化學反應工程教學改革在學科競賽中的應用探索

（上海工程技術大學化學化工學院 上海 201620）

引言

為了應對新一輪的科技、產業革命，教育部自2017年以來發布了“新工科”研究與實踐的一系列文件，旨在形成具有領跑全球、助推高等教育強國的工程教育模式。新工科人才培養模式，已成為教學改革中十分醒目的關鍵詞，例如人工智能、區塊鏈、云計算和一些傳統工科專業的改造等，這些都離不開數字化系統和多重計算機輔助軟件，這對工程類學科教學提出了新需求，進而推動工程教育領域的改革[1]。高校如何培養具備更高創新創業能力和跨界整合能力的新型化工類工程技術人才，是新時代教育學生的一大難題。將學科競賽與課程教學相結合無疑不是一種創新式的教學模式，符合新工科教學模式的要求。對于傳統的化工類工科專業來說，“新工科”可以指代在原生專業基礎上進行升級改造和變革，只要對其教學理念和教學內容進行變革，就可使得化工專業在新工科的背景下與時俱進、創新發展[2]。總而言之，與傳統工科相比，新工科更強調學科的實用性、交叉性和綜合性，較為注重電子控制、信息通訊、軟件設計等新興技術與傳統工業技術的緊密結合。化學反應工程課程主要以化工實際生產為對象，以低能耗、低物耗、高產率為目標，著重研究化學反應器的設計與分析，以實際工業生產中的化工過程操作為拓展，是化工類專業的重要核心課程。當前，新工科背景下化學反應工程課程的教學研究與改革，可以充分利用現有的教學體系，以“老瓶裝新酒”的方式在這個化工舊瓶子里慢慢添加進去一些新東西，久而久之，就會呈現出新的教學風氣。因此，為了將新工科背景下的數字化和軟件等高新技術與化學反應工程的課堂教學相互融合[3]，我們以化工學科類競賽為實踐途徑，結合課程教學內容，達到推進教學改革、提高學生工程實踐能力的目的。

1.化學反應工程課程教學內容改革

化學反應工程中的理論知識是化學工業生產過程的關鍵，主要側重反應動力學和反應器設計與分析兩個方面，目的是使學生掌握研究工業規模化學反應器中化學反應過程動力學（稱宏觀動力學）的方法和基本原理，掌握理想反應器的設計和分析，進一步以宏觀動力學和理想反應器為基礎，對工業反應裝置的結構設計、最優操作條件的確定及控制、模擬放大等進行研究，在學習過程中培養學生構思反應過程工藝和動手操作能力。本課程以化工熱力學、反應動力學、化工單元操作等課程作為基礎，最終得以發展，也就是化工中常說的“三傳一反”中的反應，是化學工業過程的心臟。在最近半個世紀，學者們通過大量的研究工作，從均相到非均相、從定態到非定態、從反應動力學到反應器等，都有著從實驗研究到通過計算機模擬的轉變，如今化學反應工程學科體系的形成，與數字化軟件有著密切的聯系[4-5]。傳統的化學反應工程課堂教學中，大多數學生對該課程的印象都是內容模塊較多，概念復雜抽象，計算繁瑣，同時難以掌握其核心內容。對于剛接觸專業知識的化工類學生來說，其專業背景不足，很難把所學到的理論知識與實際工業的反應流程相結合。在傳統的教學方法中，以課堂講解為主要教學方式、傳授課本上的理論知識為主要教學內容，這難免會使學生無法理解，或者只是了解皮毛，當遇到反應過程工藝設計、化工工業操作等實際問題時還是無從下手[6-7]。因此，要想順利的解決這些難題，激發學生的學習興趣，避免教學中的枯燥，讓學生能夠熟悉課程原理和反應器設計，應將教學方式從“授之以魚”轉變為“授之以漁”，將教學重點從傳授理論知識轉變為理論與實踐相結合，在授課過程中結合化工生產與發展實際，與課本知識相聯系，適當引入新技術內容，如“微反應器”“膜反應器”“反應蒸餾”“反應器中的湍流現象”“納米尺度反應過程的工程問題”等[8]，使學生在學習專業知識的同時了解學科的前沿理論與化學反應器的新進展，從而能夠更好的從工程分析的角度討論其重要工程概念，培養學生自我學習的能力[9]。

2.化學反應工程課程教學方法與手段改革

目前在眾多高校中，化學反應工程的課堂授課方法較簡單，授課教師可能缺乏化工實際生產經驗，照著書本傳授課程基本內容，對實際化工過程出現的問題不能夠進行關聯，課程內容相對枯燥，學生不能夠直觀地進行理解而導致課程教學效果一般。理論和實際的脫節使得學生的學習效率并不是很高，導致學生工程意識和創新能力不能夠得到質的提升。在此情況下，應該采取“方法論”的方式，結合教師的經驗累積，在授課過程中引入科研和化工生產案例，并對其工作原理和實際運轉過程中遇到的問題進行分析，并應用理論知識提出解決方案，不僅加深了學生對理論知識的理解，而且有利于培養學生應用所學知識的能力。還可以通過模擬化工過程的方式輔助教學[10]以及引入化工類學科競賽元素等方法和手段，這樣不但能充分調動學生學習的興趣提高學習的主動性，更重要的是使學生熟悉課程理論在實際中的應用，促進學生運用課程知識開展實踐，形成良好的“教”“學”互動循環，完善課程教學設計、教學改革、教學評價和反饋的持續改進機制。

(1)加強科研和化工生產案例分析在課程中的運用

化學反應工程課程教學團隊教師的研究主要側重在化工工藝、工業催化、化工設備等方向，教師們均具備化工企業工作的經驗。因此，在課程教學過程中，可以將較枯燥的反應工程基本原理與科研內容進行結合，例如，在講授獨立反應數時候，可以結合課題組研究的乙醇水蒸氣重整反應，根據給定的反應物和多種產物分布，讓學生來確定其獨立反應式。另一方面，利用教師的工程背景，在講授化工反應過程、化學反應器內容時，可以進行拓寬，直接引入化工生產案例[11]。例如在講授氣固相反應過程和反應器內容時，可以舉例硫酸生產的二氧化硫氧化工段，其反應工藝參數的設定與課程中的最優溫度實施和控制密切關聯。科研案例和化工生產案例運用到課程教學中，引導學生將課程理論知識應用于實踐中，加強了學生查閱文獻、分析和解決問題的能力，因而必將提高課程的教學效果，達到良好的“教”“學”互動。

(2)引入化工過程模擬手段，輔助課程教學

化學反應工程課程強調化學熱力學和動力學以及化工過程反應器的設計和操作穩定性，課程內容傳授的基本原理，但無法讓學生有直觀的認識。利用化工過程模擬軟件是實現理論和化工實際過程的重要手段[12]，能夠獲得在特定條件下的熱力學數據、動力學模擬、化學反應器結構以及化工操作流程，尤其是考慮到“三傳”影響下接近于化工真實場景的模擬過程，能有效降低復雜的推導和計算過程，使反應器設計和反應過程更具體，避免理論知識傳授的抽象化，有利于加深學生對課程內容的理解和掌握，有效提升課程教學效果。此外，當今各行業越來越重視信息化和計算機技術，作為傳統制造業的化工更應進行升級改造，因而在課程教學中突出化工過程模擬手段的重要性顯得尤為重要，是專業學生參與化工設計競賽、化工實驗競賽、“互聯網+”創新創業學科類競賽的必備技能，也是新一輪科學技術革命形勢下化工類專業學生對自身更高的專業素養要求。

(3)引入學科類競賽元素，推進課程實踐應用

在授課過程中引入大學生化工設計、“挑戰杯”“互聯網+”創新創業、大學生化工實驗等系列化工類學科競賽，這些競賽都能用到如化學反應原理、化學反應器設計與分析等課程相關內容，可以利用化工過程模擬手段來動態講解和展示，能夠很好地調動學生學習相關軟件的興趣，在很大程度上可以幫助學生理解課堂上學習到的理論。在化學反應工程教學中采用“以賽促教、以賽促學、教賽融合”的方法，從學科競賽中結合課堂所學，利用計算機軟件、計算機模擬等手段，推進課程實踐應用。

3.化學反應工程課程在化工設計競賽中的實踐

我們在化學反應工程教學中，除了采用了課堂教學與專業實驗教學、工程實習相結合等方式外，也將學科競賽引入課堂，通過對學生進行全面的創新能力訓練，完善了學生的課程知識體系。近三年來，本專業學生榮獲“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽全國一等獎、大學生化工設計競賽全國一等獎、互聯網+大學生創新創業大賽等各類學科類競賽省部級以上獎項近40項，專業課程在學科類競賽中有重要的理論支持作用。

全國大學生化工設計大賽可以培養學生的創新思維和工程技能，培養團隊協作精神，增強大學生的工程設計與實踐能力，化學反應工程這門課程在設計過程中起著十分關鍵的作用。通過競賽學生需要用到Aspen Plus、Matlab、Auto CAD等軟件[13-14]。對一個反應流程，在學生查閱文獻對流程進行利用Aspen Plus設計和搭建模型之后，反應器的設計變成了重點，對于反應器設計，我們關注的是選擇的反應器是否更合適，是否有創新點。在設計的過程中，對于反應器的類型、催化劑的類型、不同的流型以及反應器的內部參數等，都需要進行嚴格的控制。整個比賽中，學生需要將反應工程中的原理和性質運用于反應器的設計過程中。將平時的計算轉變為了軟件模塊的選擇。使得學生對反應器的認知更加形象化，有助于學生對反應過程的理解并激發學生對該課程的學習興趣。

以第十四屆化工設計大賽“為某大型化工企業設計一座分廠，以碳五烷烴為原料制備非燃料用途的化工產品”為例，在教學的過程中，其中的一個方案可以選擇將正戊烷通過異構化反應生成異戊烷，再生產發泡劑。在利用Aspen Plus軟件對流程模擬的過程中，異構化反應使用的是列管式固定床反應器，學生在實際搭建模型時，在優化之前，反應器的恒定溫度和壓力較高，模擬的配置中的管數，每根管子的長度以及管直徑不是很合理。在這種情況下經過校核后發現，經過反應器異戊烷的產物只有42%。解決這些問題，需考慮到以反應器為主體，精餾塔、換熱器等化工單元模塊和參數設置、工藝流程設計等問題。學生們在化學反應工程，化工原理等學科中將涉及到的知識進行查找，對以上參數進行了調整。在優化之后反應器異戊烷異物的產率提高了很多，改善效果顯著。通過學科競賽，將化工熱點問題與課堂教學相聯系，同時讓學生將各個學科的知識聯系在了一起，讓更多的計算機知識融入反應工程的課堂教學。

在化工設計競賽指導過程中，切實把化學反應工程的課程思政內容貫穿其中，強調新時代化工類學生應有的價值觀、社會責任感和職業道德。例如，在流程方案的選擇時，注重學術道德規范，尊重別人的成果，不能涉嫌抄襲和剽竊；在化學反應器設計與選型時，需要考慮法律法規、生命健康和安全環保等因素；在核算經濟成本和效益時，秉承誠實正直的品質，確保獲取數據的來源真實且可靠。因此，在課程教學中融合設計競賽內容，把看似和本課程毫無關聯的社會主義核心價值觀融入到課程中，實現了知識傳授與價值引領的有機統一，從而使學生增強化工專業的學習興趣，立足課程，培養踏實嚴謹、追求卓越、心系社會的優秀品質，成為新時代有擔當的高級工程技術人才。

4.結語

化學反應工程是一門重要的工程學科，學生在學習的過程中需要掌握各類反應器的工作原理以及一些相關的理論知識，同時也需要學會應用所學解決實際工業工程問題，培養自己動手操作的能力和獨立解決問題的能力。在化學反應工程課程改革中引入化工設計大賽等競賽新元素是一種新興的教學方式，不僅能夠使教學活動理論聯系實際，而且對培養學生的工程實踐能力和創新能力有較大幫助。在教學過程中積極發揮學科競賽的作用，對于提高化學反應工程的教學效果可以起到事半功倍的作用。將學科競賽引入傳統教學，一方面可以提高教師自身業務水平和道德修養，另一方面還提高了教學策略的運用水平。通過二者的結合，對教師本身的知識儲備也有不斷審視的作用。工程改變世界，行動創造未來。在新工科的背景下，傳統的教育方式已不能滿足新時代的需要。隨著工程實踐能力、創新能力、總體競爭力的提高，我們更應該注重學科交叉，更加注重學科競賽與教學相融合，更加注重計算機軟件在課堂中的作用，更加注重以學生為中心，強化實踐創新創業能力培養，使教學過程不再是簡單的傳授理論知識，而是訓練學生的思維方式、分析能力以及實踐能力，讓學生不僅有能力把所學的知識應用于解決現有的實際生活問題，還有能力學習新知識、新技術去解決未來發展過程中遇到的問題。新時代背景下，高校培養人才應該注重學生綜合能力和自主學習能力的提升，為了與時俱進，應該加快新教學體系的全面改革，將課堂內容與相關競賽或實際案例相結合，注重培養學生的職業道德和職業素養，全面發展學生。