問題導(dǎo)向聯(lián)合項目教學(xué)法在化學(xué)反應(yīng)工程課程中的應(yīng)用

［摘 要］采用“問題導(dǎo)向”和“基于項目的教與學(xué)”的方法，緊貼化學(xué)反應(yīng)工程課程各個知識點與化工實際生產(chǎn)的聯(lián)系，設(shè)計出難易適中、針對性強的工程項目。課堂教學(xué)采用問題導(dǎo)向的教學(xué)方法，側(cè)重基本原理及規(guī)律、公式等內(nèi)容和相關(guān)理論應(yīng)用實例的講授；課后通過工程項目實訓(xùn)來驗證和鞏固課堂上所學(xué)的理論知識。通過“做中學(xué)”和“學(xué)中做”相互促進(jìn)的規(guī)律，加深學(xué)生對理論知識的熟練應(yīng)用和工程實踐能力的提高。

［關(guān)鍵詞］問題導(dǎo)向 工程項目 化學(xué)反應(yīng)工程 教學(xué) 工程實踐能力

［中圖分類號］ Ｇ６４２ ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ Ａ ［文章編號］ 2095-3437（2013）01-0111-03

化學(xué)反應(yīng)工程作為我校化學(xué)工程與工藝類專業(yè)的主干課之一，在化工專業(yè)知識體系中起到了承上啟下的作用。化學(xué)反應(yīng)工程是一門工程特色較重的課程。長期以來，化學(xué)反應(yīng)工程主要采用以學(xué)科知識為經(jīng)緯構(gòu)建課程與教學(xué)體系，側(cè)重對公式的推導(dǎo)、原理結(jié)論的歸納，很少將原理、結(jié)論的實際工程問題介紹給學(xué)生，沒有教會學(xué)生處理工程問題的方法和技能，在一定程度上削弱甚至忽略了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。很多學(xué)生普遍反映本課程是“課堂能聽懂，聽后難做題”，在后續(xù)專業(yè)課程、畢業(yè)設(shè)計和化工設(shè)計大賽等環(huán)節(jié)上碰到化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計、工藝優(yōu)化等方面的專業(yè)性工程問題時感到無從下手。

如何把知識（學(xué)科知識）、能力（工程設(shè)計、應(yīng)用等能力）、社會（對學(xué)生工程項目設(shè)計和操作等能力的需求）融合起來，兼顧能力、學(xué)科知識和社會三方面的需要，代表了現(xiàn)代教學(xué)努力的方向。[1]本教研組采用問題導(dǎo)向法和項目教學(xué)法來組織化學(xué)反應(yīng)工程課程，將課堂組織的經(jīng)緯由過去單獨的學(xué)科知識一個維度，轉(zhuǎn)變?yōu)轫椖俊⒅R、能力相結(jié)合的三維架構(gòu)。[2]人才培養(yǎng)目標(biāo)也相應(yīng)地由知識考察、基礎(chǔ)掌握轉(zhuǎn)向了工程實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，取得了一定的成效。

一、以問題為導(dǎo)向的引導(dǎo)式教學(xué)

在授課過程中，針對課程涉及的抽象概念和知識點，提出學(xué)生比較感興趣的問題和化工實際生產(chǎn)中的實例，由此分析反應(yīng)工程課程中的相關(guān)理論知識，加深了學(xué)生對知識點的正確理解。

（一）將枯燥的理論與學(xué)生感興趣的問題相聯(lián)系

講反應(yīng)速率的定義時，以學(xué)生熟悉的人體內(nèi)葡萄糖完全轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)為例，根據(jù)反應(yīng)速率的基本概念計算人新陳代謝的速率。根據(jù)人在泡溫泉容易餓的生理現(xiàn)象，提出了溫度對新陳代謝反應(yīng)速率的影響問題，引出反應(yīng)速率常數(shù)的概念。在講解阿累尼烏斯公式時，以人體中某種酶的催化反應(yīng)為例，計算人在37℃正常體溫和40℃發(fā)燒時的反應(yīng)速率，讓學(xué)生理解速率常數(shù)和溫度的關(guān)系。

講解利用軸向擴散模型計算不同開、閉式邊界條件的方差及貝克萊數(shù)Pe知識點時，提出開式條件下河水污染預(yù)測模型中的返混問題，增強了學(xué)生對軸向擴散模型應(yīng)用范圍的了解。講解自催化反應(yīng)時，提到工業(yè)上的發(fā)酵過程中，發(fā)酵產(chǎn)物會對反應(yīng)起到催化作用，實際就是一個自催化反應(yīng)，拓展了大家對催化劑概念和自催化反應(yīng)的認(rèn)識。根據(jù)學(xué)生熟悉的化工原理課程中學(xué)到的物理吸收的雙膜理論，提出氣液兩相反應(yīng)組分在氣膜和液膜內(nèi)的濃度梯度變化、化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生的區(qū)域等問題。

（二）將具體的理論與實際生產(chǎn)問題相聯(lián)系

化學(xué)反應(yīng)工程課程具有理論抽象、設(shè)計過程復(fù)雜繁瑣、實踐和應(yīng)用性強的特點，學(xué)生普遍感到課堂教學(xué)內(nèi)容與生產(chǎn)實際相脫節(jié)。因此，在課堂教學(xué)中，應(yīng)盡量列舉一些與講授的主要知識點密切聯(lián)系的生產(chǎn)實例，并對其進(jìn)行講解和分析，這樣有助于學(xué)生形成從工程角度來思考問題、解決問題的思維模式。

講解完幾種常見流動模型的停留時間分布之后，向?qū)W生介紹文獻(xiàn)報道的相關(guān)應(yīng)用實例。如：北京燕山石油化工有限公司間二甲苯氧化反應(yīng)器進(jìn)行冷模實驗時，采用示蹤響應(yīng)法測定通氣條件下液相停留時間分布的數(shù)據(jù)；[4]或者帶有機械攪拌裝置的新型管式反應(yīng)器內(nèi)，流體在不同攪拌轉(zhuǎn)速、不同流量下停留的時間分布曲線，[5]讓學(xué)生分析討論反應(yīng)器內(nèi)的流動狀況、短路、溝流、死區(qū)、反應(yīng)器攪拌方式等問題。采用由淺入深，循循善誘的方式，逐漸將停留時間分布及非理想流動的計算等理論引申到實際的應(yīng)用中。

講解反應(yīng)器熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性時，向?qū)W生介紹化工企業(yè)因為反應(yīng)失控造成的爆炸事故：如2007年5月中國石化集團公司滄州大化甲苯二異氰酸酯車間酸酯化操作的爆炸事件、2008年9月遼陽市發(fā)生的年生產(chǎn)200噸的硝酸異辛酯生產(chǎn)線爆炸事件，由此展開化學(xué)反應(yīng)器熱穩(wěn)定性的分析，并組織討論預(yù)防反應(yīng)失控、維持全混流反應(yīng)器熱穩(wěn)定性的措施。整個教學(xué)過程學(xué)生十分投入。

根據(jù)課程學(xué)時量的情況，適當(dāng)?shù)亟o學(xué)生介紹幾種典型的化工生產(chǎn)過程，如氨合成、SO2催化氧化、石油化工的催化裂化、天然氣為原料生產(chǎn)合成氣等，讓學(xué)生結(jié)合理論知識，分析這些典型的化工反應(yīng)過程的特點、反應(yīng)器類型、操作方式、最佳操作條件等，了解如何利用理論知識來指導(dǎo)化工實際的生產(chǎn)過程。

二、以項目能力為依托的實戰(zhàn)式教學(xué)

盡管課堂教學(xué)中可以講解與授課內(nèi)容密切相關(guān)的生產(chǎn)實例，用以培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，不過由于課程學(xué)時的限制，加之所舉的生產(chǎn)實例僅僅針對課堂上的有關(guān)知識點，學(xué)生難以形成系統(tǒng)全面的知識體系。為了更好地培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際工程問題的能力，我們將課程的主要知識點，結(jié)合學(xué)生的課外科技活動、畢業(yè)論文、老師的科研課題、實際生產(chǎn)及最新的學(xué)術(shù)報道等內(nèi)容，篩選和提煉出若干難易程度適中、適合課程內(nèi)容的工程項目。學(xué)生在參與項目的過程中，通過親身體驗提高自身的工程實踐能力。項目具體實施的步驟如圖1所示。

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圖1 基于項目教學(xué)的實施方法和步驟

項目實施的具體措施為：學(xué)生根據(jù)自身專長和愛好選定不同的工程項目，負(fù)責(zé)同一個項目的同學(xué)被分為一組，每組共3～5名學(xué)生。選出一名組長，由組長組織本小組成員開展項目的實施工作。小組成員在查閱資料的基礎(chǔ)上，集思廣益、互相合作，提出各自的設(shè)計方案并分析原因。由小組長組織全小組討論，吸取本小組每一個成員方案的長處，避其短處，形成本小組的最優(yōu)設(shè)計方案，并按照項目的要求，對項目的其他任務(wù)進(jìn)行分層次展開。在規(guī)定時間組織各個小組統(tǒng)一答辯，在教師的指導(dǎo)下完善項目的實施方法。課后每個學(xué)生負(fù)責(zé)向任何5個同學(xué)講解自己所負(fù)責(zé)項目的解題思路及方法，同時也要向別的同學(xué)請教5個以上項目的解題方法，并且填寫反饋表。根據(jù)學(xué)生反饋的信息，指導(dǎo)教師再針對各個項目的普遍問題進(jìn)行集中解答。在項目實施過程中，按照“學(xué)中做”和“做中學(xué)”相互促進(jìn)的關(guān)系，使學(xué)生掌握相關(guān)課程知識點之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生解決工業(yè)開發(fā)、優(yōu)化反應(yīng)工藝及過程條件的綜合性問題的能力。

部分化學(xué)反應(yīng)工程項目的名稱如下：

（1） 順丁烯二酸酐酯化反應(yīng)定態(tài)操作點及反應(yīng)器內(nèi)流動狀況研究；（工廠實例）

（2） 年產(chǎn)4000噸的水性聚氨酯膠粘劑工程設(shè)計；（化工設(shè)計大賽題目）

（3） 年產(chǎn)5000噸氯乙酸創(chuàng)業(yè)項目；（學(xué)生挑戰(zhàn)杯項目）

（4） 金屬氮化物催化劑上氨分解反應(yīng)動力學(xué)及反應(yīng)機理研究；（學(xué)生創(chuàng)新性實驗）

（5） 年產(chǎn)3萬噸順丁烯二己酸己酯項目設(shè)計；（畢業(yè)設(shè)計題目）

（6） 四氯乙烷分解反應(yīng)動力學(xué)的確定及催化劑中毒研究；（教師科研課題）

……

三、各個層面上需遵循的原則

在系統(tǒng)地講解理論課程的同時，以問題為導(dǎo)向，以工程項目的設(shè)計為載體，以培養(yǎng)工程實踐能力為主要目標(biāo)，并在三個層面上遵循以下原則：

（1）在教師（設(shè)計者）層面上，教學(xué)中需堅持“設(shè)計—引導(dǎo)—改進(jìn)—總結(jié)”的漸近式原則。課堂教學(xué)盡可能引入最新的科研成果或現(xiàn)場的實例，同時根據(jù)課程內(nèi)容中的知識點，精心設(shè)計統(tǒng)領(lǐng)教材的實施項目。按照教材的各章節(jié)的內(nèi)在聯(lián)系，將項目分解成若干子項目，引導(dǎo)學(xué)生按章節(jié)順序展開項目的實施，并給予鼓勵、指導(dǎo)和技術(shù)支持。及時監(jiān)控教學(xué)質(zhì)量和效果，對整個學(xué)期的教學(xué)內(nèi)容、授課次序、教學(xué)手段和方法進(jìn)行有效的改進(jìn)；總結(jié)來自學(xué)校督導(dǎo)組、教師及學(xué)生的反饋信息，有目的地對教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行調(diào)整。

（2）在學(xué)生（參與者）層面上，強調(diào)“參與—協(xié)作—提高—影響”的體驗式原則。鼓勵全部學(xué)生參與教師指定的項目，通過互聯(lián)網(wǎng)、圖書館及知名專家教授等途徑來搜集資料。項目的實施過程中，小組內(nèi)充分發(fā)揮個人的特長，在規(guī)定時間內(nèi)展開構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運行，將學(xué)習(xí)從課堂延伸到圖書館、網(wǎng)絡(luò)、實驗室和工程現(xiàn)場，加深學(xué)生對理論知識的理解，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，提高其工程思維能力和團隊協(xié)作意識，進(jìn)而影響其后續(xù)的課程學(xué)習(xí)及能力培養(yǎng)。

（3）從內(nèi)容（實施對象）層面上，實現(xiàn)“本課程—相關(guān)學(xué)科—課外科技活動—畢業(yè)設(shè)計”多節(jié)點有效銜接的原則。以多個化學(xué)反應(yīng)工程相關(guān)項目的設(shè)計為切入點，進(jìn)行均相、非均相、間歇及連續(xù)反應(yīng)器的設(shè)計，開發(fā)具有一定深度和廣度的實施項目。項目內(nèi)容須融合化學(xué)反應(yīng)工程的理論知識、相關(guān)課程、課外科技活動、畢業(yè)設(shè)計及化工生產(chǎn)實際問題，涉及反應(yīng)器的設(shè)計、運行及最佳工藝的確定，主要反應(yīng)設(shè)備的設(shè)計、化工過程和設(shè)備的物料參數(shù)（如溫度、壓力、流量等）及控制指標(biāo)的確定等問題。同時教學(xué)中須充分融合國內(nèi)外相關(guān)科學(xué)研究已取得的進(jìn)展和成果，將最新的科學(xué)研究成果充實到教學(xué)內(nèi)容里，實現(xiàn)理論知識和實際應(yīng)用的有效銜接。

四、總結(jié)

化學(xué)反應(yīng)工程課程強調(diào)“問題導(dǎo)向教學(xué)”、“基于項目的教與學(xué)”的原則，將學(xué)生感興趣的問題、生產(chǎn)實際的問題，以及融合學(xué)生課外科技活動、畢業(yè)設(shè)計、教師科研、實際生產(chǎn)及最新學(xué)術(shù)報道等內(nèi)容的若干工程項目，分別通過課堂教學(xué)和課后實訓(xùn)的途徑展開。近三年，本專業(yè)學(xué)生有近80%參與了化工設(shè)計大賽、創(chuàng)業(yè)大賽、挑戰(zhàn)杯、創(chuàng)新性實驗等各級各類的科研活動，在“挑戰(zhàn)杯”等各種競賽中獲國家級一等獎1項、省級特等獎等共16項，累計承擔(dān)省級大學(xué)生創(chuàng)新性實驗20余項，學(xué)生發(fā)表科研論文10余篇。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

［1］ 羅高涌，張瑾.基于CDIO模式的校企合作辦學(xué)的工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究［J］.高教探索，2011，（5）：71-75.

［2］ 王麗霞，于建軍. 困境與走向：對我國工程教育現(xiàn)存問題的反思［J］.現(xiàn)代教育科學(xué)， 2011，（6）：114-115.

［3］ 皇甫功凱，李偉，肖文德，朱良，王艦輪.間二甲苯氧化反應(yīng)器通氣條件液相停留時間分布的測定［J］.石油化工，２005，（6）：565-568.

［4］ 趙秋月，張延安，曹曉暢，蔣孝麗.帶攪拌裝置的管式反應(yīng)器停留時間分布曲線［Ｊ］.東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，（2）：206-208.

［責(zé)任編輯：羅 艷］