新工科背景下《化学反应工程》课程教学改革与实践

＊田海锋 查飞 郭效军 唐小华

（西北师范大学化学化工学院 甘肃 730070）

1.前言

当化学反应工程的研究范畴和方法论在1957年第一届相关学术会议上确定以后，随着相应教材的逐渐出版，该门课程也正式进入高等教育化工类专业的课堂[1-2]，并逐渐成为化工类专业的核心科目。然而因化学反应工程包含了高等数学，化工原理，物理化学，化工热力学等交叉领域区间，使该门课程学习难度较大[3]。Spady于1981年提出的成果导向教育（Outcome Based Education，简称OBE）之后，得到了美国工程教育认证协会（A-BET）的全面接受，并成为了欧美各国教育教学改革理念[4]。我国教育部于2006年启动了工程教育认证，并于2013年和2016年相继成为《华盛顿协议》的预备成员和正式成员。为了应对新工科背景下的一系列挑战，我国教育部于2010年2018年相继启动了卓越工程师计划1.0和六卓越、一拔尖人才培养计划（卓越工程师计划2.0）。我国高等工程教育依次经历了起步探索期、快速发展期、调整优化期、创新发展期以及现阶段的新工科期。在新工科的背景之下，怎样才能更好的培养化工相关专业学生的科学思维、反应器的开发以及工程设计能力，使学生真正获得应用于实践的能力，值得每一位化工教育者去深思。而化学反应工程则是以化学反应动力学和反应器的设计与优化为教学主线，侧重于传授最基本的研究方法，培养学生工程意识。因此，我们必须更加重视化学反应工程这门课的教学改革与实践。

本文围绕我校目前在化学反应工程教学过程中存在的主要问题以及笔者近年来的教学实践，就如何强化教师知识储备构建新型化学反应工程课程模块，加强实践（实验）与理论教学相融合以及改革考核方式与各位学者进行积极交流，以期对提升化学反应工程教学效果具有积极的促进作用。

2.教学现状及问题分析

自我校于1995年首批招收化学工程与工艺专业本科生以来，本着培养具有高素质的化工类人才的目的，各位老师不断尝试更新教学方法，潜心教书育人，各门课程的教学均取得了长足发展，且积累了宝贵的教学经验。但在以新技术、新模式和新业态为特征的新工科背景之下，目前我校在化学反应工程教学中仍存在以下三个方面的主要问题：①培养方案和教学大纲中并未突出工程教育，教师在授课过程中仍侧重理论教学，授课内容往往忽视了工厂的实际应用。再加之本门课程涉及大量高等数学、物理化学、化工原理等课程中的知识，且研究对象是复杂的生产过程[5]，研究方法多为数学模型研究和实验研究，难度相对较大，而学生此时往往缺少对化工系统过程及相关设备的了解，所以该课程的学习对刚接触工程学科的学生来讲是一个挑战。长此以往，最终导致学生对专业缺少学习兴趣、学习动力不足[6-7]。②课堂教学存在学生主体地位缺乏、课堂互动参与度不高、工程实践能力和创新精神培养不足的问题，从而造成“教”与“学”的分离。授课老师受化学反应工程传统教育思维模式的影响，在授课过程中主要侧重于知识点以及解题方法与技巧的传授，仍认为学生对化学反应工程的学习过程是信息的简单积累与加工[8]，忽视了对学生实践应用能力与创新能力的培养，使学生主动探索学习过程（发现问题、分析问题和解决问题）存在缺陷。③课程考核模式单一，基本取决于期末卷面成绩的高低，学生综合能力没有得到有效锻炼和提升。

3.课程教学改革实践探索

(1)强化教师知识储备，创新构建化学反应工程课程模块

在新工科背景之下，要达到良好的教学效果，离不开师生的共同努力，且对授课老师提出了更高的要求。首先，授课老师必须具有一定的工程背景，且能够精准把握住每堂课的教学重点和难点，充分发挥自身的创造性以设计教学内容，做到主线明确，逻辑顺畅，重点突出，引导学生积极思考。目前全国各大院校的授课方式基本都以PPT的展示和讲解为主，我们不妨做个假设，如果没有了PPT的辅助，有多少老师能够顺利使用板书完成授课，且能做到相同的效果，又有多少老师在每年上课之前对所授课程PPT的内容更新10%～20%。这就要求每位老师首先必须对自己所教授的课程了然于胸，不断了解课程体系的前沿发展，优化课程结构，然后再借助于慕课、精品课程等网站和雨课堂、课堂派等手机APP软件进行辅助教学，改善单一的板书加课件的授课模式。化学反应工程的教学内容则是在三传一反基础上，强化数学模型构建能力，掌握化学反应动力学和反应器的设计与优化，培养学生的工程思维能力。结合课程学习目的及预期成果需求，课程设置了以动力学方程、反应器选型与设计、反应器操作与分析及催化剂应用为主体的四大模块[10]（图1）。它们彼此之间看似相互独立，实则相辅相成，缺一不可。例如反应动力学是反应器选型与设计的基础，根据反应过程基本特征和工艺要求，进行反应器设计选型，根据反应过程与流体力学、热量、质量传递过程的宏观动力学，计算反应器的结构尺寸，以及计算影响温度分布、流动状况的结构特征和尺寸。而要深入理解某一催化反应过程（催化剂的制备、表征、失活原因和再生方法），则必须研究该催化反应的本征动力学和宏观动力学。

图1 化学反应工程课程模块

(2)加强实验教学，提高学习兴趣

化学反应工程是一门理论与实践兼备的课程，因此必须加强实验的介入和学生的实训能力，可在一定程度上降低该课程的枯燥感，提高学生的学习兴趣。虽然我校目前已开设了填料塔轴向混合特性的测定、串联流动反应器停留时间分布实验、双驱动搅拌器测定气液传质系数等多个与化学反应工程相关的实验，但仍不能满足教学需求。因此在教学过程中针对难度较大的章节，笔者根据自己研究室的条件和研究课题，自主设计了相应的实验。例如在讲授气固催化反应本征及宏观动力学章节中的内扩散有效因子等内容时，设计了介孔H[P,Al]-ZSM-5分子筛上的苯甲醇自醚化反应，学生通过课余时间参与到具体实验之中，不仅理解了反应效率因子和西勒（Thiele）模数的含义和彼此的相互关系，掌握了其实验测定办法，还可认识整个液固催化反应的扩散过程，了解催化剂的一些具体表征方法（N2等温吸脱附实验测定催化剂的比表面积和孔体积、NH3程序升温脱附测定催化剂的酸性中心强度和浓度、吡啶红外实验测定催化剂的酸性类别等等）做到了教学与科研的相互促进，具体实验和数据分析过程如文献所示[10]。在讲授固定床气-固相催化反应工程和流化床反应工程等章节时，将学生带入实验室对照真正反应器，将两章的内容串联起来进行讲解，在讲授过程中适当引入笔者在反应器开发过程中遇到的困难和解决办法，使同学们身临其境，在提升同学们对专业知识理解的同时，增加了学习的兴趣。引入仿真实验教学，深化理论知识和过程模拟，为参加化工实验大赛（实验仿真模块）打好基础。但这仅限于校内的基础科研实验装置，而这些装置仍然与工业化生产所用反应器、物料和热量的传输方式存在较大差异，因此我们必须联合企业建立相应的实训基地。在兄弟院校（兰州理工大学、西北民族大学等）的支持下，我校已和甘肃金昌化学工业集团有限公司建立了化工实训基地，我校2017级和2018级化工专业学生均在该基地完成了认识实习和生产实习，对化学反应工程的学习起到了良好的促进左右。做大做强实训基地的建设，也将成为我们的一个主要奋斗目标。目前该实训基地已荣获全国石油和化工行业大学生实习师范基地。

(3)注重过程考核，使考核主体多元化

紧密结合我校（西北师范大学）本科教学100条以及课堂教学五个延伸环节的教改措施和《化学反应工程》课程性质，在本课程考核过程中将过程性和终结性评价相结合，实行多元化的考核模型（表1），将期末考试、平时作业、期中测验、课后讨论和课前预习紧密结合在一起，使考核主体更加多元化和考核成绩更加真实。通过过程考核也可强化平时知识的积累，达到真实的学习目标。自实施多元化考核以来，学生不仅在课堂上的参与度明显提高，而且在课间休息过程中也会和老师积极互动，咨询一些问题（例如某一习题的解答、某一公式的具体推到过程等等）。一些性格略显腼腆的学生也会积极的通过网络平台（微信、QQ等）向老师咨询相应的课程学习，有时还会聊一些生活上的事情，增进了师生关系。实践表明，利用课前5分钟进行测验，能有效的帮助学生对上节所学内容的温习与巩固；每章一次APP测验，能有效的巩固所学知识，教师也能及时掌握学生学习状态，分析知识的薄弱环节，及时调整授课方法及辅导侧重点。通过网络教学视频进行预习，能加快学生对抽象概念、模型的理解进度，节省课堂时间。通过其中测试，可强化学生在学习过程中的阶段性总结意识。自多元化考核实施以来，学生期末考试的卷面成绩也得到了明显提高，更能够有效地促进该课程的教学效果。

表1 多元化考核模型的构成

(4)以赛促学，增强学生的团队意识和集体荣誉感

在我校高举师范教育大旗背景的影响之下，化工专业历来重视对学生的培养工作，积极鼓励本专业（化学工程与工艺）学生参加各类专业竞赛。以全国大学生化工设计竞赛为例，首先在全校范围内发起参赛倡议，由学生自由组队（五人一组），并由专业老师进行参赛作品设计的指导，待作品设计完成之后，邀请相关专家作为校级评委，进行公开答辩，对每个作品进行指导，推荐优秀作品参加甘肃省和西北赛区大学生化工设计比赛。同时在我校查飞教授和兰州理工大学各位同仁的倡议下，成立了甘肃省化工设计大赛委员会，第一届甘肃省化工设计大赛已在西北民族大学顺利落下帷幕，并在我省取得了良好的声誉，已形成校赛—省赛—西北区赛—全国决赛的模式。我校学生历年来均在全国大学生化工设计竞赛中取得了优异的成绩。同时也组织学生积极参与全国化工实验大赛，三创（创新、创意及创业）大赛，挑战杯等比赛，并取得全国化工实验大赛一等奖，三创赛全国金奖等优异成绩。通过参加各种比赛，提高了同学们对所学专业知识的综合运用能力，扩展了知识面，增长了见识，使他们能够站在更大的舞台同来自全国各地的优秀学子进行竞争，增强学生的团队意识和集体荣誉感。

4.结论

以“OBE教育理念”为指导，新工程背景下《化学反应工程》课程教学改革与实践仍在持续进行。虽然采取了一系列的改革措施，教学效果也得到了相应的改善，但在培养学生工程素养方面仍存在不足，同时老师的工程经验也有待进一步加强。因此学校和学院应给予相应的经费支持，鼓励老师利用节假日，寒暑假深入到相关企业开展实践研修，系统了解化工生产过程，掌握更新，更细的反应器设计知识，将所见、所学的技能带回课堂，传授给学生。