“两性一度” 背景下的《化学反应工程》课程建设探索*

徐 英, 王晓敏, 吴春燕, 翁艳英, 蒙建成

(1 广西民族师范学院化学与生物工程学院, 广西 崇左 532200;2 广西民族师范学院数理与电子信息工程学院, 广西 崇左 532200)

为了促进高等教育向内涵式发展, 提高全国的高等教育整体水平, 2019 年10 月24 日, 教育部印发了教高[2019]8 号文件《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》, 提出强化人才培养战略, 人才培养的核心要素是课程建设, 因此, 课程建设质量是决定人才培养质量的重要因素; 并提出一流课程建设需要具备高阶性、 创新性和挑战度, 即“两性一度” 的建设内涵[1]。

《化学反应工程》是化学工程与工艺的一门综合性和实用性较强的专业核心课程[2], 它是一门利用自然科学原理来研究、解释和处理实际工程问题, 并且进行反应装置的工程分析和设计的课程, 课程内容和原理涉及高等数学、 物理化学、 分析化学、 化学热力学、 化工分离工程、 化学原理、 化工仪表及自动化、 化工工艺流程设计、 化学传递过程和化工过程分析与合成等其它多门课程的相关知识[3-4], 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能力[5],导致《化学反应工程》课程被大学生认为是大学课程中最难理解和掌握的课程之一, 学生学习困难、 教学效果差[2]。

根据“两性一度” 一流课程建设要求和《化学反应工程》教学现状, 迫切需要对课程进行教学改革, 以使教学内容、 教学方法和课程考核方式等方面适应时代要求, 提高课程“两性一度” 建设内涵和专业人才培养质量。

1 课程高阶性

1.1 教学内容的高阶性

《化学反应工程》课程根据化学工程与工艺专业人才培养方案, 其教学课时为48 学时, 课程内容多、 理论计算复杂, 且需要与工程实际紧密结合, 因此, 需根据教学大纲要求和大学生学习特点调整授课内容, 体现课程的高阶性[6,7]。

在准确把握课程总体框架和教学大纲的基础上, 将课程基本理论和专业知识的分为三个部分: 第一部分内容是绪论, 在教学过程中通过组织学生讨论本地企业的发展状况, 引导学生提出化学反应工程的研究任务、 对象和研究方法, 从而激发学生对课程学习的积极性; 第二部分内容是化学反应工程的基本原理、 理论和研究方法, 包括化学反应三传一反, 化学反应速率及动力学方程相关计算、 反应的物料衡算、 应器设计基础及基本设计方程、 反应本征及宏观动力学等内容, 并在教学过程中强调影响各类理论知识点的工程因素, 为学生下一阶段的深入学习和知识认知建立很好的理论基础; 第三部分教学内容将气液反应工程、 气固相反应工程、 流化床反应工程、 流固相反应工程和三相反应工程等几个涉及反应器的章节内容进行整合, 这部分内容偏重工程和流体分析, 相关教学内容较多, 而且偏重工程实际, 因此在教学过程中加强利用网络资源和其它资源, 找到不同类型反应器如全混流反应器、 平推流反应器和间歇器釜式反应器等的反应器内部流体传递的动画资料和相应反应器的工程应用实例, 使学生对反应与传递对反应器的开发和放大设计的影响有了更进一步的了解, 学生由简单的基础理论知识逐步接实际, 再通过实际返回到理论进行反思, 学生的求知欲望不断被激发, 对课程知识的认知逐渐得到升华[8]。

1.2 理论联系实际的高阶性

《化学反应工程》课程中所涉及的各种类型反应器大部分都是应用于工业实际生产, 所以, 在教学过程中, 课堂理论教学需要注重与实际工程生产过程的紧密结合, 提高学生的学习兴趣, 培养学生理论联系实际的能力[9], 这就要求在课程教学过程中, 针对具体理论知识点举出相关的生产实例, 激发学生学习兴趣, 在培养学生具备扎实的课程理论知识的基础上, 加强对学生运用课程知识解决实际问题等方面能力的培养[10]。 例如, 在进行课程第五章“固定床气-固相催化反应工程” 部分的教学过程中, 选择广西华林化工有限公司进行课程见习, 分别学习了松香加氢车间、 酯化车间和过氧化车间等, 并以松香加氢车间为例, 巩固了课堂教学内容中固定床反应器的特点,即固定床反应器是指流体通过不动的固体物料所形成的床层进行反应的装置; 了解了加氢松香的生产工艺过程, 催化剂位于反应釜底部, 从甲醇重整制氢生产高浓度的氢气从反应釜底部进入到松香加氢反应釜中, 在高温高压条件下反应生成加氢松香, 按照这样的教学理念, 使学生通过对工程实际生产的见习, 深入了解和巩固了课堂所学的知识点如反应器类型、 特点、 操作条件和选用原则、 催化剂类型及其作用原理和应用原则、 扩散影响和控制、 流体的分布和混合等知识, 通过直观地接触化工实际生产过程, 更深刻地认识到课程学习的重要性和必要性, 进一步培养学生通过应用专业知识进行分析实际工程问题的思维方式以及理论联系实际的能力。

2 课程创新性

2.1 教学内容创新

科技的发展日新月异, 因此, 课程内容也应紧跟学科前沿进行实时更新, 拓宽和丰富教学内容, 《化学反应工程》课程具有较强的理论性与工程实践性, 如果在课堂教学中只着重于原理、 公式和结论的讲授和推导, 难以取得良好的教学效果[11],为了解决学生学习兴趣差的现状, 教学过程中穿插引入课程相关知识点的最新科研动态, 使学生不仅在学习到反应工程的课程理论知识, 更加认识到课程知识对于技术创新和发展的重要性。

教师自身的科研背景和学术研究成果一直是提高任课教师理论联系实际教学能力的强力支撑, 教师教学水平基于授课教师不断地提高自身科研和学术研究基础上对于专业知识的积累和沉淀, 教师在完成科研项目的过程中, 自身的专业知识和技术水平不断提高, 因此, 教师在授课过程中将自身的科研实践经验加以穿插和应用, 因此将专业的基础科研成果应用于课程教学过程, 既丰富了教学内容, 也拓宽了学生的视野, 并且学生的眼界得到了开阔, 学习兴趣大增, 也由此启迪学生智慧,有效激发学生对于科学研究的热情和兴趣, 为学生今后从事化工技术研发和科学研究提供了思路[9]。 比如在讲授“应用化学反应动力学及反应器设计基础” 这一章时, 将授课教师最新相关的科研课题成果“煤热解特性及动力学机理研究” 及时引入教学过程, 从煤炭的特性、 低温热解的化学反应和所需反应器和流程入手, 针对实际科研过程中存在的问题, 引出内外扩散对反应速率的影响, 进一步提出内外扩散的测定方法, 更进一步提出采集动力学数据与建立动力学模型的等课程知识点, 从而有效激发学生学习的积极性。

2.2 教学模式创新

(1)结合翻转课堂, 加强学生的课堂参与度

教师讲解为主的传统教学模式中, 学生基本上全程听课,参与程度很低, 学生的学习兴趣很难得到激发和维持[12], 因此翻转课堂在课程教学过程中引入很有必要, 引导学生积极讨论、 自由思考, 通过让学生制作多媒体课件, 走上讲台, 变成课堂主体, 以提高学生的学习兴趣[13]。 在翻转课堂中, 要求学生对反应器设计、 操作与优化等综合性难点进行课堂讨论, 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机械搅拌鼓泡悬浮式三相反应器、 三相滴流反应器、 气-液并流向上三相流化床反应器和鼓泡淤浆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。

(2)引入问题导向, 培养学生综合实践能力

多年来学生习惯了被动学习, 在教学过程中如何充分调动学生主动思考, 采用问题导向的教学方法可以充分发挥他们的主观能动性[14], 比如在学习化学反应器的内容时, 教师引入连续流动釜式反应器的设计, 让学生讨论包括如何建立连续流动釜式反应器的数学模型, 如何进行串联及优化多级全混釜, 如何评价全混流反应器的热稳定性, 以及如何计算反应器的转化率等。 在问题导向教学过程中, 首先, 将班级分成若干小组,各组派代表讲授小组讨论确定的设计方案, 并回答其他组同学和教师的提问; 最后再通过教师回顾和点评每组学生的专业知识设计和讲授过程, 培养学生多角度分析问题、 解决问题的能力, 通过问题导向的实践, 学生不仅学会使用文献检索和总结归纳专业知识, 学生经过自己的积极思考后得出结论, 大大提升了课程的教学效果。

2.3 考核评价体系创新

课程考核评价应能够体现学生综合运用所学知识点进行探究性学习以评判课程知识的掌握程度, 突出学生的个性特征和个性化学习, 而不是简单地停留在某个知识点的对错上[15], 因此, 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, 将原有的以期末考试为主的单一的考核模式进行改变, 增加了平时成绩在总成绩中的考核比重, 并将考核评价指标多元化, 例如平时成绩除了包括课堂表现、 课后作业外, 还增加了翻转课堂、 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表现等方面。 这种考核方式将学生学习情况、 课程参与能力、 查阅归纳文献能力、 生产见习能力、 过程分析能力和分工协作能力融入考核范围, 更加能够体现学生对于课程专业知识的综合掌握情况; 在期末考试中, 在考核课程基本理论知识和基本计算的基础上,增加了与工程生产实际紧密相关的一些问题的分析与判断, 体现学生综合运用所学知识点进行探究性学习和利用课程专业知识分析和解决实际工程问题的能力。 通过对于课程考核评价体系的改革探索, 采用多元化的学生课程知识的掌握程度考核评价方式, 可以更加全面地反映学生的课程综合掌握情况和综合能力, 有效地提高了学生的课程学习效果。

3 课程挑战度

3.1 完善课程建设对教师提出了挑战

教师应积极应对新时代《化学反应工程》在课程内容、 教学模式、 考核评价体系和学生人群素质的等方面的变化与挑战,提高自身的课程教学和专业知识水平, 提升学生的综合实力,通过课程教学, 最终达到教学相长和师生共同成长。

《化学反应工程》课程的教学过程中, 怎样利用好有限教学时间深入讲解基础理论专业知识, 获得良好教学效果, 并能提高学生专业知识水平, 要求教师进行课程的深度思考, 在备课过程中充分考虑大学生的认知特点, 并在教学中, 加强实际工程问题分析能力的培养, 培养学生的工程思维意识, 这些都对授课教师不断提高自身专业素养和教学水平提出了更高要求。

3.2 深入学习课程对学生提出了挑战

要想学好《化学反应工程》课程, 就需要学生课前预习、 课后复习、 深入思考, 而大学生普遍学业任务重, 如何在一学期的课程学习过程中, 将课程的专业理论知识与工程实际相结合, 学生除了要掌握基本理论、 基础知识和基本技能要求外,还需要在互联网线上线下等多种媒介中获取和探究学业知识,真正利用课程专业理论知识去认识和思考实际生产环节, 提高自身的专业知识应用能力, 对学生也提出了更高的要求。

4 结 论

发展“两性一度” 是建设一流课程的有效途径, 对人才培养质量的提高具有重要意义。 通过对教学内容优化、 改变教学模式和完善考核评价体系等方法来进行加强《化学反应工程》高阶性、 创新性和挑战度的课程建设内涵, 改善了课程教学效果, 也提高了化学工程与工艺专业人才的培养质量。