大的工程因素。在返混這一概念的學習中，學生往往把間歇過程中物料攪拌混合與連續(xù)過程混為一談。間歇過程的物料是一次性全部投入反應(yīng)器的，是相同年齡、相同濃度的物料之間的混合，而連續(xù)過程是不同停留時間、不同濃度的物料間的混合，二者之間有本質(zhì)的區(qū)別。既然返混的結(jié)果是造成反應(yīng)場所反應(yīng)物濃度的降低，那么與降低反應(yīng)場所反應(yīng)物濃度的工程措施對反應(yīng)結(jié)果的影響是等效的。例如，降低反應(yīng)器進料中反應(yīng)物的濃度、提高反應(yīng)過程轉(zhuǎn)化率、用惰性氣體稀釋原料等都與返混是等效的。因此，教學過程中把兩種混合過程進行形象的描述，使學生自己通過思考得出結(jié)論，以幫助學生建立牢固而清晰的工程觀點。

1.2 圍繞解決工程問題組織理論教學

化學反應(yīng)工程課程與工程實際密切相關(guān)，最終要為解決生產(chǎn)實際中的工程問題服務(wù)。我們以往的教學中注重傳授書本知識，理論與生產(chǎn)實際聯(lián)系較少，學生雖然掌握了化學反應(yīng)工程的基本原理，但面對反應(yīng)過程開發(fā)、反應(yīng)器設(shè)計等實際工程問題時仍然無從下手，知識應(yīng)用能力較差。為此，我們提出了圍繞“解決工程問題”組織理論教學的理念。教學中講清基本概念、基本理論后，重點介紹理論知識在解決實際工程問題中的應(yīng)用，突出工程設(shè)計意識和方法的訓練，以設(shè)計型問題為引領(lǐng)，剖析各類反應(yīng)過程的開發(fā)設(shè)計思路。各章節(jié)的教學都進行基本理論所涉及的工程問題分析，如有哪些工程因素會影響化學反應(yīng)過程，有利還是有害?程度有多大?哪些方法可以消除不利因素或利用有利因素等。培養(yǎng)學生反應(yīng)器開發(fā)設(shè)計的正確思路：(1)研究反應(yīng)系統(tǒng)計量學特征，了解反應(yīng)屬于簡單反應(yīng)還是復合反應(yīng)；(2)研究反應(yīng)動力學特征；(3)反應(yīng)器選型；(4)傳遞過程對反應(yīng)結(jié)果影響的研究；(5)過程綜合，建立反應(yīng)器數(shù)學模型，通過計算或?qū)嶒灤_定模型參數(shù)；(6)進行熱態(tài)實驗，完善模型。另外，在教學中盡可能多地增加工程設(shè)計案例分析。通過具體案例，學生可以進行模仿練習，從中學習解決工程實際問題的思路和方法。

1.3 運用工程分析方法，解決問題

在化學反應(yīng)過程中，影響反應(yīng)結(jié)果的因素可分為二類。一是與設(shè)備大小無關(guān)的反應(yīng)動力學因素，即化學因素，這是過程的個性，每個反應(yīng)各不相同；二是與設(shè)備大小密切相關(guān)的傳遞過程因素，即工程因素，這是過程的共性，同類反應(yīng)器的傳遞特性是相同的，不因進行的反應(yīng)過程而變化，但與反應(yīng)器大小密切相關(guān)。從本質(zhì)上看，工程因素對反應(yīng)結(jié)果的影響，是通過流體流動、傳質(zhì)和傳熱等物理過程，改變了反應(yīng)場所的濃度和溫度分布，再通過反應(yīng)動力學的特征間接地影響反應(yīng)結(jié)果。

如前面所述的返混，已知返混使反應(yīng)物的濃度降低，那么對反應(yīng)結(jié)果有何影響呢?對這個問題，要根據(jù)反應(yīng)過程的特征，具體問題具體分析。例如，對串聯(lián)反應(yīng)而言，濃度降低總是造成反應(yīng)選擇性的下降，返混的影響總是不利的；而對平行反應(yīng)而言，根據(jù)反應(yīng)選擇性的動力學特征，主反應(yīng)級數(shù)低于副反應(yīng)級數(shù)時，濃度降低是有利的，此時返混是有利的，而反之則是不利的[5]。

1.4 融入化工設(shè)計比賽，培養(yǎng)工程設(shè)計能力

化工項目的工程設(shè)計包括生產(chǎn)方案、流程設(shè)計、工藝設(shè)計、設(shè)備設(shè)計、安全環(huán)保、土建、經(jīng)濟評價等多項內(nèi)容。我們在大三開設(shè)第二課堂，主題為化工設(shè)計比賽，通過設(shè)計比賽提高學生的工程設(shè)計能力。將氣固相固定床催化反應(yīng)器、管殼式換熱器、板式精餾塔等典型化工單元操作裝置的設(shè)計融入到化工產(chǎn)品工藝流程設(shè)計。在設(shè)計過程中，要求學生樹立認真嚴謹、科學求是的工程觀念?；瘜W反應(yīng)工程課程設(shè)計中，學生分組完成設(shè)計，自行查閱文獻資料、查找設(shè)計方法、搜集計算公式、選擇工藝參數(shù)，完成后撰寫設(shè)計說明書。設(shè)計過程中，學生之間廣泛討論，商討設(shè)計方法，學習氛圍濃厚。通過該課程設(shè)計，學生對固定床催化反應(yīng)器的形式和特點，固體催化劑的性能、內(nèi)擴散有效因子的概念和計算方法，平衡溫度曲線的概念和繪圖方法，最佳溫度曲線的概念和繪圖方法，各段進出口溫度、進出口轉(zhuǎn)化率的最佳分配方法，利用本征動力學方程計算反應(yīng)時間的方法，催化劑用量的計算及校正方法，反應(yīng)器直徑、高度及其他附件尺寸的計算方法等知識點，有了深刻的理解和較好的掌握。

2 教學改革預(yù)期成效

化學反應(yīng)工程是一門工程學科，需要學生在掌握基本概念、基本內(nèi)容的同時，學會分析工程問題、解決工程問題的方法。在化學反應(yīng)工程教學實踐中也始終把握這一點，采用工程思維方法和工程分析方法組織教學內(nèi)容，有效地提高了學生學習的主動性，使教學過程成為思維方法、分析能力的訓練和培養(yǎng)過程，使學生把所學的知識轉(zhuǎn)化為認識規(guī)律、運用規(guī)律、解決工程問題的能力，適應(yīng)新世紀人才培養(yǎng)模式對人才素質(zhì)的要求。

將課程設(shè)計融入化工設(shè)計比賽，我校2014級、2015級化學工程與工藝專業(yè)于第五學期開展化工設(shè)計比賽，深受廣大學生的歡迎并積極參與，取得了良好的教學效果，比賽優(yōu)勝組已參加2017、2018年度全國化工設(shè)計競賽，并獲得優(yōu)異的成績。

3 結(jié)語

通過基于工程能力培養(yǎng)的《化學反應(yīng)工程》教學改革，學生工程設(shè)計能力得到很大提升，為實現(xiàn)人才培養(yǎng)與行業(yè)需求的無縫接軌，使學生在走上工作崗位后能較快適應(yīng)實際工作需要，奠定了良好的基礎(chǔ)。