基于工程認證背景的《化學反應工程》課程教學探索*

徐 英，王曉敏，吳春燕，翁艷英，蒙建成

(1.廣西民族師范學院化學與生物工程學院，廣西 崇左 532200; 2.廣西民族師范學院數(shù)理與電子信息工程學院，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和工程師資格國際互認。工程專業(yè)認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”建設向縱深發(fā)展，工程專業(yè)認證對于我國工程技術(shù)領域與國際接軌具有重要意義[2]。

《華盛頓協(xié)議》作為當前最具影響力的國際工程教育本科專業(yè)認證互認協(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)標準規(guī)定。教育部發(fā)布的《工程教育認證標準(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 《化學反應工程》課程現(xiàn)狀

《化學反應工程》作為化學工程與工藝專業(yè)的核心課程之一，兼具較強的專業(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反應的宏觀反應過程為研究對象，并以工程角度分析和設計反應裝置，是典型的通過自然科學的原理解釋、考察和處理工程實際問題的一門工程學科。它以應用理論和實驗研究開展化學工業(yè)反應過程的研究，從而進一步進行數(shù)學模擬分析，將理論知識結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，應用于化學反應工程分析與設計[5]。課程內(nèi)容涉及物理化學、化工原理、化工傳遞過程、化工熱力學和化工單元操作等多門課程[6]，要求學生在掌握基本理論的定量分析和設計計算等基礎上，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，《化學反應工程》被認為是大學課程中最難學的課程之一，學生學習困難、學習效果差[4]。

綜上，基于《化學反應工程》的課程特點，以及工程教育認證相關(guān)要求，對課程進行教學改革探索顯得非常必要，以適應當前發(fā)展要求。

2 教學改革措施

工程教育本科專業(yè)畢業(yè)生應具備解決實際工程問題的能力。《工程教育認證標準(2015)》對工程師專業(yè)能力和工程專業(yè)畢業(yè)生需要達到的專業(yè)和素質(zhì)，如工程知識、問題分析、設計/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、個人和團隊工作、溝通、項目管理和財務、終身學習等方面提出12條培養(yǎng)要求[8]。

在《化學反應工程》課程教學過程中，對照《工程教育認證標準(2015)》提出的學生畢業(yè)要求達成度，有意識地培養(yǎng)學生的工程分析和工程設計等能力。

2.1 改革教學方法，突出工程實踐教育

1)對照工程認證第1條要求，加強學生對工程原理和工程專業(yè)知識的掌握。

引導學生探索化學計量學、化學反應速率，進而探尋化學反應機理和動力學等相關(guān)知識，從而為設計和操作工業(yè)反應器奠定扎實的專業(yè)理論基礎；掌握化學反應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)反應器分類、特點、加料方式和實用范圍的學習，使學生了解反應器類型的選擇和組合方式，掌握工業(yè)反應器相關(guān)指標的評價和優(yōu)化方法。

2)對照工程認證第2條要求，培養(yǎng)學生在學習課程知識的同時進行復雜工程問題分析的能力。

在課程教學過程中引導學生掌握熱物性，如比熱CV、反應熱ΔH、平衡常數(shù)K、黏度μ等化學熱力學等的計算；熟悉反應機理，如速率方程、基元反應、傳質(zhì)與反應的控制步驟、活化能等相關(guān)化學動力學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)擴散和外擴散等，使學生明確溫度和濃度對化學反應和反應器中流體物料的影響；通過對不同反應器的學習，使學生了解和掌握不同工業(yè)反應器適用的化學反應范圍，培養(yǎng)學生運用專業(yè)知識解決實際問題的工程思維能力。

3)對照工程認證第3條要求，課程教學過程注重培養(yǎng)學生進行實驗設計、操作，以及對數(shù)據(jù)綜合分析和處理能力。

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

4)對照工程認證第4條要求，培養(yǎng)學生運用基于文獻研究的知識，開展復雜問題調(diào)查研究的能力。

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

5)對照工程認證第9條要求，培養(yǎng)學生個人和團隊協(xié)助能力。

如在講授氣液固三相反應工程時，將班級學生分成4組，通過查閱資料分別對三相反應器，如三相滴流反應器、機械攪拌鼓泡懸浮式三相反應器、鼓泡淤漿床反應器和氣-液并流向上三相流化床反應器，進行反應器特點、適用范圍及目前發(fā)展現(xiàn)狀和進展總結(jié)歸納，突出學生主體地位，各組講解完后同學互相提問，使其深入理解課程知識點，也培養(yǎng)了學生個人和團隊協(xié)助能力。

2.2 優(yōu)化教學內(nèi)容，重視工程知識

化學工程與工藝專業(yè)需要培養(yǎng)專業(yè)基礎厚、專業(yè)技術(shù)寬、專業(yè)能力強、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《化學反應工程》(第三版)為主講教材，以氣-液、氣-固和液-固等多相反應及反應器為主線，便于學生認知多相反應器，為解決工程問題奠定理論基礎。該教材內(nèi)容章節(jié)層次分明，易于學生理解。以李少芬主編的《反應工程》(第三版)為補充教材，穿插聚合反應工程、生化反應工程、電化學反應工程等領域的教學知識，拓展學生的課程知識[9]。

根據(jù)教學經(jīng)驗，結(jié)合教學內(nèi)容，除教材外，利用視聽演示、多媒體演示、學習通和慕課等開放教育資源，緊跟學科前沿，優(yōu)化和豐富教學內(nèi)容，拓寬學生的知識面。將課程的教學內(nèi)容劃分為三部分，首先是引言部分，在該部分的課堂教學中，以當?shù)仄髽I(yè)產(chǎn)品為例，從產(chǎn)品引入反應流程的討論，進而引導探討相關(guān)反應器和物料的特點，讓學生了解《化學反應工程》的課程任務、應用方法和研究對象，認識到課程在實際生產(chǎn)中的重要性，從而提高學生對于課程的學習積極性；第二部分教學內(nèi)容選取化學反應工程、化學反應動力學、反應過程傳熱傳質(zhì)、反應器熱穩(wěn)定性等基本原理和理論，授課時，對于反應結(jié)果的工程因素影響加以重點強調(diào)，促進學生對于化學反應器和化學反應過程等方面的專業(yè)理論知識的掌握；第三部分教學重點內(nèi)容選擇化學反應器設計及其數(shù)學模型和化學反應器內(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)絡資源等教育資源，利用智慧課堂教學工具，尋找間歇反應器、平推流反應器和全混流反應器等的工程應用實例；利用不同類型反應器內(nèi)部流體物料流動的動畫資料，使學生了解反應器類型、特點及其設計和整合優(yōu)化，深入了解反應器類型和反應器內(nèi)部物料傳遞對于特定化學反應的放大效應。

此外，根據(jù)新工程教育認證建設的要求，將超臨界反應工程、生化反應工程、聚合反應工程、微反應工程、電化學反應工程、新材料合成反應工程、環(huán)境反應工程、超重力反應工程等科技前沿動態(tài)融入課程教學過程中；結(jié)合課程特點，將科研成果嵌入教學過程，豐富和優(yōu)化教學內(nèi)容，拓展學生的課程知識，提升課程教學的深度和質(zhì)量[10]。

2.3 加強課程見習，培養(yǎng)工程實踐能力

工程教育認證要求高校對學生工程設計、工藝研發(fā)和解決工程技術(shù)問題的能力培養(yǎng)。在《化學反應工程》授課過程中，將知識點與工程實例有效結(jié)合，重點培養(yǎng)學生通過專業(yè)基礎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，在化學反應器類型、特點和物料流動及傳遞對于反應轉(zhuǎn)化率影響的內(nèi)容教學時，通過全混流和平推流反應器舉例，假設平推流反應器進行某一個等溫一級反應時反應器轉(zhuǎn)化率是0.9，將其中的反應器類型更換為相同體積的全混流反應器時，保持其他操作條件完全相同的狀況，讓學生計算并討論反應器出口的轉(zhuǎn)化率，并綜合比較兩種反應器的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，從而使學生了解不同的反應器特點。

另外，通過讓學生去相關(guān)企業(yè)見習，使學生對教材上設計的相關(guān)反應器和工藝具備直觀的認識。如課程講授到第五章固定床氣-固催化反應過程時，帶領學生去當?shù)厝A林松香企業(yè)見習，了解了松香氫化車間的固定床氣-固催化反應，不僅更加牢固地掌握了這類反應器的特點，即催化劑位于反應器底部，氣體從反應器底部進入反應器與反應物料進行反應，提高了學生對課程的學習興趣，訓練學生將課程理論知識與生產(chǎn)實際有機結(jié)合，重點培養(yǎng)學生將工程思維貫穿于工藝流程設計、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)

課程教學考核是檢驗學生對專業(yè)知識掌握和考察是否具備工程應用能力的直接手段，也是檢驗當前教學成果以及提高后續(xù)教學質(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生學習情況的考核方式，嘗試采用跟蹤考核體系進行綜合性考核[12]。為了綜合考察和體現(xiàn)學生在學習《化學反應工程》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行了探索。在期末考試的基礎上，還增加了翻轉(zhuǎn)課堂、課程知識相關(guān)前沿專題論文、見習報告、問題導向法和分組匯報表現(xiàn)等方面貫穿于整個學習過程中。在考察學生對所學理論知識掌握程度的基礎上，盡可能側(cè)重專業(yè)知識的理解能力的考核，重點加強學生通過所學專業(yè)基礎理論知識應用于工程實際問題的分析與解決能力的考核。同時考核學生專業(yè)基礎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”建設向縱深發(fā)展，工程專業(yè)認證對我國工程技術(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。《化學反應工程》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)有教學模式，通過突出工程實踐教育、優(yōu)化教學內(nèi)容、加強課程見習實踐和改善考核方式等方法，提高了課程教學效果，讓學生不僅學習到了課程理論基礎知識，更培養(yǎng)了其工程知識和工程素質(zhì)。