新工科背景下化学反应工程课程教学改革与实践

2021-11-12李占库闫洪雷雷智平康士刚

安徽工业大学学报（社会科学版） 2021年3期

李占库，闫洪雷，雷智平，康士刚

(安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山 243002)

新工科建设是以“卓越工程师教育培养计划”为基础，对工程教学进行持续深化改革的重大行动计划。在新工科背景下，为培养适应未来发展需求的新型人才，针对传统和现有的工科专业进行信息化、智能化、优势学科的继承和创新、交叉学科的融合、改造和升级。随着产业结构的不断调整，对工科人才的实践能力和创新能力提出更高的要求，这就需要培养理论基础扎实、创新能力突出的专业人才。为培养适应新经济和国家战略需求的人才，需要教师在开展课程教学过程中调整教学内容和方法，不断改革和创新。

化学反应工程是化学工程专业的一门专业核心课程，也是应用化学、材料工程等相关专业的重要课程。内容主要包括反应动力学和反应器的设计与分析等课程。在化学反应由实验室规模向工业化规模放大过程中，涉及“三传一反”、反应器设计和优化等问题，需要化学反应工程理论的指导。由于化学反应工程内容学科交叉性强、理论抽象、数学模型多、计算繁琐，因此被很多学生认为是大学中最难学的课程之一。在新工科建设背景下，急需解决教学中存在问题，应通过教学改革，更好提升化学反应工程课程教学效果，以适应新时期人才培养的目标。

一、化学反应工程课程教学存在的问题

(一)教学内容繁杂、抽象，缺乏实践教学

化学反应工程课程内容涉及高等数学、化学热力学、化工原理、反应动力学传递工程和化工系统工程等多学科领域，学科交叉性强。化学反应工程主要研究化学反应动力学及反应器的设计和反应器操作条件的优化，反应动力学涉及数学模型的建立与求解，内容抽象复杂。反应器的设计及反应器操作条件的优化考察反应器内反应速率与温度、物料等的关系，及传质、传热和流体流动过程的多维化和非理想化等因素，导致原本简单的化学反应问题转变成化学、数学和工程学等多学科交叉的复杂问题。因此，课程内容具有较强的综合性、工程性和理论性，同时数学模型复杂、理论抽象、计算繁琐导致学生理解困难。本课程在授课设计时，全部为理论授课，缺乏实践教学，即缺乏理论联系实际及深入理解授课内容的关键环节，不利于培养学生工程应用能力，无法满足新工科建设的要求。

(二)授课模式简单

化学反应工程课堂教学多采用“PPT+板书”的面授方式，虽然PPT中的一些图片和动画会对学生产生一定的吸引力，但是过长面授时间和繁琐、枯燥的讲授内容容易造成学生注意力不集中，不利于学生对基础知识点的理解与掌握。此外，面授为主的授课模式，多以教师为主导，学生常处于被动接受的局面，教与学缺乏互动，教师难以掌握学生学习动态，满堂灌输的局面尤为常见，学生对教学内容缺乏思考、学习主动性不高等问题普遍存在。对于内容繁杂、环环相扣的化学反应工程课程而言，以单向知识输出为主的教学模式无法有效实现教学目标。

(三)课程考核与评价方式单一

化学反应工程课程多以“平时考核+期末统考”的模式进行考核评价,平时考核主要包括课后作业和随堂测验，占最终成绩的30%；期末统考由授课教师依据培养方案自主命题，占最终成绩的70%。这种考核方式基本客观反映学生对理论知识的学习和把握情况，但这种量化考核方式缺乏全面性，比如，对于理论实践相结合能力、文献调研及沟通协作等能力缺乏有效评价，不能全面反映学生的综合能力。学生对教师的评教多安排在课程结束后，教师不能及时获取对教学质量的反馈，不利于课堂教学的灵活进行。受学生评教的影响，为了获得较好的评价结果，部分教师在考勤、批改作业等方面对学生较宽容，造成部分学生对平时成绩不重视，学习主动性与积极性不高。目前学校对教师考核会以所授科目的及格率为依据，若出现学生不及格率较高，教师要写出书面说明，同时也会影响教师的年终考评，这种教师考核制度导致很多教师在考试前给学生划重点，卷面批改也给予较大的宽容。这种考核制度对教师的教和学生的学都有一定的负面影响。

二、新工科背景下化学反应工程课程教学改革

(一)优化教学内容，突出重点，不断补充新知识

化学反应工程学课程知识面多而繁杂，并且内容抽象。通过充分研究不同教材特点，结合本校的培养计划，采用李绍芬主编的《反应工程》(第三版)为主讲教材，该教材内容理论性和系统性强，章节层次分明，易于学生理解。该教材还包括生化反应工程、聚合反应工程和电化学反应工程等领域，有利于学生根据爱好拓展知识。此外，朱炳辰主编的《化学反应工程》注重介绍气-液、气-固和液-固等多相反应及反应器，可作为辅助教材进行穿插教学，便于学生认知多相反应器，为解决工程问题奠定理论基础。

近年来，教学改革要求精选授课内容、突出重点、提高教学效率。反应动力学基础、理想反应器的设计、停留时间分布等知识点是反应器设计与分析的基础，这部分内容的讲解要详尽，为学生后续学习奠定坚实的基础。对于应用于实际生产的固定床和流化床反应器，其设计计算过程繁琐复杂，但不可忽略，教师可重点讲授设计计算的基本原理和方法，对复杂公式的推导可作为课后作业让学生自行完成。对聚合反应工程和生化反应工程，可进行简单介绍，让学生根据兴趣自学。

虽然李绍芬等主编的《反应工程》是经典教材，但是书中部分内容比较陈旧，不能反映当前工业反应器发展的实际，需要不断补充新知识。新工科建设要求不断将新技术融入到传统工业中，而新技术向传统工艺的融入需要专业人员掌握新技术的发展动态。随着反应工程学科发展，反应工程热点转向高温、高压、超临界、超短接触、等离子体、离子液体、微化工系统等极端条件下的化学转化过程，如美国Velocys公司与国际大公司合作利用微通道反应器成功实现了天然气重整制造液体燃料的工业化，与相同生产能力的天然气重整装置相比，规模化的微通道反应器体积仅为传统反应器体积的10%，大大降低了生产成本。因此，可充分利用中国知网、Web of Science等国内外数据库，检索总结与本学科发展相关的前沿动态，如研究较为热门的微尺寸反应器和等离子体反应器，并将相关原理、发展动态等文献引入课堂，丰富教学内容，增强学生的阅读、归纳总结文献的能力。此外，任课教师可以结合课堂特点，将科研成果嵌入教学过程，提升课程授课深度和质量。

(二)开设课堂实验，理论联系实际

化学反应工程课程不仅要求学生掌握复杂的理论知识，更要求学生通过课程学习获得解决工程问题的能力。然而，在教学中常采用复杂和抽象的数学模型解决工程问题，初学者难以实现理论联系实际。因此，单纯的理论教学难以让学生树立工程观念，有必要开设适量的专业实验，增添实践环节，加深学生对概念和原理的理解，树立他们的工程观念。学生对教学过程中“返混”概念理解较困难，针对这个问题，开设“管式反应器停留时间分布测定”和“多釜串联反应器停留时间分布测定”等实验。学生通过独立完成实验，深刻理解流体流动过程中的返混问题及“返混”对实际生产效率的影响等。为避免出现实践教学与专业知识脱节，该课程的实验教学需要理论教学负责人和实验教学负责人积极沟通，制定有效的实验方案。通过增设化学反应工程课内实验和提高实验教学负责人的专业水平，大大提高了学生的认知水平，为学生理论联系实际、有效解决工程问题提供理论基础。

(三)引入翻转课堂教学模式，提高教学效率

化学反应工程课程中复杂、晦涩的知识仅靠板书或PPT教学在短暂的课堂教学中很难让学生消化吸收，导致学生学习主动性和积极性降低。翻转课堂让学生在课外通过提前观看教学微视频自学传统教学中的知识内容，师生在课间参加教学活动和交流互动，实现知识的外化和拓展，并通过课堂交流和教师指导完成知识内化和吸收。为避免翻转课堂给学生带来课后作业压力大的问题，录制或选用时长在5～10分钟的微视频，主要概括每个章节的重点内容及拓展知识点，学生通过观看视频进行预习，有利于提高课堂学习效率。课后利用微视频对知识点的总结有利于学生进行有效复习及知识拓展，同时利用微视频平台如“中国大学慕课”等讨论板块，围绕重点、难点和学科前沿发布讨论，掌握学生学习动态。利用翻转课堂，将课堂教学、微视频和课程讨论有效结合，课堂教学突出重点和难点，将120多人的大课堂教学转化为30人左右的小班教学，保证教师与学生进行有效的互动与交流。结合不同学生的学习情况，在小班中建立7至9个学习小组，根据授课内容进行阶段性小组汇报，及时掌握学生学习短板，依据学生学习动态，调整教学内容，促进学生理解重点及难点。同时，教学过程采用多种教学手段相结合，根据授课内容，灵活选择教学方法，提高教学效率。比如对于反应器构造和实际生产操作的讲解，将微视频和PPT有效结合，方便学生直观认知、深刻理解；对于数学模型的公式推导和分析，采用板书并鼓励学生做笔记，避免学生出现思路混乱、对公式推导过程理解困难等问题。利用翻转课堂将课上教学和课下预习、复习有效结合，既可解决教学内容多而教学课时少的矛盾，还可以提高学生学习的主动性，突出学生的主体地位，提高教学效果。

(四)提高师资水平，加强教师团队建设

好的教学质量离不开教师优秀的教学水平，这就要求教师具有良好的道德修养、扎实的理论功底和丰富的教学经验。经验丰富的教师在讲授枯燥知识时，常常通过旁征博引使晦涩知识生动形象，大大提高学生的学习兴趣。比如定态近似和速率控制步骤两个假定是导出多相催化反应动力学总包速率的关键，但是这两个假定的内容比较晦涩、难以理解。教学中可将化学反应喻作一场跑步比赛，反应步骤喻作运动员，跑步速率最慢的运动员决定比赛结束的时间，同样速率最慢的反应步骤控制反应的快慢，通过类比法让学生理解晦涩的理论知识。授课教师不仅要不断丰富理论知识，更要学习本校同课程前辈的教学经验。同时，通过加强同天津大学、北京化工大学等高校同课程授课学者交流，借鉴优秀教师的成果，丰富课程教学材料，不断提高教学水平。化学反应工程作为专业核心课，面向化工专业全体学生，为避免大课堂教学中师生互动困难、学生难以监管等问题，通过建设教师团队将大课堂教学转为小班教学，授课教师通过统一教学内容，相互借鉴授课方法等进行互动与交流。鉴于课程增设实验教学，课程团队除了理论知识扎实的课程负责人，也需要熟悉大型设备并具备操作资格的实验教学人员。教学过程中，课程负责人应加强教学团队建设，与实验教学人员间充分沟通交流，制定详细的实验方案，突出实验教学人员化工专业背景，避免实践教学与专业脱节。通过加强授课教师之间及授课教师与实验教学人员之间的互动，增强团队教学能力，提升整体教学效果。

(五)完善考核方式，改善评价机制

随着教学内容和教学模式的不断改善，在原有“平时成绩+期末考核”的基础上，逐步完善形成性评价考核机制。平时成绩考核多元化，增加“平时成绩”占总成绩比重。由于增加了翻转课堂和实验教学，“平时成绩”的考核除了课后作业、课堂表现及随堂测验外，还增加了章节讨论、阶段性分组汇报、实验操作和报告、学科前沿专题论文撰写等情况考核。这种考核方式将学生学习状态、动手能力、团队协作能力及文献调研能力融入考核范围，更能全面反映学生的综合能力。教学管理部门应根据课程特点对教师考核制度进行改革，不能统一标尺和度量，应赋予教师更大的教学自由度，提升教师教学积极性。学生对教师的评价可在期终考评的基础上增添若干次中期考评，教师可利用中期考评及时调整授课内容和方法，因材施教，合理考核。