研究生高等反应工程的教学改革与实践
【摘 要】研究生高等反应工程教学中，以提高学生的学习兴趣，培养分析、解决工程问题的能力为目标，采取增加案例教学、加强课堂讨论、改进课程小论文、强化应用数学模型研究工程问题等方法，积极进行教学改革与实践，取得了良好的效果。
【关键词】高等反应工程；案例教学；课堂讨论；数学模型
【基金项目】本文系青海大学研究生重点课程建设项目（编号：qdyk-160301）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2016）35-0054-02
反应工程作为一门独立学科，始建于1957年在荷兰召开第一届国际反应工程会议，主要内容为研究化学反应过程中“三传一反”的共性规律，用于指导反应器的设计、放大和优化。经过近六十年的发展，目前已形成了完整的学科体系，具备有特色的理论基础和有效的实验方法，以及关于处理复杂实际反应系统的指导思想，成为一门成熟的学科。随着实验技术和理论的不断发展，反应工程将继续在化学工程中占据核心的地位。
高等反应工程是化学工程与技术一级学科学位课中的专业基础必修课或专业平台课，是化工类硕士研究生必须修读的课程，目的是为已具备反应工程基本知识的硕士研究生拓宽反应工程知识面，加深对基本原理和数学模型方法的理解，提高运用反应工程基本理论解决学术研究中遇到的问题，以及反应器设计、操作和控制中遇到的实际工程问题的能力，建立较为完整的理论体系。
国内高校化工专业、本科阶段反应工程教学侧重于均相反应体系和理想流动反应器，与真实过程相差较大。为此，我们在研究生阶段教学内容侧重于非均相反应体系和非理想流动反应器，注重在知识的深度和广度方面加以拓展。教学遇到的主要问题是生源中非化学工程与工艺专业本科生，没有学过反应工程的占一半，这部分学生缺乏反应工程的基本概念，学习较吃力。青海大学高等反应工程只有32学时， 若补充较多的本科反应工程的知识，则完不成教学大纲规定任务。而讨论课上学生问题少，发言不积极，常常是作业上网找答案，课程小论文用资料堆积应付，导致学习效果欠佳。为了解决这些问题，提高课程教学质量，课程组进行了积极的教学改革探索，考虑到研究生已经接受了系统的专业理论学习，相对本科生来说文献查阅能力和自学能力较强，课余时间较多，而且研究生教育中重要的是强化研究生自主获取知识和科研创新的能力，提高研究生的学术研究能力是研究生培养的关键。为此，我们改变过去以讲授法为主的教学方法，增加了案例教学、加强课堂讨论、改进课程小论文、强化通过衡算建立数学模型解决实际工程问题的训练。
一、以案例为纽带，加强理论联系实际
课程教学设计要紧紧围绕教学内容精选案例。案例要有较好的针对性、典型性，既让学生在案例分析中获得要掌握的知识，又要激发学生的学习热情，培养其综合分析问题和解决实际工程问题的能力。选择的案例尽可能具有真实性、工程性，与所讲授的知识点高度关联，最好包含案例反应器设计或反应过程开发中曾经遇到的问题，在理论的指导下解决问题的过程。工业生产中的实际工程案例有时候因影响因素众多，涉及其他学科的知识，并不合适直接搬到课堂上让学生分析，而且不是所有的教学内容都能找到恰当的工程案例。为此，我们根据教学需要整理或模拟生产实际编制一些工程案例，严格做到符合基本理论，符合生产实际，能够工程实施。结合高等反应工程的主要知识点，筛选或编制了二十多个案例，这些案例有多段绝热式固定床二氧化硫转化器，三套管连续换热式氨合成塔等在反应工程发展史上具有代表性、典型性且设计方法较成熟的反应器；有纯碱生产中的碳化塔，碳酸锂生产中的纯碱与浓缩卤水反应器等依据区域内主要化工企业实际生产编写的案例；有丁二烯和氯气生成二氯丁烯反应过程的开发、汽车尾气净化反应器等依据学科最新研究成果编制的案例；有结合相关的社会热点事件编制的案例，如2015年8月12日天津港重大火灾爆炸事故，分析硝化棉分解反应发生的条件，温度对反应速率的影响，硝酸铵、硝酸钾发生分解反应、发生爆炸的条件。案例确定后，教师进行透彻分析，掌握案例包含的化学反应原理以及过程的热力学、动力学原理，便于回答学生可能提出的各种问题，保证课堂教学顺利进行。
案例教学实施中，教师利用课堂前半部分时间讲授本次课的主要内容，列出需要重点掌握的知识，然后结合所讲授的内容给出相关的工程案例，提出需要解决的问题，留一定的时间让学生在课堂上对工程案例进行分析。学生通过必要的逻辑推理和演算，有了解题思路或初步答案后，教师进行提问，针对学生回答讲解该案例涉及的理论知识，给出解决案例中工程问题的步骤与思路，评价学生的回答中的可取方面以及存在的问题。课堂时间不够用时，在讲授理论知识的过程中给出相应的工程案例，提出问题，要求学生在课后思考、寻找解决问题的方法，下次上课时提问并讲解，让学生有充分的时间去查阅参考资料，深入分析案例，尝试用不同的方法解决问题。
二、深入开展课堂讨论，充分调动学生的学习兴趣
反应工程是以无机化工、有机化工、煤化工和石油化工生产中的化学加工过程为背景，用自然科学的原理考察、解释和处理工程实践问题，是一门实践性很强的学科，涉及的工程问题多，理论抽象复杂。而学生工程背景知识不足，适当开展课程讨论，可以调动学生的积极性，加深对知识的理解和掌握。以前主要以随堂提问、学生自由回答的方式进行课堂讨论，但学生参与热情不高，分析问题不全面、不深刻。为此我们进行了改革，对授课内容进行凝练，每章挤出一节课时间集中上讨论课，课前结合主要知识点以及重点、难点布置一定量的思考题，要求全班学生都做，每次安排3～4名学生重点发言，每名学生在本课程学习中至少轮到一次。学生利用课余时间查阅文献，经过消化理解，做PPT课件，认真细致地准备，在讨论课上给全班同学讲解，鼓励其他同学进行质疑，发表不同的看法，同学之间有不同的见解可以争论，不同的人看问题的角度不同，就会有不同的结果。通过讨论综合大家的各种意见，使学生对知识的理解更加透彻，锻炼了他们应用理论分析问题、解决问题的能力。
三、加强应用数学模型方法研究工程问题的训练
数学模型方法是反应工程的主要研究方法，为此教学中加强反应工程中有关数学模型的构建方法、简化方法、求解方法的训练。所建立的数学模型往往具有多变量、强交联、非线性的特点，这些模型大多无法解析求解，必须通过迭代计算求取数值解。各种数值计算方法、如求解非线性代数方程（组）的Newton-Raphson法、求解常微分方程（组）初值问题的Runge-Kutta法、求解常微分方程（组）边值问题和偏微分方程（组）的差分法和正交配置法等，在反应工程研究和工业反应过程开发中都有广泛的应用。工科学生的计算能力是其创新能力的重要组成部分，而且数学分析方法的使用使教学中的疑难点变得简捷、明了，能帮助学生更加深刻地理解和掌握反应工程的基本理论，有助于加深记忆。数值计算的核心问题是迭代算法的组织，学生在开始接触迭代算法时往往存在畏难情绪，感到无从下手，但经过自己的摸索和教师的指点，许多学生不但认识到了迭代算法对求解实际工程问题的重要作用，也掌握了组织迭代计算的一定技巧。
四、强化课程小论文，培养科研素养
以往教学中，讲授相关内容后，要求学生撰写一篇有关气固相催化反应器或反应过程最新研究进展的小论文，多数人是利用网上下载的资料堆积完成论文，缺少综合分析归纳，缺少自己的观点。后来改为学期中间布置课程小论文，学期末上交。要求研究生根据导师的研究方向，进行文献和实验室调研，了解该研究方向涉及的反应工程知识，存在的问题和发展现状，并提出自己的建议，撰写一篇论文，取得了良好的效果，既巩固了所学的反应工程知识，也提前了解了导师的研究领域，为今后自己进行学位论文课题的研究储备了知识。
多年来，我们积极进行教学改革与探索，对课程的理论体系和教材内容进行了深入研究，课前对每届学生基础进行调研，根据不同内容和学生实际，选择不同的教学模式，想方设法调动学生的学习积极性，力争使学生在理解内容的基础上，掌握分析工程问题、解决工程问题的方法，取得了良好的教学效果。
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（编辑：秦俊嫄）
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