新工科背景下《化學反應工程》課程教學改革與實踐

＊田海鋒 查飛 郭效軍 唐小華

（西北師范大學化學化工學院 甘肅 730070）

1.前言

當化學反應工程的研究范疇和方法論在1957年第一屆相關學術會議上確定以后，隨著相應教材的逐漸出版，該門課程也正式進入高等教育化工類專業的課堂[1-2]，并逐漸成為化工類專業的核心科目。然而因化學反應工程包含了高等數學，化工原理，物理化學，化工熱力學等交叉領域區間，使該門課程學習難度較大[3]。Spady于1981年提出的成果導向教育（Outcome Based Education，簡稱OBE）之后，得到了美國工程教育認證協會（A-BET）的全面接受，并成為了歐美各國教育教學改革理念[4]。我國教育部于2006年啟動了工程教育認證，并于2013年和2016年相繼成為《華盛頓協議》的預備成員和正式成員。為了應對新工科背景下的一系列挑戰，我國教育部于2010年2018年相繼啟動了卓越工程師計劃1.0和六卓越、一拔尖人才培養計劃（卓越工程師計劃2.0）。我國高等工程教育依次經歷了起步探索期、快速發展期、調整優化期、創新發展期以及現階段的新工科期。在新工科的背景之下，怎樣才能更好的培養化工相關專業學生的科學思維、反應器的開發以及工程設計能力，使學生真正獲得應用于實踐的能力，值得每一位化工教育者去深思。而化學反應工程則是以化學反應動力學和反應器的設計與優化為教學主線，側重于傳授最基本的研究方法，培養學生工程意識。因此，我們必須更加重視化學反應工程這門課的教學改革與實踐。

本文圍繞我校目前在化學反應工程教學過程中存在的主要問題以及筆者近年來的教學實踐，就如何強化教師知識儲備構建新型化學反應工程課程模塊，加強實踐（實驗）與理論教學相融合以及改革考核方式與各位學者進行積極交流，以期對提升化學反應工程教學效果具有積極的促進作用。

2.教學現狀及問題分析

自我校于1995年首批招收化學工程與工藝專業本科生以來，本著培養具有高素質的化工類人才的目的，各位老師不斷嘗試更新教學方法，潛心教書育人，各門課程的教學均取得了長足發展，且積累了寶貴的教學經驗。但在以新技術、新模式和新業態為特征的新工科背景之下，目前我校在化學反應工程教學中仍存在以下三個方面的主要問題：①培養方案和教學大綱中并未突出工程教育，教師在授課過程中仍側重理論教學，授課內容往往忽視了工廠的實際應用。再加之本門課程涉及大量高等數學、物理化學、化工原理等課程中的知識，且研究對象是復雜的生產過程[5]，研究方法多為數學模型研究和實驗研究，難度相對較大，而學生此時往往缺少對化工系統過程及相關設備的了解，所以該課程的學習對剛接觸工程學科的學生來講是一個挑戰。長此以往，最終導致學生對專業缺少學習興趣、學習動力不足[6-7]。②課堂教學存在學生主體地位缺乏、課堂互動參與度不高、工程實踐能力和創新精神培養不足的問題，從而造成“教”與“學”的分離。授課老師受化學反應工程傳統教育思維模式的影響，在授課過程中主要側重于知識點以及解題方法與技巧的傳授，仍認為學生對化學反應工程的學習過程是信息的簡單積累與加工[8]，忽視了對學生實踐應用能力與創新能力的培養，使學生主動探索學習過程（發現問題、分析問題和解決問題）存在缺陷。③課程考核模式單一，基本取決于期末卷面成績的高低，學生綜合能力沒有得到有效鍛煉和提升。

3.課程教學改革實踐探索

(1)強化教師知識儲備，創新構建化學反應工程課程模塊

在新工科背景之下，要達到良好的教學效果，離不開師生的共同努力，且對授課老師提出了更高的要求。首先，授課老師必須具有一定的工程背景，且能夠精準把握住每堂課的教學重點和難點，充分發揮自身的創造性以設計教學內容，做到主線明確，邏輯順暢，重點突出，引導學生積極思考。目前全國各大院校的授課方式基本都以PPT的展示和講解為主，我們不妨做個假設，如果沒有了PPT的輔助，有多少老師能夠順利使用板書完成授課，且能做到相同的效果，又有多少老師在每年上課之前對所授課程PPT的內容更新10%～20%。這就要求每位老師首先必須對自己所教授的課程了然于胸，不斷了解課程體系的前沿發展，優化課程結構，然后再借助于慕課、精品課程等網站和雨課堂、課堂派等手機APP軟件進行輔助教學，改善單一的板書加課件的授課模式。化學反應工程的教學內容則是在三傳一反基礎上，強化數學模型構建能力，掌握化學反應動力學和反應器的設計與優化，培養學生的工程思維能力。結合課程學習目的及預期成果需求，課程設置了以動力學方程、反應器選型與設計、反應器操作與分析及催化劑應用為主體的四大模塊[10]（圖1）。它們彼此之間看似相互獨立，實則相輔相成，缺一不可。例如反應動力學是反應器選型與設計的基礎，根據反應過程基本特征和工藝要求，進行反應器設計選型，根據反應過程與流體力學、熱量、質量傳遞過程的宏觀動力學，計算反應器的結構尺寸，以及計算影響溫度分布、流動狀況的結構特征和尺寸。而要深入理解某一催化反應過程（催化劑的制備、表征、失活原因和再生方法），則必須研究該催化反應的本征動力學和宏觀動力學。

圖1 化學反應工程課程模塊

(2)加強實驗教學，提高學習興趣

化學反應工程是一門理論與實踐兼備的課程，因此必須加強實驗的介入和學生的實訓能力，可在一定程度上降低該課程的枯燥感，提高學生的學習興趣。雖然我校目前已開設了填料塔軸向混合特性的測定、串聯流動反應器停留時間分布實驗、雙驅動攪拌器測定氣液傳質系數等多個與化學反應工程相關的實驗，但仍不能滿足教學需求。因此在教學過程中針對難度較大的章節，筆者根據自己研究室的條件和研究課題，自主設計了相應的實驗。例如在講授氣固催化反應本征及宏觀動力學章節中的內擴散有效因子等內容時，設計了介孔H[P,Al]-ZSM-5分子篩上的苯甲醇自醚化反應，學生通過課余時間參與到具體實驗之中，不僅理解了反應效率因子和西勒（Thiele）模數的含義和彼此的相互關系，掌握了其實驗測定辦法，還可認識整個液固催化反應的擴散過程，了解催化劑的一些具體表征方法（N2等溫吸脫附實驗測定催化劑的比表面積和孔體積、NH3程序升溫脫附測定催化劑的酸性中心強度和濃度、吡啶紅外實驗測定催化劑的酸性類別等等）做到了教學與科研的相互促進，具體實驗和數據分析過程如文獻所示[10]。在講授固定床氣-固相催化反應工程和流化床反應工程等章節時，將學生帶入實驗室對照真正反應器，將兩章的內容串聯起來進行講解，在講授過程中適當引入筆者在反應器開發過程中遇到的困難和解決辦法，使同學們身臨其境，在提升同學們對專業知識理解的同時，增加了學習的興趣。引入仿真實驗教學，深化理論知識和過程模擬，為參加化工實驗大賽（實驗仿真模塊）打好基礎。但這僅限于校內的基礎科研實驗裝置，而這些裝置仍然與工業化生產所用反應器、物料和熱量的傳輸方式存在較大差異，因此我們必須聯合企業建立相應的實訓基地。在兄弟院校（蘭州理工大學、西北民族大學等）的支持下，我校已和甘肅金昌化學工業集團有限公司建立了化工實訓基地，我校2017級和2018級化工專業學生均在該基地完成了認識實習和生產實習，對化學反應工程的學習起到了良好的促進左右。做大做強實訓基地的建設，也將成為我們的一個主要奮斗目標。目前該實訓基地已榮獲全國石油和化工行業大學生實習師范基地。

(3)注重過程考核，使考核主體多元化

緊密結合我校（西北師范大學）本科教學100條以及課堂教學五個延伸環節的教改措施和《化學反應工程》課程性質，在本課程考核過程中將過程性和終結性評價相結合，實行多元化的考核模型（表1），將期末考試、平時作業、期中測驗、課后討論和課前預習緊密結合在一起，使考核主體更加多元化和考核成績更加真實。通過過程考核也可強化平時知識的積累，達到真實的學習目標。自實施多元化考核以來，學生不僅在課堂上的參與度明顯提高，而且在課間休息過程中也會和老師積極互動，咨詢一些問題（例如某一習題的解答、某一公式的具體推到過程等等）。一些性格略顯靦腆的學生也會積極的通過網絡平臺（微信、QQ等）向老師咨詢相應的課程學習，有時還會聊一些生活上的事情，增進了師生關系。實踐表明，利用課前5分鐘進行測驗，能有效的幫助學生對上節所學內容的溫習與鞏固；每章一次APP測驗，能有效的鞏固所學知識，教師也能及時掌握學生學習狀態，分析知識的薄弱環節，及時調整授課方法及輔導側重點。通過網絡教學視頻進行預習，能加快學生對抽象概念、模型的理解進度，節省課堂時間。通過其中測試，可強化學生在學習過程中的階段性總結意識。自多元化考核實施以來，學生期末考試的卷面成績也得到了明顯提高，更能夠有效地促進該課程的教學效果。

表1 多元化考核模型的構成

(4)以賽促學，增強學生的團隊意識和集體榮譽感

在我校高舉師范教育大旗背景的影響之下，化工專業歷來重視對學生的培養工作，積極鼓勵本專業（化學工程與工藝）學生參加各類專業競賽。以全國大學生化工設計競賽為例，首先在全校范圍內發起參賽倡議，由學生自由組隊（五人一組），并由專業老師進行參賽作品設計的指導，待作品設計完成之后，邀請相關專家作為校級評委，進行公開答辯，對每個作品進行指導，推薦優秀作品參加甘肅省和西北賽區大學生化工設計比賽。同時在我校查飛教授和蘭州理工大學各位同仁的倡議下，成立了甘肅省化工設計大賽委員會，第一屆甘肅省化工設計大賽已在西北民族大學順利落下帷幕，并在我省取得了良好的聲譽，已形成校賽—省賽—西北區賽—全國決賽的模式。我校學生歷年來均在全國大學生化工設計競賽中取得了優異的成績。同時也組織學生積極參與全國化工實驗大賽，三創（創新、創意及創業）大賽，挑戰杯等比賽，并取得全國化工實驗大賽一等獎，三創賽全國金獎等優異成績。通過參加各種比賽，提高了同學們對所學專業知識的綜合運用能力，擴展了知識面，增長了見識，使他們能夠站在更大的舞臺同來自全國各地的優秀學子進行競爭，增強學生的團隊意識和集體榮譽感。

4.結論

以“OBE教育理念”為指導，新工程背景下《化學反應工程》課程教學改革與實踐仍在持續進行。雖然采取了一系列的改革措施，教學效果也得到了相應的改善，但在培養學生工程素養方面仍存在不足，同時老師的工程經驗也有待進一步加強。因此學校和學院應給予相應的經費支持，鼓勵老師利用節假日，寒暑假深入到相關企業開展實踐研修，系統了解化工生產過程，掌握更新，更細的反應器設計知識，將所見、所學的技能帶回課堂，傳授給學生。