研究生《化学反应器原理》课程的学情研究及改进策略
周理龙[1] 张向京 徐晓阳
摘要：《化学反应器原理》是化学工程与技术一级学科研究生的专业基础课，通过对反应机理和数学模型知识的拓展，提高解决涉及化学反应过程的学术和实际工程问题的能力。本文首先介绍了本专业《化学化学反应器原理》讲授过程中存在的问题和课程内容，然后着重介绍了对本专业三个年级105名研究生的学情调查情况，分析研究生的学习本门课的动机，学习效果，存在的不足和学生的期望，确认目前课程教授方式所存在的问题。针对所存在的问题，提出了四条改进策略，有望从根本上解决该门课程理论性强，内容艰深难学，学生兴趣较低的问题，可进一步提高学生学习的效率和质量。
关键词：《化学反应器原理》，研究生，学情调查，教学策略，案例
Abstract：Principles of chemical reactors are a professional and fundamental course for graduate students of chemical engineering, which can improve the abilities of graduates for solving scientific and engineering problems contained in chemical reaction processes. In this paper, the main content and teaching problems of Principles of chemical reactors have been introduced firstly, then the investigation of learning situation of 105 in 3 grades has been introduced in detail. The learning motive, results, disadvantages and experts of graduates have been analyzed. The teaching problems of this course were also confirmed. According to these problems, four improvement tactics have been proposed to solve the problems of strong theoretical, content being too difficult to understand and low learning interest of graduates, which will improve the learning quality and efficiency of graduates.
Key words：Principles of chemical reactors, graduates, investigation on learning situation, teaching strategy, cases
1. 引言
反应器是化学工程的核心，反应器的效率直接决定了一个化工厂的技术和设备投资水平，因此设计高效的反应器是化学工程学科的核心问题之一，是化学工程教育中的专业基础知识。作为专业基础课，《化学反应工程》在各个高校的本科教育环节均得到重点讲授。由于课时的限制，主要以反应动力学和理想反应器设计为重点，辅以气固相反应动力学、气液相反应动力学和气固相反应器设计、气液相反应器设计的内容，具有理论性强，综合程度高，公式推导复杂的特点，学生们普遍反映内容艰深枯燥，不能完全满足工业实践和应用创新的要求。
《化学反应器理论》的主要内容与《化学反应工程》的主要内容相似，均为反应动力学和反应器设计两部分。但与《化学反应工程》不同的是，《化学反应器理论》是在《化学反应工程》的基础上更侧重动力学模型的应用和工业反应器设计。与本科阶段相比，《化学反应器理论》课程的目的是为已具备反应工程基础知识的硕士研究生拓宽知识面，加深对基本反应原理和数学模型方法的理解，提高运用反应器理论解决学术和实际工程问题的能力，建立较为完整的理论体系。
目前，对这门课程的教学研究较多。其他学校通常称之为《高等化学反应工程》，笔者所在学科教授的《化学反应器原理》与其他学校讲授的《高等化学反应工程》的内容大体一致，只是根据本校的实际情况对一些内容进行增减。已有的教研论文表明，该门课程存在的主要问题有：（1）课程内容较难，学生学习吃力；（2）课程内容与学生的科研实践存在脱节现象；（3）现有的教学方法模式陈旧，不能激发学生的学习动力。所提出的主要解决方法有：（1）在课程内容中适当增加工程案例，通过工程案例的讲解来引导学生学习和理解复杂反应动力学和反应器设计在工业实践中的应用及其理论基础；（2）将课程内容与学生的科研实践相结合，激发学生学习的兴趣；（3）通过多媒体、现场教学等新颖的教学方式引导学生积极学习。（4）增加学生自主学习的机会，老师少讲，学生多练。这些方法在一定程度上可以促进学生对本门课程的学习效果的提高。但是由于不同学校学生层次和来源不同，在教学过程中还需要考虑每个学校所存在的特殊状况，如学生在本科期间的学习水平、所从事的研究课题、研究生的培养目标等。因此要使研究生学好这门课并达到实际应用的目的，教师除了要对所讲授的内容熟悉外，还要对研究生的基础、选科目的、研究课题有所了解，在此基础上发现目前讲授该门课时所存在的问题。
2. 研究生学情调查及研究
为了了解本专业研究生对本门课程的认知、学习及应用情况，我们设计了一套调查问卷，对2017-2019级共三届105位研究生学习本课程的情况进行了调查。调查在每一届学生的研二上学期进行，此时他们已全部完成所有课程的学习，且已完成了开题和部分研究内容，对课程的学习和应用情况了解更充分。调查问卷包括18个问题，其主要内容分为四部分，第一部分是研究生在读研之前对化学反应工程内容的了解情况，即学习基础，第二部分是《化学反应器原理》对自己的科研和未来工作是否有帮助，即学习动机，第三部分是研究生所学本门课程的知识在科研工作中的实际应用情况，第四部分是研究生认为本门课程所存在的不足及其改正方法。
2.1 研究生的专业基础调查
图1. 2017-2019级研究生本科专业比例
在研究生的学习基础部分，首先调查了研究生的本科专业及其是否学过《化学反应工程》。调查结果表明我校2017~2019级化学工程与技术和材料与化工专业研究生的本科专业主要是以化学工程与工艺为主，其比例为78%，再加上能源化学工程、应用化学两个与化工类似的专业，其比例达90%，其他专业也是与化工相关的专业，如制药工程、轻化工程和环境工程。这表明本专业的研究生都具有化工知识基础。研究生的科研课题有70%左右的是和反应有关，主要包括环境催化、新能源材料、功能高分子材料、功能纳米材料、生物质转化利用、功能离子液体合成研究等。
在是否学过《化学反应工程》和是否了解《化学反应工程》的内容两个问题的回答中，调查结果表明有95%以上的研究生学过《化学反应工程》，这与研究生们的本科专业比例相符。相应的，了解《化学反应工程》知识内容的研究生比例也在95%以上。这些数据表明本专业的研究生几乎都学过《化学反应工程》，这也是由于本专业研究生招生考试的复试笔试中需要考核的内容，所以理论上讲所有的研究生即使在本科阶段没有专门学习该门课程，在准备考研复试的时候也会自学这门课程。因此本专业的研究生普遍具有《化学反应工程》的知识基础，在此基础上进行《化学反应器原理》的教学有很大的拓展空间。
2.2 研究生学习本课程的动机
图2. 研究生学习《化学反应器原理》动机调查数据（3. 化学反应动力学的内容对于自己的研究工作是否有帮助，4.反应器设计的内容对于自己的研究工作是否有帮助，5.你认为《化学反应器原理》的知识对自己未来工作是否有帮助）
在对《化学反应器原理》的学习动机调查方面，主要设置了三个问题，分别为化学反应动力学的内容对于自己的研究工作是否有帮助，反应器设计的内容对于自己的研究工作是否有帮助和你认为《化学反应器原理》的知识对自己未来工作是否有帮助（图2）。在今年毕业的2017级研究生中，其对该门课的学习对自己科研和未来工作有帮助的认可最高，均在91%以上，但对反应器设计的学习对自己科研的帮助认可度最低，为91.7%，但全部的同学都认为该门课的学习对自己未来工作会有帮助。2018级研究生中，其对该门课对自己科研和未来工作帮助的认可最低，三个问题肯定的比例为83.8%、64.9%和94.6%，其中认可度最低的也是反应器设计。2019级研究生对着三个问题的正面肯定回答的比例分别是93.2%、70.5%和93.6%，认可度最低的也是反应器的设计，但又93.6%的人认为该门课程的学习对自己未来的工作有利。调查数据与研究生所从事的科研工作直接相关，根据调查数据，有70%以上的研究生主要进行新材料和新反应的研究，所设计到的反应器均是实验室常用的成熟的反应器，很少涉及到对反应器进行改进，后面相关的调查数据也显示了这一点。虽然2018级和2019级对该门课对自己科研工作帮助的认可度低于2017级，但是仍然是绝大多数同学认为学习该门课有助于自己的科研工作，并且93%以上的同学认为该门课程对自己未来的工作有帮助。这表明研究生们对这门课有比较强的学习动机。
2.3 研究生的研究课题与本课程的相关性
图3.研究生科研课题与《化学反应器原理》相关性数据（6.自己的研究课题是否需要化学反应器，7.自己的研究课题是否设计到反应器创新方面的内容，8.是否了解自己课题所使用的反应器）
图4. 研究生科研课题所设计到的反应种类及反应器型式
在研究生所做的科研课题与《化学反应器原理》关系方面，设置了五个问题，分别为：自己的研究课题是否需要化学反应器，自己的研究课题是否涉及到反应器创新方面的内容，是否了解自己课题所使用的反应器，自己的研究课题所涉及的反应是哪种类型（A．气相均相反应 B.液相均相反应 C.气固催化反应 D.气液相反应 E.液固催化反应 F.气液固三相催化反应）和自己的研究课题所使用的反应器是哪种类型（A．固定床反应器 B.流化床反应器 C.釜式反应器 D. 管式反应器 E.高温炉）。化工的研究生除了做分离过程的研究不需要反应器之外，其他课题均需要用到反应器，其比例在67.6%~70.8%之间，和做与反应相关课题的研究生比例一致。研究生的科研课题中涉及到反应器创新的比例只有34.1%~45.8%，这也和研究生们平时的科研工作相关，绝大部分研究生的科研工作主要关注反应本身，即本征反应，而对强化反应的手段关注较少。70%左右的研究生对自己所使用的反应器比较了解，而有30%左右的研究生对自己使用的反应器并不是完全了解，这表明本专业研究生有必要学习反应器原理方面的知识。由于实验室所使用的反应器体积较小，传质传热等因素对反应速率和效率的影响较小，所以一般不需要特殊的反应强化手段。因此单纯从科研上看，研究生学习《化学反应器原理》的动力较弱。
2.4 研究生对本课程的学习效果
图5.研究生学习效果调查图
为了考察学生们对这门课的学习效果，在调查问卷中设定了两个问题，分别是《化学反应器原理》的讲授内容的难易程度如何（A. 非常容易 B.比较容易 C.比较困难 D.非常困难）和自己是否理解《化学反应器原理》的课程内容（A. 全部能够掌握 B. 掌握基本内容 C. 仅了解大概的内容 D. 课程内容非常难以理解）。研究生对这门课的学习过程中，绝大部分同学认为课程内容比较困难和非常困难（78%），绝大部分同学对课程内容的掌握程度较差，仅为掌握基本内容（35%）和仅了解大概的内容（60%）。这表明学生们对这门课的学习成果比较差。
为了研究导致学生学习效果差的原因，在调查问卷中设置了一道问题，现在《化学反应器原理》课程讲授过程中还存在哪些不足（A.课程内容较为陈旧 B.课程内容太难，难以理解，C.讲课方式不够新颖，没有吸引力，D.课程内容和自己的研究工作没有关联，没有学习的动力，E.不知道学习该门课程的意义是什么。多选）学习这门课程最首要的障碍是“课程内容太难，难以理解”（60%），其次是“课程内容和自己的研究工作没有关联，没有学习的动力”（36.2%），第三个原因是“讲课方式不够新颖，没有吸引力”（29.5%），排名第四的原因是“课程内容较为陈旧”（23.8%），最后是“不知道学习该门课程的意义是什么”（1.9%）。这些数据表明绝大多数的学生们了解本门课程学习的意义，但是由于课程内容较难，导致他们的学习效果不尽人意。研究生的科研课题是否涉及到相关的课程内容是其主要的学习动机之一，也影响其学习该课程的积极性。上课的方式也是影响学生学习效果的重要因素。
为了了解研究生期望学习到的内容，设置了两个问题：在《化学反应器原理》中希望学到哪些内容（A．复杂反应的反应动力学 B.一般反应器的设计原理 C.特殊反应器的设计方法 D.反应强化的手段，多选）和你认为《化学反应器原理》这门课应该包括哪些内容。在第一个问题中，研究生们最希望学习到的内容是“一般反应器的设计原理”（74.3%），这表明研究生们希望学习到一些基础知识，为未来工作做准备，第二是“反应强化的手段”（64.8%），其主要原因可能是研究生们在做科研的时候，其中最重要的指标是反应时间、反应的转化率和选择性，因此如何强化反应是研究生们关心的问题，所以他们普遍想学习反应强化的手段。第三是“复杂反应的反应动力学”（49.5%），其主要原因是反应的动力学也是研究生所做科研课题的主要内容之一，第四是“特殊反应器的设计方法”（33.3%），这表明有少数研究生对反应器的设计感兴趣。在“你认为《化学反应器原理》这门课应该包括哪些内容”开放性问题的回答中，有39个人作了回答，其中有, 24个人提到基础理论知识，有15个人提到实践案例，另外还有少部分人要求添加模拟计算软件的讲解、反应器操作、安全操作类的知识。这表明研究生们在上这门课的时候希望学到基础理论和实践相结合的知识。
通过对研究生们的学习情况进行调查发现，本专业研究生绝大部分都是由化工化学类的本科生考研而来，几乎所有人都学过《化学反应工程》，因此具有学习《化学反应器原理》的知识基础。研究生们的学习动机主要有两个，第一是未来的工作需要，第二是自己科研工作的需要。研究生们对该课程的学习情况一般，绝大部分处于了解基本内容和大概内容的情况，认为该门课程比较难，其难点主要在于复杂的公式推导。绝大部分（90%以上）的研究生对该门课程的学习持认可态度，虽然有些研究生的研究课题不涉及到反应器，但认为未来工作会用得到。在该门课程中学生们最感兴趣的部分是基础原理和实践案例，这表明我们课程内容的安排是正确的。影响这门课学习效果主要原因是课程内容难度较大，多俗研究生不知如何利用学到的理论指导自己的科研过程。针对以上情况，应该采取一些有效措施来增强学生对该门课程学习的积极性，满足学生的学习需求。
3. 本课程教学的改进策略
为了进一步提高研究生学习本课程的积极性和学习效果，在目前课程内容安排的基础上，对教学设计进行相应的改革，使之更容易被学生接受，更贴近学生科研和工作实际。
（1）开展问题导向的模块化教学
问题导向式教学是以学生为中心的教学过程中的一种重要实现方式，在国内外的工科教学中被众多学校的多个专业领域所采用，可解决单纯的课堂讲解和公式推导带来的沉闷、枯燥感，提高学生的参与度。笔者在以往的授课中曾进行过动力学方程如何获得和动力学参数的获取方法两个问题导向内容的尝试，在在上课前通过QQ、微信等方式告诉学生上课需要解决的问题，让学生提前准备，有利于提前了解课程的基础知识；课上讲述只涉及基础理论，应用实例以学生讲述和小组讨论的形式呈现。通过初步尝试，证明问题导向模块式教学方式比较适合于理论性强或应用实例方面的内容，可提高学生对授课内容的参与度，今后可进一步在诸如如何进行动力学实验、内外扩散的消除方法、反应器数学模型的简历等模块使用。
（2）采用案例教学
在课程的反应器设计部分，可采用工程案例的方式引导学生学习和体会《化学反应器理论》在工厂中的应用，通过引入一些典型反应器选型和设计的工程案例，加深学生对这些知识在工厂应用中的理解。根据反应体系的特点，可分别选择一氧化碳变换、合成氨、烃重整制氢、石油催化裂化、甲醇合成、硫铁矿氧化制二氧化硫和三氯氢硅合成等工业过程实例，通过分析反应过程原理、反应体系特点、前后工艺关联等，进行反应器的选型和设计。提前把选课的学生分成若干组，然后每个组布置一种不同类型的反应，由学生通过查找资料，建立相关数学模型来计算反应器的体积，确定操作方式和换热面积，完成整个实际工业反应器的设计过程，最后要求小组讲述和答辩。这样通过学生主动参与，就可将生产中常用的釜式反应器、固定床反应器、流化床反应器、塔式反应器等的特点及设计要点掌握，是研究生具有初步设计工业反应器的能力。这样可增强学生对理论知识在实践中的应用能力。
（3）鼓励研究生的科研工作中持续学习和理解相关知识
根据学生学习本门课的学习动机主要来源于自己的科研实践需求，因此可在课程中引入一些关于研究生科研课题的相关案例。例如在引导研究生学习最常用的气固相催化反应动力学时，通过纳米贵金属催化剂催化CO氧化为例来推导反应动力学方程；在学习气液反应动力学和反应器时，通过研究生们常用的水热反应和高压釜式反应器为例说明相关的知识。这样使学生学好基础知识的同时，还可以接触到科研前沿，契合学生的学习动机，增强学生的学习动力。在研究生所进行的科研课题中，其中有相当一部分涉及到反应动力学的研究和反应器对反应的影响。因此可鼓励研究生在科研工作中利用所学的理论知识和方法来解决自己所遇到的关于反应动力学的问题和反应器对反应影响的问题。通过科研实践可加深学生对课程内容的理解，并且有助于学生科研水平的提高，对科研课题的认识和理解，进而提出好的解决方法。
4. 总结和展望
《化学反应器原理》是化工类研究生的一门专业基础课，以本科阶段所学习的《化学反应工程》为基础，主要讲述复杂反应反应动力学、反应器设计原理和工程案例示范。本专业研究生具有较好的知识基础，学习本门课程的动力主要源于未来工作和科研课题的需要，但学习效果需进一步提高。阻碍研究生学习效率的主要原因是课程内容理论性强，深奥难懂，因此教学方法需进一步改革。本课程通过改变基础知识的教学方式，鼓励研究生在科研中应用相关理论知识和在课程中引入与其课题相关的案例入手，来提高研究生的学习效率和质量。通过对研究生学习本门课程的学情进行深入调查，分析目前其学习该课程存在的问题，针对所存在的问题，提出相应的解决方案，为提高研究生学习基础理论的积极性和学习效率提供了一条可行的途径。
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