新工科建设背景下《化学反应工程》课程改革探索

2022-07-22徐英王晓敏吴春燕翁艳英蒙建成

科技创新导报 2022年6期

徐英王晓敏吴春燕翁艳英蒙建成

摘要：《化学反应工程》是一门具有较强工程实践性的课程，根据人才培养方案，属于化学工程与工艺的专业核心课程。为适应国家的新工科建设战略要求，本文针对当前新工科建设背景下《化学反应工程》课程教学存在的不足，对课程进行教学内容优化、教学模式改进、加强工程实践能力培养和改善考核方式等方面对《化学反应工程》课程进行教学改革，以提高课程的教学质量，加强学生的工程专业素质。

关键词：新工科化学反应工程工程实践教学改革

中图分类号： G642.0 文献标识码： A 文章编号：

Reform and Practice of Chemical Engineering Teaching in Local Universities Under the Background of New Engineering

XU Ying1 WANG Xiaomin2WU Chunyan1WENG Yanying1MENG Jiancheng1

（1. College of Chemistry and Biological Science， Guangxi Normal University for Nationalities， Chongzuo， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 532200 China; 2. College of Mathematics， Physics and Electronic Information Engineering， Guangxi Normal University for Nationalities， Chongzuo， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 532200 China）

Abstract：Chemical reaction engineering is a course with strong engineering practice. According to the talent training scheme， it belongs to the professional core course of chemical engineering and technology. In order to meet the strategic requirements of the national new engineering construction， aiming at the shortcomings of the teaching of chemical reaction engineering under the background of the current new engineering construction， this paper carries out the teaching reform of chemical reaction engineering from the aspects of optimizing the teaching content， improving the teaching mode， strengthening the cultivation of engineering practical ability and improving the examination methods， so as to improve the teaching quality of the course and strengthen the engineering professional quality of students.

Key words：New engineering; Chemical reaction engineering; Engineering practice;Teaching reform

百年大計，教育为本，2018年，习近平总书记在北京大学考察时强调，党和国家事业发展比以往任何时候都迫切需要高等教育、优秀人才和科学知识[1]，新形势下，国家急需培养一大批创新创业人才和应用型人才也迫切需要提高高等教育的人才培养质量[2]。2017年2月18日，高等工程教育发展战略研讨会在复旦大学召开，会上教育部首次提出了“新工科”的教育理念[3]，希望全国高校深化工程教育改革，进一步开展工科新学科研究和实践活动，促进工科新学科建设发展[4]，明确要求在工程技术创新和产业创新领域，高校应当发挥主导作用，培养和造就一大批具有较强的创新能力、工程能力的复合型和高素质 “新工科”人才[5]，并提出，新工科建设对高等学校来说，其核心任务是研究学科领域学术、建设学科人才队伍和培养专业人才3个方面，并指出为满足当前新工程的建设和行业的需求，学科人才队伍建设是新工科建设的核心任务，因此，实施新工科建设任务，就要求教师对专业课程的教学内容和教学方法等方面进行不断改革创新，以培养适应国家战略和新经济需要的人才[6]。

化学工程与工艺专业人才培养方案以“面向21世纪‘化学工程与工艺’”要求为基础，力求培养具有创新精神，具备扎实基础、较宽专业、综合能力较强的高素质化工专业人才[7]。根据教育部颁发的《普通高等学校本科专业目录和专业介绍》，《化学反应工程》属于具备宽口径的专业核心课程，也是“三传一反”的核心课程之一，对于学生工程观念的培养、工程分析能力的强化和工程实践能力的发展具有十分重要的作用[8]，该课程涉及石油、材料、建材和环境等诸多领域的生产装置和工艺技术规律等，是研究过程工业的多个专业重要的基础课程，课程涉及物理化学、化工原理、化工传递过程、化工热力学、化工单元操作和优化与控制等多门课程的相关知识 [9]。《化学反应工程》是对学生的工程能力培养非常重要的一门课程，任何一个化学反应，要想从实验室阶段放大到工业生产，或者许多重要的化学工程问题，如设计工业反应器等都离不开该门课程的指导[10]。因此，《化学反应工程》课程建设对化工人才专业知识培养、工程分析能力的强化和工程实践能力的发展和新工科建设的推进中具有十分重要的作用，因此，在课程学习中，要求学生在掌握相关定量和设计计算等基本理论的基础上，具备一定的工程思维、工程分析和解决工程实际问题的能力，但目前教师在授课过程中仍以课堂理论教学为主，导致《化学反应工程》被认为是大学中最难的课程之一，学生学习困难、学习效果差[11]，而且课程评价方式单一，主要以期末卷面成绩为主，不能很好地体现学生的课程掌握程度和学生应用专业知识解决实际问题的综合能力 [12]。

在新工科建设和提高人才培养质量的时代背景下，急需通过教学改革改善《化学反应工程》教学过程中存在的问题，以提高课程教学效果，适应新工科建设战略要求 [13]。

1课程教学现状

1.1教学内容复杂，教学难度大

《化学反应工程》课程内容范围广，该课程主要研究化学反应过程及设计工业反应器等问题，学科交叉性强，教学难度大[14，15]，课程核心是反应器类型、特点及适用范围、反应器内流体的流动状态、反应器内流体数学模型的建立及工程中反应器设计计算等，内容偏重数学模型、化工设备和工艺流程等工程实际方面的课程内容，计算多、公式多、涉及学科多，涉及生产实际较多，难点多，非常复杂[16]。

本课程全部为理论授课，缺乏实践教学，且由于本科生对实际化工反应设备和生产过程比较陌生，很难将《化学反应工程》课程中的专业理论知识和工业实际应用进行相互关联，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[15]。

《化学反应工程》的课程特点使教学难度增加，采用传统的课堂教学方法无法取得很好的教学效果[14]。因此，亟需对《化学反应工程》进行课程改革，以提高教学效果。

1.2 教学模式陈旧，教学效果差

根据专业培养方案，按照化学工程与工艺专业培养计划和教学计划，《化学反应工程》一般在大三年级第一学期开设，但是经过教学实践发现，由于课程内容复杂，教学课时紧凑，而我校化工专业学生基础较差，认为《化学反应工程》是非常难学的一门专业课，学习时普遍感到课程知识比较抽象、涉及的计算多、计算难，而且偏重数学模型、化工设备和反应器等工程实际方面的课程内容，使学生厌倦，感觉枯燥无味，缺乏学习的积极性和主观能动性[17]。传统的教学方法以教师课堂理论授课为主，多采用多媒体教学和黑板书写。虽然教师可以用一些图片和动画来演示反应过程和反应器设备结构，但由于反应器种类复杂，理论计算格式复杂，学生难以掌握课程知识，学生学习积极性和主动性差，课堂互动性不高，缺乏有效培养学生工程实践能力和创新精神的环节，教学质量难以保证[18]。因此，陈旧的教学模式已经无法适应新时期《化学反应工程》课程的教学任务和新工科建设的要求[15]。

1.3考核模式单一

《化学反应工程》大多采用平时和期末考核相结合的课程考核模式，其中平时考核主要包括学生考勤、课堂测试和课后作业等，这种方法虽然可以对学生的课程专业理论知识的掌握情况进行基本的定量反映和评价，但缺乏对学生综合能力的有效评价，不能很好体现学生应用专业知识的能力[19]。

2 教学改革

2.1优化课程教学内容

根据国家“新工科”战略和专业培养方案要求，为强化培养剧本专业工程综合应用能力的化工专业人才，采用朱炳辰先生主编的《化学反应工程》（第三版）为授课教材，以气-液相、液-固相和气-固相等反应为主线，以反应器设计为目标，便于学生奠定解决工程问题的专业理论基础和认知多相反应器，易于学生循序渐进地对教材知识的理解和掌握[20];以李少芬版《反应工程》作为知识补充，穿插聚合反应工程、生化反应工程、电《化学反应工程》等领域的教学知识，拓展学生的课程知识[15]。

根据教学经验，结合教学内容，除教材外，利用视听演示、多媒体演示、学习通和慕课等开放教育资源、时刻关注学科前沿动态，对教学内容进行丰富和优化，拓宽学生的知识面。整个教学内容分为3个部分：第一部分是引言，在教学过程中，组织学生讨论广西华林松香企业的发展现状，在潜移默化中让学生了解《化学反应工程》的课程任务、解决问题和采用方法，提高学生的学习积极性;第二部分的课程内容是化学反应动力学、反应过程传热传质、反应器热稳定性等基本原理、理论和研究方法，以反应器放大时工程因素对反应结果的影响为主线，为发展学生的工程思维奠定坚实的基础;第三部分授课内容是不同反应器数学模型的建立、设计反应器、计算反应器内物料的流动形态和传递过程，这部分以工程分析為主，比较晦涩难懂，故利用网络资源等教育资源，利用课堂智慧教学工具，寻找间歇罐反应器、全混流等相应反应器的工程应用实例反应器、活塞流反应器和反应器内部流体传递的动画数据，让学生掌握建立和设计反应器数学模型的基本方法，深入了解反应器内物料流动对化学反应的发展和放大的影响。

此外，根据新工程建设的要求，聚合反应工程、生化反应工程、新材料合成反应工程、电《化学反应工程》、超临界反应工程、微反应工程、环境反应工程等新技术及超重力反应工程其他课程的前沿动态融入课程教学过程中;结合课程特点，将科研成果嵌入教学过程，丰富和优化教学内容，拓展学生的课程知识，提升课程教学的深度和质量[13]。

2.2 改革授课模式

《化学反应工程》的很多知识点都是抽象的，难以理解，而传统教学模式单一，教师主动发言，学生被动学习，师生互动不足，限制了学生对知识的理解和应用[16，17]。因此，为达到良好的教学效果，需要运用种教学方法是提高课程教学质量[14]。

采用教学课件与板书相结合的教学模式，教授课程的基本概念、原理和方程式，节奏容易控制，师生同步思考，采用问题导向的方法学习知识点对应的工程问题。带问题学习有助于学生在明确学习目标的基础上提高学习积极性; 动画、视频等方式展示反应器内部结构、流场、浓度、温压分布、流动现象、反应器内参数分布等;采用翻转课堂对反应器设计、操作与优化等综合性难点进行课堂讨论。例如，在讲授第九章气液固三相反应工程时，将班级学生分成4组，通过查阅资料分别对三相反应器如三相滴流反应器、机械搅拌鼓泡悬浮式三相反应器、鼓泡淤浆床反应器和气—液并流向上三相流化床反应器进行反应器特点、适用范围及目前发展现状和进展总结归纳，突出学生主体地位，使其深入理解知识点;采用案例教学训练各章重要知识点的综合应用，为培养学生工程思维和工程应用能力[21]。从教师指导到学生学习的转变，强化基本原理和基础知识，加强反应器设计计算等方面的相关练习。很多学生习惯了被动的学习方式，不愿意主动思考，因此，调动学生的学习热情和主观能动性对于教学质量的提高非常重要。例如，在学习反应器的内容时，就以间歇罐式反应器的设计为例进行讨论，讨论包括如何计算反应器的体积、如何确定反应器的结构和材料、如何计算反应器的转化率，以及如何确定反应器的最佳运行条件等。首先，将班级分成若干小组，全班讨论由教师主持，各组派代表宣布确定小组设计方案的过程，并接受其他组学生和教师的提问;其次，教师对每组学生的设计成果和演讲进行一一复盘和点评，评价学生设计方案的优缺点，并教会学生从不同的角度和方法去探索和解决实际问题;最后，小组讨论了初步数据收集过程并分享了他们在文献检索方面的经验，学生经过自己的积极思考和头脑风暴后得出结论，极大地激发了他们的学习兴趣。

2.3 工程实践能力培养

新工科建设要求高校对学生工程设计、工艺研发和解决工程技术问题的能力培养[22，23]。在《化学反应工程》课程教学时，结合工程实例，从工程思维的角度来分析、解决企业生产中的实际问题，例如，在讲解反应器型式和操作方式对反应转化率的影响时，以平推流和全混流反应器为例，假设平推流反应器中进行等温一级反应，出口转化率为0.9，将该反应移到一个等体积的全混流反应器中进行，且操作条件不变，讨论出口转化率的变化，通过计算，综合比较两种反应器的生产能力和生产效率，从而使学生了解不同的反应器特点。

另外，通过让学生具有去相关企业见习，使学生对教材上设计的相关反应器和工艺具备直观的认识。例如，在课讲授到第五章固定床气—固催化反应过程时，可带领学生去当地华林松香企业见习，了解了松香氢化车间的固定床气—固催化反应，不仅更加牢固地掌握了这类反应器的特点，即催化剂位于反应器底部，气体从反应器底部进入反应器与反应物料进行反应，提高了学生对课程的学习兴趣，训练学生将课程理论知识与生产实际有机结合，培养学生工程思维和工艺流程设计等方面的综合能力。

2.4 完善考核方式

课程知识的掌握程度是让学生综合运用所学知识点进行探究性学习、突出学生的个性特征和个性化学习，不是简单地停留在某个知识点的对错上。针对目前考试成绩是课程学习成果唯一量化的表现形式，评价学生的手段相对单一的现状，对以期末考试成绩为主的单一考核模式进行调整和改变，将平时成绩的比重增加，多元化课程考核，除了课堂表现、课程作业等平时成绩外，增加了翻转课堂、课程知识相关前沿专题论文、见习报告、问题导向法和分组汇报等表现情况。

采用这种考核方式，将学生的课程参与度、查阅归纳文献能力、生产见习能力、过程分析水平等方面的能力增加到课程考核内容和范围中，能够有效地促进教学效果，全面反映学生对课程的掌握情况和体现专业综合能力。

3结语

“新工科”建设是国家为提高工科人才的层次与内涵，增强工科人才的创新潜力和工程开发能力而推出的国家创新驱动发展战略。《化学反应工程》作为化工专业专业核心课程，其课程的工程特点使其备受重视。突破现有教学方式，通过教学内容丰富和优化、增加课程工程实践、改善课程考核方式等，提高了课程教学效果，使学生在掌握课程专业基础知识的同时，也具备了一定的工程思维和分析能力。

参考文献

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