基于工程認(rèn)證背景的《化學(xué)反應(yīng)工程》課程教學(xué)探索*

徐 英，王曉敏，吳春燕，翁艷英，蒙建成

(1.廣西民族師范學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 崇左 532200; 2.廣西民族師范學(xué)院數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西 崇左 532200)

2016年6月，國際工程聯(lián)盟組織一致通過中國成為《華盛頓協(xié)議》第18個正式會員，工程教育國際多邊互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)。工程專業(yè)認(rèn)證已成為我國高等工程教育與世界接軌的有效途徑[1]。隨著我國發(fā)起的“一帶一路”建設(shè)向縱深發(fā)展，工程專業(yè)認(rèn)證對于我國工程技術(shù)領(lǐng)域與國際接軌具有重要意義[2]。

《華盛頓協(xié)議》作為當(dāng)前最具影響力的國際工程教育本科專業(yè)認(rèn)證互認(rèn)協(xié)議，規(guī)定了對工程師專業(yè)能力和工程專業(yè)畢業(yè)生需達(dá)到的相關(guān)要求，以及評價工程師職業(yè)能力和工程專業(yè)教育的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。教育部發(fā)布的《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)(2015)》，提出了12條工程教育本科專業(yè)基本的畢業(yè)要求[3]。

1 《化學(xué)反應(yīng)工程》課程現(xiàn)狀

《化學(xué)反應(yīng)工程》作為化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心課程之一，兼具較強(qiáng)的專業(yè)綜合性和工程實踐性[4]，課程以質(zhì)量、動量和熱量傳遞相互作用及化學(xué)反應(yīng)的宏觀反應(yīng)過程為研究對象，并以工程角度分析和設(shè)計反應(yīng)裝置，是典型的通過自然科學(xué)的原理解釋、考察和處理工程實際問題的一門工程學(xué)科。它以應(yīng)用理論和實驗研究開展化學(xué)工業(yè)反應(yīng)過程的研究，從而進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬分析，將理論知識結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)工程分析與設(shè)計[5]。課程內(nèi)容涉及物理化學(xué)、化工原理、化工傳遞過程、化工熱力學(xué)和化工單元操作等多門課程[6]，要求學(xué)生在掌握基本理論的定量分析和設(shè)計計算等基礎(chǔ)上，具備一定的工程分析、工程思維和解決實際工程問題的能力素養(yǎng)[7]。因此，《化學(xué)反應(yīng)工程》被認(rèn)為是大學(xué)課程中最難學(xué)的課程之一，學(xué)生學(xué)習(xí)困難、學(xué)習(xí)效果差[4]。

綜上，基于《化學(xué)反應(yīng)工程》的課程特點，以及工程教育認(rèn)證相關(guān)要求，對課程進(jìn)行教學(xué)改革探索顯得非常必要，以適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展要求。

2 教學(xué)改革措施

工程教育本科專業(yè)畢業(yè)生應(yīng)具備解決實際工程問題的能力?！豆こ探逃J(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)(2015)》對工程師專業(yè)能力和工程專業(yè)畢業(yè)生需要達(dá)到的專業(yè)和素質(zhì)，如工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、現(xiàn)代工具的使用、工程師和社會、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展、倫理、個人和團(tuán)隊工作、溝通、項目管理和財務(wù)、終身學(xué)習(xí)等方面提出12條培養(yǎng)要求[8]。

在《化學(xué)反應(yīng)工程》課程教學(xué)過程中，對照《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)(2015)》提出的學(xué)生畢業(yè)要求達(dá)成度，有意識地培養(yǎng)學(xué)生的工程分析和工程設(shè)計等能力。

2.1 改革教學(xué)方法，突出工程實踐教育

1)對照工程認(rèn)證第1條要求，加強(qiáng)學(xué)生對工程原理和工程專業(yè)知識的掌握。

引導(dǎo)學(xué)生探索化學(xué)計量學(xué)、化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而探尋化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和動力學(xué)等相關(guān)知識，從而為設(shè)計和操作工業(yè)反應(yīng)器奠定扎實的專業(yè)理論基礎(chǔ)；掌握化學(xué)反應(yīng)在不同尺度上的物料傳遞、動量傳遞和熱量傳遞的計算和求解；通過對工業(yè)反應(yīng)器分類、特點、加料方式和實用范圍的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解反應(yīng)器類型的選擇和組合方式，掌握工業(yè)反應(yīng)器相關(guān)指標(biāo)的評價和優(yōu)化方法。

2)對照工程認(rèn)證第2條要求，培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)課程知識的同時進(jìn)行復(fù)雜工程問題分析的能力。

在課程教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生掌握熱物性，如比熱CV、反應(yīng)熱ΔH、平衡常數(shù)K、黏度μ等化學(xué)熱力學(xué)等的計算；熟悉反應(yīng)機(jī)理，如速率方程、基元反應(yīng)、傳質(zhì)與反應(yīng)的控制步驟、活化能等相關(guān)化學(xué)動力學(xué)方面的工程理論和計算；通過對工程因素的分析，如返混、內(nèi)擴(kuò)散和外擴(kuò)散等，使學(xué)生明確溫度和濃度對化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器中流體物料的影響；通過對不同反應(yīng)器的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解和掌握不同工業(yè)反應(yīng)器適用的化學(xué)反應(yīng)范圍，培養(yǎng)學(xué)生運用專業(yè)知識解決實際問題的工程思維能力。

3)對照工程認(rèn)證第3條要求，課程教學(xué)過程注重培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行實驗設(shè)計、操作，以及對數(shù)據(jù)綜合分析和處理能力。

例如，學(xué)生通過實驗方案設(shè)計，在實驗中對反應(yīng)器中物料的停留時間進(jìn)行測定，在數(shù)據(jù)分析和處理中確定反應(yīng)器中流體的返混程度；進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)分析，明確內(nèi)外擴(kuò)散對反應(yīng)影響程度等，了解整個反應(yīng)歷程，從而理解并掌握化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)特征并建立相關(guān)動力學(xué)模型方程等，從多方面培養(yǎng)學(xué)生對于課程專業(yè)知識的實驗設(shè)計以及處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的能力。

4)對照工程認(rèn)證第4條要求，培養(yǎng)學(xué)生運用基于文獻(xiàn)研究的知識，開展復(fù)雜問題調(diào)查研究的能力。

在固定床氣-液相催化反應(yīng)工程章節(jié)的學(xué)習(xí)過程中，要求學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)，了解該類型反應(yīng)器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，討論催化反應(yīng)過程的一些新研究方向和實例，并根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)果，提交1篇相關(guān)綜述報告。

5)對照工程認(rèn)證第9條要求，培養(yǎng)學(xué)生個人和團(tuán)隊協(xié)助能力。

如在講授氣液固三相反應(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、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，各組講解完后同學(xué)互相提問，使其深入理解課程知識點，也培養(yǎng)了學(xué)生個人和團(tuán)隊協(xié)助能力。

2.2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，重視工程知識

化學(xué)工程與工藝專業(yè)需要培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)厚、專業(yè)技術(shù)寬、專業(yè)能力強(qiáng)、專業(yè)素質(zhì)高，具有工程創(chuàng)新精神的化工類專業(yè)人才，因此，采用朱炳辰主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》(第三版)為主講教材，以氣-液、氣-固和液-固等多相反應(yīng)及反應(yīng)器為主線，便于學(xué)生認(rèn)知多相反應(yīng)器，為解決工程問題奠定理論基礎(chǔ)。該教材內(nèi)容章節(jié)層次分明，易于學(xué)生理解。以李少芬主編的《反應(yīng)工程》(第三版)為補(bǔ)充教材，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[9]。

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，緊跟學(xué)科前沿，優(yōu)化和豐富教學(xué)內(nèi)容，拓寬學(xué)生的知識面。將課程的教學(xué)內(nèi)容劃分為三部分，首先是引言部分，在該部分的課堂教學(xué)中，以當(dāng)?shù)仄髽I(yè)產(chǎn)品為例，從產(chǎn)品引入反應(yīng)流程的討論，進(jìn)而引導(dǎo)探討相關(guān)反應(yīng)器和物料的特點，讓學(xué)生了解《化學(xué)反應(yīng)工程》的課程任務(wù)、應(yīng)用方法和研究對象，認(rèn)識到課程在實際生產(chǎn)中的重要性，從而提高學(xué)生對于課程的學(xué)習(xí)積極性；第二部分教學(xué)內(nèi)容選取化學(xué)反應(yīng)工程、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)定性等基本原理和理論，授課時，對于反應(yīng)結(jié)果的工程因素影響加以重點強(qiáng)調(diào)，促進(jìn)學(xué)生對于化學(xué)反應(yīng)器和化學(xué)反應(yīng)過程等方面的專業(yè)理論知識的掌握；第三部分教學(xué)重點內(nèi)容選擇化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計及其數(shù)學(xué)模型和化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)傳遞過程的影響等，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，利用智慧課堂教學(xué)工具，尋找間歇反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器等的工程應(yīng)用實例；利用不同類型反應(yīng)器內(nèi)部流體物料流動的動畫資料，使學(xué)生了解反應(yīng)器類型、特點及其設(shè)計和整合優(yōu)化，深入了解反應(yīng)器類型和反應(yīng)器內(nèi)部物料傳遞對于特定化學(xué)反應(yīng)的放大效應(yīng)。

此外，根據(jù)新工程教育認(rèn)證建設(shè)的要求，將超臨界反應(yīng)工程、生化反應(yīng)工程、聚合反應(yīng)工程、微反應(yīng)工程、電化學(xué)反應(yīng)工程、新材料合成反應(yīng)工程、環(huán)境反應(yīng)工程、超重力反應(yīng)工程等科技前沿動態(tài)融入課程教學(xué)過程中；結(jié)合課程特點，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[10]。

2.3 加強(qiáng)課程見習(xí)，培養(yǎng)工程實踐能力

工程教育認(rèn)證要求高校對學(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)。在《化學(xué)反應(yīng)工程》授課過程中，將知識點與工程實例有效結(jié)合，重點培養(yǎng)學(xué)生通過專業(yè)基礎(chǔ)知識分析和解決化工企業(yè)生產(chǎn)中的工程實際問題的能力。比如，在化學(xué)反應(yīng)器類型、特點和物料流動及傳遞對于反應(yīng)轉(zhuǎn)化率影響的內(nèi)容教學(xué)時，通過全混流和平推流反應(yīng)器舉例，假設(shè)平推流反應(yīng)器進(jìn)行某一個等溫一級反應(yīng)時反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率是0.9，將其中的反應(yīng)器類型更換為相同體積的全混流反應(yīng)器時，保持其他操作條件完全相同的狀況，讓學(xué)生計算并討論反應(yīng)器出口的轉(zhuǎn)化率，并綜合比較兩種反應(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。

另外，通過讓學(xué)生去相關(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。如課程講授到第五章固定床氣-固催化反應(yīng)過程時，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，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，重點培養(yǎng)學(xué)生將工程思維貫穿于工藝流程設(shè)計、工藝裝備研發(fā)和使用等全過程以解決工程實際技術(shù)問題的能力。

2.4 完善考核方式，注重體現(xiàn)工程素質(zhì)

課程教學(xué)考核是檢驗學(xué)生對專業(yè)知識掌握和考察是否具備工程應(yīng)用能力的直接手段，也是檢驗當(dāng)前教學(xué)成果以及提高后續(xù)教學(xué)質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)[11]。目前，一些高校已經(jīng)摒棄了單純以期末考試去評判學(xué)生學(xué)習(xí)情況的考核方式，嘗試采用跟蹤考核體系進(jìn)行綜合性考核[12]。為了綜合考察和體現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)《化學(xué)反應(yīng)工程》課程中的專業(yè)理論和工程素質(zhì)與能力，我們對課程考核方式進(jìn)行了探索。在期末考試的基礎(chǔ)上，還增加了翻轉(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)向法和分組匯報表現(xiàn)等方面貫穿于整個學(xué)習(xí)過程中。在考察學(xué)生對所學(xué)理論知識掌握程度的基礎(chǔ)上，盡可能側(cè)重專業(yè)知識的理解能力的考核，重點加強(qiáng)學(xué)生通過所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)理論知識應(yīng)用于工程實際問題的分析與解決能力的考核。同時考核學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)理論知識的掌握程度和所具備的分析解決工程實際問題等綜合能力。

3 結(jié)語

隨著我國高等工程教育的發(fā)展，以及我國發(fā)起的“一帶一路”建設(shè)向縱深發(fā)展，工程專業(yè)認(rèn)證對我國工程技術(shù)專業(yè)人才與國際接軌發(fā)揮著越來越重要的現(xiàn)實意義?！痘瘜W(xué)反應(yīng)工程》作為化工類專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，課程的工程特點使其備受重視。突破現(xiàn)有教學(xué)模式，通過突出工程實踐教育、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)課程見習(xí)實踐和改善考核方式等方法，提高了課程教學(xué)效果，讓學(xué)生不僅學(xué)習(xí)到了課程理論基礎(chǔ)知識，更培養(yǎng)了其工程知識和工程素質(zhì)。