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化学反应工程教学重点与方法

 论文栏目:化学反应论文     更新时间:2017/12/29 9:25:20   

摘要:《化学反应工程》是化工类专业的核心课程之一,在化工类学生的培养过程中起着举足轻重的作用。本文结合不同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,并从我校特点、阐述方法和教学方式的改进、注重理论和实际的结合这三个方面对本课程的教学提出了改革方案,希望能为《化学反应工程》课程的教学改革提供参考。

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.

[5]李倩,牟宗刚,李平,等.《催化原理与技术》教学之管见[J].济南大学学报,2013,23(2):170-171.

作者:高道伟 牟宗刚 陈国柱 李平 单位:济南大学化学化工学院

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