化学反应工程课程教学方法与应用模式探索

化学反应工程课程教学方法与应用模式探索

王国军，熊洁羽，汪斌

---基于科学思维和工程分析能力培养的教学改革

摘要：本文围绕科技发展对化工类人才培养的要求，根据化学反应工程学科特点，从综合培养工科学生科学思维和工程分析能力出发，提出了教学方法选择与应用原则，探讨了反应工程基本教学方法、工程因素化方法论和数学模型化方法论教学法与实践应用模式。对促进教学方法创新，强化学生科学思维和工程分析能力，提升反应工程核心课程建设水平具有普遍意义。

关键词：化学反应工程；教学改革；教学方法；应用模式

中图分类号：G420文献标识码：A文章编号：1004-633X（2011）11-0015-03

化学反应工程是化学工程学科的重要组成部分，也是国民经济重要支柱的过程工业的学科基础以及生物工程、材料科学等的支撑学科。化学反应工程基本内容涵盖反应动力学和反应器设计与分析两个方面，涉及物理化学、化学热力学、化工过程传递、优化与控制等知识经济领域。[1]-[3]本科生教学目标应是“基础知识有深度，工程应用有价值”，其教学任务是从工程应用角度出发阐明反应工程的基本原理、研究方法、反应技术开发和反应器优化设计等问题，使学生能够以化学反应为对象掌握反应工程的基本规律，学习反应器工程放大、操作控制和优化等工程知识，具备运用反应工程理论和方法分析解决工程实际问题或科学研究、技术开发的能力。

由于化学反应工程学科体系十分复杂，且与数学、物理、化学等基础学科密切相关，并与热力学、化学动力学、传递过程等存在交叉关系，教学难度较大，普通抽象的讲授很难达到预期的教学效果，必须科学地选择和应用适宜的教学方法，借内容讲分析，借细节讲理念，借问题讲方法，处理好教学内容与教学质量的关系。本文围绕科技发展对化工类人才培养的要求，根据化学反应工程学科特点和教学目标，从综合培养工科学生科学思维和工程分析能力出发，提出了教学方法选择与应用原则，探讨了反应工程教学方法与实践应用模式，以促进化学反应工程课程改革和教学方法创新。

一、教学方法的选择与应用

教学内容是通过课程传授给学生的知识、科学思想和观点、技能和技巧的总和，学生的学习过程就是将教学内容物化为学生发展结果的过程，这是一个从外到内的过程，是不会自动完成的，必须借助于一定的教学方法。教学方法是为了达成一定的课程教学目标，教师组织和引导学生进行专门内容的学习活动所采用的方式、手段和程序的总和，其中“教学”是关键，“方法”是核心。教学方法创新，首先应尊重学生的学习个性，不是单纯从知识体系出发，而是更多地从学生的认知过程的客观规律出发去实施教学活动；其次是要根据课程性质和内容特点选择相应的教学方法，综合应用各种有效的教学方法，坚持启发式教学指导思想，发挥教学方法的整体功能。

1.教学方法的选择

目前在教学实践中运用的教学方法很多，各种教学方法既有内容特定性，还有对象特定性，并且受教学条件制约。这就要求教师必须按照一定的科学依据综合考虑各种因素选择适当的教学方法，选择教学方法需考虑以下主要依据：

（1）教学的目标与任务。不同的教学目标和教学任务，需要不同的教学方法去实现和完成，如掌握知识宜选择讲授法、阅读法等；形成技能宜选择案例法、实验法、实习法等；发展能力宜选择问答法、讨论法、研究法等。

（2）课程性质与教学内容特点。不同课程其内容有根本的区别，需要不同的教学方法；同一课程的不同内容也需要不同的教学方法。因此应根据课程性质和内容特点选择相应的教学方法。

（3）教学时间与教学效率。课程的教学学时是限定的，而教学内容则是相对无限的，解决这对矛盾就要求教学以较少的时间取得较佳的效果。教学方法有的效率高、有的效率低，不同教学方法的不同应用也会影响到教学效率。因此应力求选择经济有效的教学方法，至少在规定学时内完成教学任务，实现教学目标。

（4）学生的发展现状。教学方法是多种因素的有机组合，存在着教师与学生、规摸与质量、知识与能力、统一与个性、效率与平等之间的矛盾。教学方法的应用一方面要有利于促进学生学习方法的形成，另一方面要适应学生的个性差异。因此在选择教学方法时必须考察、了解和把握学生的知识水平以及与本课程相关的前续课程学习情况，选择相适应的教学方法。

（5）教师本身的素养。任何教学方法都是“死”的，只有教师正确和创造性地加以组织运用才能成为“活”的教学方法。教师的素养总是一定的，并不是每一个教师都有能力使用任何教学方法。如果教师缺乏必要的素养条件，再好的教学方法也不可能驾驭，就不可能在教学实践中产生良好效果。因此教师的某些特长、某些不足和运用某种方法的实际可能性都是选择教学方法的重要依据。

2.教学方法的应用

选择确定了教学方法并设计出教学方案后，还有一个如何正确实施应用的问题，教学方法的应用应注意贯彻以下原则：

（1）综合应用各种教学方法。无论是教学目标、教学内容，还是教师的素养、学生的个性发展都是多方面的，教学手段、媒体也是多种多样的，这就决定了任何教学活动都应综合使用多种方法，形成与教学内容有机联系的教学方法组合，发挥不同教学方法构成的综合整体功能，才能收到良好的教学效果。

（2）坚持启发式教学指导思想。启发既是一种方法，更是一种教学指导思想，是相对于灌注式而言的。各种教学方法既具有启发性质，又具有注入性质，是一把“双刃剑”，关键在于教师如何应用。比如讲授法，若一味地讲、枯燥地讲就是灌注式，而以适当问题或实例开头，激发学生的学习热情，再配之以形象风趣的讲解就是启发式。再如问题解决法，问题在形式上和内容上提得恰到好处，可适应学生的学习心理和激发学生的学习热情，就是启发式。若问题提得过难过易或连珠炮式提一大堆问题，就会压抑学生的学习积极性使之生厌，就是灌注式。因此，教学方法的应用必须自始至终贯彻启发式教学指导思想。[4]

二、化学反应工程教学方法与应用模式

1.基本教学方法

化学反应工程教学内容既涉及深刻的理论分析，又涵盖诸多实践经验的总结，既有对过程机理描述的数学模型，又有对过程类型的综合概括，且教学内容关联性以及循序渐近性较强，只有根据不同的教学内容采用不同的教学方法，才能保证和提高教学质量。在教学过程中应根据化学反应工程课程性质和内容特点，针对不同教学内容应用演绎法、对比分析法、归纳法、案例分析等灵活多样的教学方法，以激发学生的思维，促进学生积极思考，开发学生学习潜能。如对化学反应动力学、固体催化剂内外有效扩散因子等教学中应主要采用演绎法进行教学；反应过程开发方法、化学反应器及其操作方式评选、停留时间分布与反应器流型判定等教学中应主要采用对比分析法进行教学；反应器中流体的流动模型及其返混、间歇反应器及半间歇反应器设计与分析、理想流动反应器及其反应器组合设计等教学中应主要采用归纳法进行教学；固定床催化反应器优化设计、流化床反应器等教学中应主要采用案例分析法进行教学。

2.内容讲述与难点讨论相结合教学法

化学反应工程课程教学的重点是阐明基本原理，讲清基本概念、理论和研究方法。而反应工程涉及的基本概念、理论和研究方法中难点较多，诸如多相催化吸附理论及反应动力学；固体催化剂粒内、外扩散有效因子与宏观动力学；反应器中流体的流动摸型、返混及其对化学反应的影响；停留时间分布与反应器内流型判定；化学反应器评选方法；化学反应器优化设计方法等。对难点问题采用内容讲述与难点课堂讨论相结合的教学方法，比单由教师讲解更有利于学生对难点问题的理解和掌握，使学生的基础知识更加扎实。

3.互动式教学法

讲课乃传道授业之基本途径，“教师讲、学生听”是授课的主体方式，是任何其他方式都不可完全取代的。但是这种传统的教学方式极易出现“满堂灌”现象，使学生的思维被教师“牵着走”，对知识的理解难以透彻。现代教学理论认为，教学其本质是一个教与学的联合体，教学是一个双边互动的过程。互动式教学就是在教学过程中充分发挥教师和学生的主观能动性，形成师生间相互对话、相互讨论、相互观摩、相互交流和相互促进的一种教学方法。互动式教学的主要特征是参与性，主要方法有“课堂提问”和“学生授课”两种方式，尤其适用于反应工程这类综合性很强且带有专业课部分特征的课程。[5]-[6]

三、化学反应工程方法论教学与应用模式

化学反应工程的研究对象是工业反应过程，该学科在形成、发展过程中提出的各种概念、方法从根本上说是为了解决工业反应过程开发、设计、运行中可能遇到的各种实际问题。要把反应工程理论成功运用于工业反应过程不仅要具备一定的理论素养，还需掌握正确的工作方法。[7]因此，反应工程应强调理论联系实际的“方法论”教学，把方法论教育作为课程教学的重要思想并贯穿于教学的全过程。通过科学思维、工程思维的教育，使学生掌握反应工程的基本观点和工程思维方法，培养学生综合运用所学知识解决工业反应过程开发和反应器分析与设计问题的能力，以及把所学知识转化为认识规律、运用规律解决工程问题的能力。

1.化学反应工程方法论涵义

反应工程的理论通常是建立在最简单反应体系的简化基础上的，与实际过程相去甚远。例如在研究某一个反应过程时，往往假定是一个简单反应，有时甚至简化到A→B这样在实际中几乎不可能存在的反应。因此在处理复杂的实际问题时，就需要运用基本的化学反应工程知识找出简便的、可靠的解决问题的途径，这种在掌握反应工程理论基础上解决工业反应过程开发和反应器设计与优化问题的技巧，就构成了化学反应工程的方法论。[8]

2.工程因素化方法论教学

工业反应器中的化学反应可分析为物理过程和化学过程，影响化学反应结果的因素可分为两类：一类是与反应器装置大小无关的化学动力学因素，即化学因素，体现着化学反应自身的规律；另一类是与反应器装置大小密切相关的传递过程因素，即工程因素。工程因素对化学反应结果的影响，从本质上看是通过流体流动、传质和传热等物理过程，改变了反应场所的浓度和温度分布，再通过化应动力学的特征间接地对反应结果产生影响。工程因素化方法论教学就是要针对反应工程课程的主要内容如反应动力学、反应器流动模型及返混、反应过程中的热量和质量传递、复杂反应选择性、反应器热稳定性等，突出影响反应结果的工程因素，将化学反应过程中诸多工程因素（如返混、传质、传热、操作方式等物理因素）对反应结果的影响进行工程分析，并按温度效应和浓度效应展开教学，为学生打下较为扎实的反应过程开发和反应器设计的理论基础和工程能力。

3.数学模型化方法论教学

反应工程作为一门工程学科其理论体系是以建立反应过程中各种变量之间严格定量关系为基点的，反应过程的非线性性质是反应工程中表现得非常突出的一个问题，且反应过程中的诸多工程因素又会通过改变反应场所的浓度和温度分布进而影响反应的结果，使得反应系统行为变化多端，归纳法已无存适用，数学模型化方法成为化学反应工程的主要研究方法。

模型化是一种工程方法，即通过建立相应的数学方程式来描述和表达某一种或数种实际过程定态或非定态的行为。模型化的目的大体用于分析、预测、设计和放大以及控制等，其中预测反应过程的行为是化学反应工程数学模型化的核心。模型结构和模型参数为构成模型的两个主要因素，反应工程常见的模型结构有偏微分方程、常微分方程和代数方程及其变异形式。反应工程大体涉及两类模型：反应动力学模型（包括本征和表观）和反应器模型（包括定态和非定态）。反应动力学是化学反应特征的一种表现，与反应器的构型和流体的流动等物理因素没有直接联系，反应器内流动等传递条件只有通过浓度和温度效应才会对反应动力学产生影响，因此反应动力学模型不受反应器的构型及几何尺寸的直接影响。反应器模型又可分为反应器内流动模型和传递模型，受限于反应器的构型及几何尺寸以及反应过程的工程因素。反应工程课程教学的一个重要任务就是通过数学模型化方法论教学，使学生学习和掌握反应工程有关模型的建立方法、验证或筛选模型的方法以及在特定条件下确定模型参数的方法。

总之，化学反应工程课程内容复杂，逻辑多变，且理论性与工程性较强，教与学难度较大。只有从学生认知规律出发，根据课程性质和教学内容特点科学选择、灵活应用各种有效的教学方法，发挥教学方法的整体功能，强调工程方法论教育，才能有效培养学生的科学思维，强化学生的工程分析能力，以适应科技发展对化工类人才培养的素质要求。

参考文献：

[1]许志美，周兴贵，邹滢等.化学反应工程课程建设与教学改革[J].化工高等教育，2006，(1)：38-42.

[2]周涛，谭军，叶红齐等.化学反应工程课程教学内容和课程体系改革[J].化工高等教育，2006，(3)：26-28.

[3]刘生鹏，吴元欣，丁一刚等.多媒体组合教学与化学反应工程教学改革探讨[J].化工高等教育，2008，(5)：53-59.

[4]周继亮.化学反应工程教学改革与思考[J].中国科技创新导刊，2008，(1)：104-105.

[5]王莅，辛峰，徐艳.互动式教学在本科生反应工程教学中的实践[J].化工高等教育，2005，(4)：64-66.

[6]姚传义.提高生化反应工程教学效果的探索[J].化工高等教育，2007，(6)：44-45.

[7]朱开宏，袁渭康.学术上有深度应用上有价值-化学反应工程分析课程教学的回顾与思考[J].化工高等教育，2004，(3)：34-35.

[8]袁渭康.《化学反应工程分析》“前言”-化学反应工程方法论讲座(第一讲)[J].化工高等教育，2002，(2)：15-17.