新工科建設(shè)背景下《化學(xué)反應(yīng)工程》課程改革探索

徐英 王曉敏 吳春燕 翁艷英 蒙建成

摘要：《化學(xué)反應(yīng)工程》是一門具有較強(qiáng)工程實踐性的課程，根據(jù)人才培養(yǎng)方案，屬于化學(xué)工程與工藝的專業(yè)核心課程。為適應(yīng)國家的新工科建設(shè)戰(zhàn)略要求，本文針對當(dāng)前新工科建設(shè)背景下《化學(xué)反應(yīng)工程》課程教學(xué)存在的不足，對課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)模式改進(jìn)、加強(qiáng)工程實踐能力培養(yǎng)和改善考核方式等方面對《化學(xué)反應(yīng)工程》課程進(jìn)行教學(xué)改革，以提高課程的教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生的工程專業(yè)素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：新工科化學(xué)反應(yīng)工程? 工程實踐? 教學(xué)改革

中圖分類號： G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：

Reform and Practice of Chemical Engineering Teaching in Local Universities Under the Background of New Engineering

XU Ying1 WANG Xiaomin2WU Chunyan1WENG Yanying1MENG Jiancheng1

（1. College of Chemistry and Biological Science， Guangxi Normal University for Nationalities， Chongzuo， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 532200 China; 2. College of Mathematics， Physics and Electronic Information Engineering， Guangxi Normal University for Nationalities， Chongzuo， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 532200 China）

Abstract：Chemical reaction engineering is a course with strong engineering practice. According to the talent training scheme， it belongs to the professional core course of chemical engineering and technology. In order to meet the strategic requirements of the national new engineering construction， aiming at the shortcomings of the teaching of chemical reaction engineering under the background of the current new engineering construction， this paper carries out the teaching reform of chemical reaction engineering from the aspects of optimizing the teaching content， improving the teaching mode， strengthening the cultivation of engineering practical ability and improving the examination methods， so as to improve the teaching quality of the course and strengthen the engineering professional quality of students.

Key words：New engineering; Chemical reaction engineering; Engineering practice;Teaching reform

百年大計，教育為本，2018年，習(xí)近平總書記在北京大學(xué)考察時強(qiáng)調(diào)，黨和國家事業(yè)發(fā)展比以往任何時候都迫切需要高等教育、優(yōu)秀人才和科學(xué)知識[1]，新形勢下，國家急需培養(yǎng)一大批創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才和應(yīng)用型人才也迫切需要提高高等教育的人才培養(yǎng)質(zhì)量[2]。2017年2月18日，高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會在復(fù)旦大學(xué)召開，會上教育部首次提出了“新工科”的教育理念[3]，希望全國高校深化工程教育改革，進(jìn)一步開展工科新學(xué)科研究和實踐活動，促進(jìn)工科新學(xué)科建設(shè)發(fā)展[4]，明確要求在工程技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)域，高校應(yīng)當(dāng)發(fā)揮主導(dǎo)作用，培養(yǎng)和造就一大批具有較強(qiáng)的創(chuàng)新能力、工程能力的復(fù)合型和高素質(zhì) “新工科”人才[5]，并提出，新工科建設(shè)對高等學(xué)校來說，其核心任務(wù)是研究學(xué)科領(lǐng)域?qū)W術(shù)、建設(shè)學(xué)科人才隊伍和培養(yǎng)專業(yè)人才3個方面，并指出為滿足當(dāng)前新工程的建設(shè)和行業(yè)的需求，學(xué)科人才隊伍建設(shè)是新工科建設(shè)的核心任務(wù)，因此，實施新工科建設(shè)任務(wù)，就要求教師對專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面進(jìn)行不斷改革創(chuàng)新，以培養(yǎng)適應(yīng)國家戰(zhàn)略和新經(jīng)濟(jì)需要的人才[6]。

化學(xué)工程與工藝專業(yè)人才培養(yǎng)方案以“面向21世紀(jì)‘化學(xué)工程與工藝’”要求為基礎(chǔ)，力求培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神，具備扎實基礎(chǔ)、較寬專業(yè)、綜合能力較強(qiáng)的高素質(zhì)化工專業(yè)人才[7]。根據(jù)教育部頒發(fā)的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹》，《化學(xué)反應(yīng)工程》屬于具備寬口徑的專業(yè)核心課程，也是“三傳一反”的核心課程之一，對于學(xué)生工程觀念的培養(yǎng)、工程分析能力的強(qiáng)化和工程實踐能力的發(fā)展具有十分重要的作用[8]，該課程涉及石油、材料、建材和環(huán)境等諸多領(lǐng)域的生產(chǎn)裝置和工藝技術(shù)規(guī)律等，是研究過程工業(yè)的多個專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，課程涉及物理化學(xué)、化工原理、化工傳遞過程、化工熱力學(xué)、化工單元操作和優(yōu)化與控制等多門課程的相關(guān)知識 [9]。《化學(xué)反應(yīng)工程》是對學(xué)生的工程能力培養(yǎng)非常重要的一門課程，任何一個化學(xué)反應(yīng)，要想從實驗室階段放大到工業(yè)生產(chǎn)，或者許多重要的化學(xué)工程問題，如設(shè)計工業(yè)反應(yīng)器等都離不開該門課程的指導(dǎo)[10]。因此，《化學(xué)反應(yīng)工程》課程建設(shè)對化工人才專業(yè)知識培養(yǎng)、工程分析能力的強(qiáng)化和工程實踐能力的發(fā)展和新工科建設(shè)的推進(jìn)中具有十分重要的作用，因此，在課程學(xué)習(xí)中，要求學(xué)生在掌握相關(guān)定量和設(shè)計計算等基本理論的基礎(chǔ)上，具備一定的工程思維、工程分析和解決工程實際問題的能力，但目前教師在授課過程中仍以課堂理論教學(xué)為主，導(dǎo)致《化學(xué)反應(yīng)工程》被認(rèn)為是大學(xué)中最難的課程之一，學(xué)生學(xué)習(xí)困難、學(xué)習(xí)效果差[11]，而且課程評價方式單一，主要以期末卷面成績?yōu)橹?，不能很好地體現(xiàn)學(xué)生的課程掌握程度和學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識解決實際問題的綜合能力 [12]。

在新工科建設(shè)和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的時代背景下，急需通過教學(xué)改革改善《化學(xué)反應(yīng)工程》教學(xué)過程中存在的問題，以提高課程教學(xué)效果，適應(yīng)新工科建設(shè)戰(zhàn)略要求 [13]。

1課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜，教學(xué)難度大

《化學(xué)反應(yīng)工程》課程內(nèi)容范圍廣，該課程主要研究化學(xué)反應(yīng)過程及設(shè)計工業(yè)反應(yīng)器等問題，學(xué)科交叉性強(qiáng)，教學(xué)難度大[14，15]，課程核心是反應(yīng)器類型、特點(diǎn)及適用范圍、反應(yīng)器內(nèi)流體的流動狀態(tài)、反應(yīng)器內(nèi)流體數(shù)學(xué)模型的建立及工程中反應(yīng)器設(shè)計計算等，內(nèi)容偏重數(shù)學(xué)模型、化工設(shè)備和工藝流程等工程實際方面的課程內(nèi)容，計算多、公式多、涉及學(xué)科多，涉及生產(chǎn)實際較多，難點(diǎn)多，非常復(fù)雜[16]。

本課程全部為理論授課，缺乏實踐教學(xué)，且由于本科生對實際化工反應(yīng)設(shè)備和生產(chǎn)過程比較陌生，很難將《化學(xué)反應(yīng)工程》課程中的專業(yè)理論知識和工業(yè)實際應(yīng)用進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，不利于培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力，無法滿足新工科建設(shè)的要求[15]。

《化學(xué)反應(yīng)工程》的課程特點(diǎn)使教學(xué)難度增加，采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法無法取得很好的教學(xué)效果[14]。因此，亟需對《化學(xué)反應(yīng)工程》進(jìn)行課程改革，以提高教學(xué)效果。

1.2 教學(xué)模式陳舊，教學(xué)效果差

根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案，按照化學(xué)工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)計劃和教學(xué)計劃，《化學(xué)反應(yīng)工程》一般在大三年級第一學(xué)期開設(shè)，但是經(jīng)過教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，由于課程內(nèi)容復(fù)雜，教學(xué)課時緊湊，而我?；I(yè)學(xué)生基礎(chǔ)較差，認(rèn)為《化學(xué)反應(yīng)工程》是非常難學(xué)的一門專業(yè)課，學(xué)習(xí)時普遍感到課程知識比較抽象、涉及的計算多、計算難，而且偏重數(shù)學(xué)模型、化工設(shè)備和反應(yīng)器等工程實際方面的課程內(nèi)容，使學(xué)生厭倦，感覺枯燥無味，缺乏學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動性[17]。傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師課堂理論授課為主，多采用多媒體教學(xué)和黑板書寫。雖然教師可以用一些圖片和動畫來演示反應(yīng)過程和反應(yīng)器設(shè)備結(jié)構(gòu)，但由于反應(yīng)器種類復(fù)雜，理論計算格式復(fù)雜，學(xué)生難以掌握課程知識，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性差，課堂互動性不高，缺乏有效培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新精神的環(huán)節(jié)，教學(xué)質(zhì)量難以保證[18]。因此，陳舊的教學(xué)模式已經(jīng)無法適應(yīng)新時期《化學(xué)反應(yīng)工程》課程的教學(xué)任務(wù)和新工科建設(shè)的要求[15]。

1.3考核模式單一

《化學(xué)反應(yīng)工程》大多采用平時和期末考核相結(jié)合的課程考核模式，其中平時考核主要包括學(xué)生考勤、課堂測試和課后作業(yè)等，這種方法雖然可以對學(xué)生的課程專業(yè)理論知識的掌握情況進(jìn)行基本的定量反映和評價，但缺乏對學(xué)生綜合能力的有效評價，不能很好體現(xiàn)學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識的能力[19]。

2 教學(xué)改革

2.1優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)國家“新工科”戰(zhàn)略和專業(yè)培養(yǎng)方案要求，為強(qiáng)化培養(yǎng)劇本專業(yè)工程綜合應(yīng)用能力的化工專業(yè)人才，采用朱炳辰先生主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》（第三版）為授課教材，以氣-液相、液-固相和氣-固相等反應(yīng)為主線，以反應(yīng)器設(shè)計為目標(biāo)，便于學(xué)生奠定解決工程問題的專業(yè)理論基礎(chǔ)和認(rèn)知多相反應(yīng)器，易于學(xué)生循序漸進(jìn)地對教材知識的理解和掌握[20];以李少芬版《反應(yīng)工程》作為知識補(bǔ)充，穿插聚合反應(yīng)工程、生化反應(yīng)工程、電《化學(xué)反應(yīng)工程》等領(lǐng)域的教學(xué)知識，拓展學(xué)生的課程知識[15]。

根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，除教材外，利用視聽演示、多媒體演示、學(xué)習(xí)通和慕課等開放教育資源、時刻關(guān)注學(xué)科前沿動態(tài)，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行豐富和優(yōu)化，拓寬學(xué)生的知識面。整個教學(xué)內(nèi)容分為3個部分：第一部分是引言，在教學(xué)過程中，組織學(xué)生討論廣西華林松香企業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，在潛移默化中讓學(xué)生了解《化學(xué)反應(yīng)工程》的課程任務(wù)、解決問題和采用方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性;第二部分的課程內(nèi)容是化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、反應(yīng)過程傳熱傳質(zhì)、反應(yīng)器熱穩(wěn)定性等基本原理、理論和研究方法，以反應(yīng)器放大時工程因素對反應(yīng)結(jié)果的影響為主線，為發(fā)展學(xué)生的工程思維奠定堅實的基礎(chǔ);第三部分授課內(nèi)容是不同反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的建立、設(shè)計反應(yīng)器、計算反應(yīng)器內(nèi)物料的流動形態(tài)和傳遞過程，這部分以工程分析為主，比較晦澀難懂，故利用網(wǎng)絡(luò)資源等教育資源，利用課堂智慧教學(xué)工具，尋找間歇罐反應(yīng)器、全混流等相應(yīng)反應(yīng)器的工程應(yīng)用實例反應(yīng)器、活塞流反應(yīng)器和反應(yīng)器內(nèi)部流體傳遞的動畫數(shù)據(jù)，讓學(xué)生掌握建立和設(shè)計反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的基本方法，深入了解反應(yīng)器內(nèi)物料流動對化學(xué)反應(yīng)的發(fā)展和放大的影響。

此外，根據(jù)新工程建設(shè)的要求，聚合反應(yīng)工程、生化反應(yīng)工程、新材料合成反應(yīng)工程、電《化學(xué)反應(yīng)工程》、超臨界反應(yīng)工程、微反應(yīng)工程、環(huán)境反應(yīng)工程等新技術(shù)及超重力反應(yīng)工程其他課程的前沿動態(tài)融入課程教學(xué)過程中;結(jié)合課程特點(diǎn)，將科研成果嵌入教學(xué)過程，豐富和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，拓展學(xué)生的課程知識，提升課程教學(xué)的深度和質(zhì)量[13]。

2.2 改革授課模式

《化學(xué)反應(yīng)工程》的很多知識點(diǎn)都是抽象的，難以理解，而傳統(tǒng)教學(xué)模式單一，教師主動發(fā)言，學(xué)生被動學(xué)習(xí)，師生互動不足，限制了學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用[16，17]。因此，為達(dá)到良好的教學(xué)效果，需要運(yùn)用種教學(xué)方法是提高課程教學(xué)質(zhì)量[14]。

采用教學(xué)課件與板書相結(jié)合的教學(xué)模式，教授課程的基本概念、原理和方程式，節(jié)奏容易控制，師生同步思考，采用問題導(dǎo)向的方法學(xué)習(xí)知識點(diǎn)對應(yīng)的工程問題。帶問題學(xué)習(xí)有助于學(xué)生在明確學(xué)習(xí)目標(biāo)的基礎(chǔ)上提高學(xué)習(xí)積極性; 動畫、視頻等方式展示反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流場、濃度、溫壓分布、流動現(xiàn)象、反應(yīng)器內(nèi)參數(shù)分布等;采用翻轉(zhuǎn)課堂對反應(yīng)器設(shè)計、操作與優(yōu)化等綜合性難點(diǎn)進(jìn)行課堂討論。例如，在講授第九章氣液固三相反應(yīng)工程時，將班級學(xué)生分成4組，通過查閱資料分別對三相反應(yīng)器如三相滴流反應(yīng)器、機(jī)械攪拌鼓泡懸浮式三相反應(yīng)器、鼓泡淤漿床反應(yīng)器和氣—液并流向上三相流化床反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)器特點(diǎn)、適用范圍及目前發(fā)展現(xiàn)狀和進(jìn)展總結(jié)歸納，突出學(xué)生主體地位，使其深入理解知識點(diǎn);采用案例教學(xué)訓(xùn)練各章重要知識點(diǎn)的綜合應(yīng)用，為培養(yǎng)學(xué)生工程思維和工程應(yīng)用能力[21]。從教師指導(dǎo)到學(xué)生學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化基本原理和基礎(chǔ)知識，加強(qiáng)反應(yīng)器設(shè)計計算等方面的相關(guān)練習(xí)。很多學(xué)生習(xí)慣了被動的學(xué)習(xí)方式，不愿意主動思考，因此，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主觀能動性對于教學(xué)質(zhì)量的提高非常重要。例如，在學(xué)習(xí)反應(yīng)器的內(nèi)容時，就以間歇罐式反應(yīng)器的設(shè)計為例進(jìn)行討論，討論包括如何計算反應(yīng)器的體積、如何確定反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和材料、如何計算反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率，以及如何確定反應(yīng)器的最佳運(yùn)行條件等。首先，將班級分成若干小組，全班討論由教師主持，各組派代表宣布確定小組設(shè)計方案的過程，并接受其他組學(xué)生和教師的提問;其次，教師對每組學(xué)生的設(shè)計成果和演講進(jìn)行一一復(fù)盤和點(diǎn)評，評價學(xué)生設(shè)計方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并教會學(xué)生從不同的角度和方法去探索和解決實際問題;最后，小組討論了初步數(shù)據(jù)收集過程并分享了他們在文獻(xiàn)檢索方面的經(jīng)驗，學(xué)生經(jīng)過自己的積極思考和頭腦風(fēng)暴后得出結(jié)論，極大地激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣。

2.3 工程實踐能力培養(yǎng)

新工科建設(shè)要求高校對學(xué)生工程設(shè)計、工藝研發(fā)和解決工程技術(shù)問題的能力培養(yǎng)[22，23]。在《化學(xué)反應(yīng)工程》課程教學(xué)時，結(jié)合工程實例，從工程思維的角度來分析、解決企業(yè)生產(chǎn)中的實際問題，例如，在講解反應(yīng)器型式和操作方式對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響時，以平推流和全混流反應(yīng)器為例，假設(shè)平推流反應(yīng)器中進(jìn)行等溫一級反應(yīng)，出口轉(zhuǎn)化率為0.9，將該反應(yīng)移到一個等體積的全混流反應(yīng)器中進(jìn)行，且操作條件不變，討論出口轉(zhuǎn)化率的變化，通過計算，綜合比較兩種反應(yīng)器的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，從而使學(xué)生了解不同的反應(yīng)器特點(diǎn)。

另外，通過讓學(xué)生具有去相關(guān)企業(yè)見習(xí)，使學(xué)生對教材上設(shè)計的相關(guān)反應(yīng)器和工藝具備直觀的認(rèn)識。例如，在課講授到第五章固定床氣—固催化反應(yīng)過程時，可帶領(lǐng)學(xué)生去當(dāng)?shù)厝A林松香企業(yè)見習(xí)，了解了松香氫化車間的固定床氣—固催化反應(yīng)，不僅更加牢固地掌握了這類反應(yīng)器的特點(diǎn)，即催化劑位于反應(yīng)器底部，氣體從反應(yīng)器底部進(jìn)入反應(yīng)器與反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)，提高了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，訓(xùn)練學(xué)生將課程理論知識與生產(chǎn)實際有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生工程思維和工藝流程設(shè)計等方面的綜合能力。

2.4 完善考核方式

課程知識的掌握程度是讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識點(diǎn)進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)、突出學(xué)生的個性特征和個性化學(xué)習(xí)，不是簡單地停留在某個知識點(diǎn)的對錯上。針對目前考試成績是課程學(xué)習(xí)成果唯一量化的表現(xiàn)形式，評價學(xué)生的手段相對單一的現(xiàn)狀，對以期末考試成績?yōu)橹鞯膯我豢己四Ｊ竭M(jìn)行調(diào)整和改變，將平時成績的比重增加，多元化課程考核，除了課堂表現(xiàn)、課程作業(yè)等平時成績外，增加了翻轉(zhuǎn)課堂、課程知識相關(guān)前沿專題論文、見習(xí)報告、問題導(dǎo)向法和分組匯報等表現(xiàn)情況。

采用這種考核方式，將學(xué)生的課程參與度、查閱歸納文獻(xiàn)能力、生產(chǎn)見習(xí)能力、過程分析水平等方面的能力增加到課程考核內(nèi)容和范圍中，能夠有效地促進(jìn)教學(xué)效果，全面反映學(xué)生對課程的掌握情況和體現(xiàn)專業(yè)綜合能力。

3結(jié)語

“新工科”建設(shè)是國家為提高工科人才的層次與內(nèi)涵，增強(qiáng)工科人才的創(chuàng)新潛力和工程開發(fā)能力而推出的國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略?！痘瘜W(xué)反應(yīng)工程》作為化工專業(yè)專業(yè)核心課程，其課程的工程特點(diǎn)使其備受重視。突破現(xiàn)有教學(xué)方式，通過教學(xué)內(nèi)容豐富和優(yōu)化、增加課程工程實踐、改善課程考核方式等，提高了課程教學(xué)效果，使學(xué)生在掌握課程專業(yè)基礎(chǔ)知識的同時，也具備了一定的工程思維和分析能力。

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