新工科背景下化學反應工程課程教學改革與實踐

李占庫，閆洪雷，雷智平，康士剛

(安徽工業大學 化學與化工學院，安徽 馬鞍山 243002)

新工科建設是以“卓越工程師教育培養計劃”為基礎，對工程教學進行持續深化改革的重大行動計劃。在新工科背景下，為培養適應未來發展需求的新型人才，針對傳統和現有的工科專業進行信息化、智能化、優勢學科的繼承和創新、交叉學科的融合、改造和升級。隨著產業結構的不斷調整，對工科人才的實踐能力和創新能力提出更高的要求，這就需要培養理論基礎扎實、創新能力突出的專業人才。為培養適應新經濟和國家戰略需求的人才，需要教師在開展課程教學過程中調整教學內容和方法，不斷改革和創新。

化學反應工程是化學工程專業的一門專業核心課程，也是應用化學、材料工程等相關專業的重要課程。內容主要包括反應動力學和反應器的設計與分析等課程。在化學反應由實驗室規模向工業化規模放大過程中，涉及“三傳一反”、反應器設計和優化等問題，需要化學反應工程理論的指導。由于化學反應工程內容學科交叉性強、理論抽象、數學模型多、計算繁瑣，因此被很多學生認為是大學中最難學的課程之一。在新工科建設背景下，急需解決教學中存在問題，應通過教學改革，更好提升化學反應工程課程教學效果，以適應新時期人才培養的目標。

一、化學反應工程課程教學存在的問題

(一)教學內容繁雜、抽象，缺乏實踐教學

化學反應工程課程內容涉及高等數學、化學熱力學、化工原理、反應動力學傳遞工程和化工系統工程等多學科領域，學科交叉性強。化學反應工程主要研究化學反應動力學及反應器的設計和反應器操作條件的優化，反應動力學涉及數學模型的建立與求解，內容抽象復雜。反應器的設計及反應器操作條件的優化考察反應器內反應速率與溫度、物料等的關系，及傳質、傳熱和流體流動過程的多維化和非理想化等因素，導致原本簡單的化學反應問題轉變成化學、數學和工程學等多學科交叉的復雜問題。因此，課程內容具有較強的綜合性、工程性和理論性，同時數學模型復雜、理論抽象、計算繁瑣導致學生理解困難。本課程在授課設計時，全部為理論授課，缺乏實踐教學，即缺乏理論聯系實際及深入理解授課內容的關鍵環節，不利于培養學生工程應用能力，無法滿足新工科建設的要求。

(二)授課模式簡單

化學反應工程課堂教學多采用“PPT+板書”的面授方式，雖然PPT中的一些圖片和動畫會對學生產生一定的吸引力，但是過長面授時間和繁瑣、枯燥的講授內容容易造成學生注意力不集中，不利于學生對基礎知識點的理解與掌握。此外，面授為主的授課模式，多以教師為主導，學生常處于被動接受的局面，教與學缺乏互動，教師難以掌握學生學習動態，滿堂灌輸的局面尤為常見，學生對教學內容缺乏思考、學習主動性不高等問題普遍存在。對于內容繁雜、環環相扣的化學反應工程課程而言，以單向知識輸出為主的教學模式無法有效實現教學目標。

(三)課程考核與評價方式單一

化學反應工程課程多以“平時考核+期末統考”的模式進行考核評價,平時考核主要包括課后作業和隨堂測驗，占最終成績的30%；期末統考由授課教師依據培養方案自主命題，占最終成績的70%。這種考核方式基本客觀反映學生對理論知識的學習和把握情況，但這種量化考核方式缺乏全面性，比如，對于理論實踐相結合能力、文獻調研及溝通協作等能力缺乏有效評價，不能全面反映學生的綜合能力。學生對教師的評教多安排在課程結束后，教師不能及時獲取對教學質量的反饋，不利于課堂教學的靈活進行。受學生評教的影響，為了獲得較好的評價結果，部分教師在考勤、批改作業等方面對學生較寬容，造成部分學生對平時成績不重視，學習主動性與積極性不高。目前學校對教師考核會以所授科目的及格率為依據，若出現學生不及格率較高，教師要寫出書面說明，同時也會影響教師的年終考評，這種教師考核制度導致很多教師在考試前給學生劃重點，卷面批改也給予較大的寬容。這種考核制度對教師的教和學生的學都有一定的負面影響。

二、新工科背景下化學反應工程課程教學改革

(一)優化教學內容，突出重點，不斷補充新知識

化學反應工程學課程知識面多而繁雜，并且內容抽象。通過充分研究不同教材特點，結合本校的培養計劃，采用李紹芬主編的《反應工程》(第三版)為主講教材，該教材內容理論性和系統性強，章節層次分明，易于學生理解。該教材還包括生化反應工程、聚合反應工程和電化學反應工程等領域，有利于學生根據愛好拓展知識。此外，朱炳辰主編的《化學反應工程》注重介紹氣-液、氣-固和液-固等多相反應及反應器，可作為輔助教材進行穿插教學，便于學生認知多相反應器，為解決工程問題奠定理論基礎。

近年來，教學改革要求精選授課內容、突出重點、提高教學效率。反應動力學基礎、理想反應器的設計、停留時間分布等知識點是反應器設計與分析的基礎，這部分內容的講解要詳盡，為學生后續學習奠定堅實的基礎。對于應用于實際生產的固定床和流化床反應器，其設計計算過程繁瑣復雜，但不可忽略，教師可重點講授設計計算的基本原理和方法，對復雜公式的推導可作為課后作業讓學生自行完成。對聚合反應工程和生化反應工程，可進行簡單介紹，讓學生根據興趣自學。

雖然李紹芬等主編的《反應工程》是經典教材，但是書中部分內容比較陳舊，不能反映當前工業反應器發展的實際，需要不斷補充新知識。新工科建設要求不斷將新技術融入到傳統工業中，而新技術向傳統工藝的融入需要專業人員掌握新技術的發展動態。隨著反應工程學科發展，反應工程熱點轉向高溫、高壓、超臨界、超短接觸、等離子體、離子液體、微化工系統等極端條件下的化學轉化過程，如美國Velocys公司與國際大公司合作利用微通道反應器成功實現了天然氣重整制造液體燃料的工業化，與相同生產能力的天然氣重整裝置相比，規?；奈⑼ǖ婪磻黧w積僅為傳統反應器體積的10%，大大降低了生產成本。因此，可充分利用中國知網、Web of Science等國內外數據庫，檢索總結與本學科發展相關的前沿動態，如研究較為熱門的微尺寸反應器和等離子體反應器，并將相關原理、發展動態等文獻引入課堂，豐富教學內容，增強學生的閱讀、歸納總結文獻的能力。此外，任課教師可以結合課堂特點，將科研成果嵌入教學過程，提升課程授課深度和質量。

(二)開設課堂實驗，理論聯系實際

化學反應工程課程不僅要求學生掌握復雜的理論知識，更要求學生通過課程學習獲得解決工程問題的能力。然而，在教學中常采用復雜和抽象的數學模型解決工程問題，初學者難以實現理論聯系實際。因此，單純的理論教學難以讓學生樹立工程觀念，有必要開設適量的專業實驗，增添實踐環節，加深學生對概念和原理的理解，樹立他們的工程觀念。學生對教學過程中“返混”概念理解較困難，針對這個問題，開設“管式反應器停留時間分布測定”和“多釜串聯反應器停留時間分布測定”等實驗。學生通過獨立完成實驗，深刻理解流體流動過程中的返混問題及“返混”對實際生產效率的影響等。為避免出現實踐教學與專業知識脫節，該課程的實驗教學需要理論教學負責人和實驗教學負責人積極溝通，制定有效的實驗方案。通過增設化學反應工程課內實驗和提高實驗教學負責人的專業水平，大大提高了學生的認知水平，為學生理論聯系實際、有效解決工程問題提供理論基礎。

(三)引入翻轉課堂教學模式，提高教學效率

化學反應工程課程中復雜、晦澀的知識僅靠板書或PPT教學在短暫的課堂教學中很難讓學生消化吸收，導致學生學習主動性和積極性降低。翻轉課堂讓學生在課外通過提前觀看教學微視頻自學傳統教學中的知識內容，師生在課間參加教學活動和交流互動，實現知識的外化和拓展，并通過課堂交流和教師指導完成知識內化和吸收。為避免翻轉課堂給學生帶來課后作業壓力大的問題，錄制或選用時長在5～10分鐘的微視頻，主要概括每個章節的重點內容及拓展知識點，學生通過觀看視頻進行預習，有利于提高課堂學習效率。課后利用微視頻對知識點的總結有利于學生進行有效復習及知識拓展，同時利用微視頻平臺如“中國大學慕課”等討論板塊，圍繞重點、難點和學科前沿發布討論，掌握學生學習動態。利用翻轉課堂，將課堂教學、微視頻和課程討論有效結合，課堂教學突出重點和難點，將120多人的大課堂教學轉化為30人左右的小班教學，保證教師與學生進行有效的互動與交流。結合不同學生的學習情況，在小班中建立7至9個學習小組，根據授課內容進行階段性小組匯報，及時掌握學生學習短板，依據學生學習動態，調整教學內容，促進學生理解重點及難點。同時，教學過程采用多種教學手段相結合，根據授課內容，靈活選擇教學方法，提高教學效率。比如對于反應器構造和實際生產操作的講解，將微視頻和PPT有效結合，方便學生直觀認知、深刻理解；對于數學模型的公式推導和分析，采用板書并鼓勵學生做筆記，避免學生出現思路混亂、對公式推導過程理解困難等問題。利用翻轉課堂將課上教學和課下預習、復習有效結合，既可解決教學內容多而教學課時少的矛盾，還可以提高學生學習的主動性，突出學生的主體地位，提高教學效果。

(四)提高師資水平，加強教師團隊建設

好的教學質量離不開教師優秀的教學水平，這就要求教師具有良好的道德修養、扎實的理論功底和豐富的教學經驗。經驗豐富的教師在講授枯燥知識時，常常通過旁征博引使晦澀知識生動形象，大大提高學生的學習興趣。比如定態近似和速率控制步驟兩個假定是導出多相催化反應動力學總包速率的關鍵，但是這兩個假定的內容比較晦澀、難以理解。教學中可將化學反應喻作一場跑步比賽，反應步驟喻作運動員，跑步速率最慢的運動員決定比賽結束的時間，同樣速率最慢的反應步驟控制反應的快慢，通過類比法讓學生理解晦澀的理論知識。授課教師不僅要不斷豐富理論知識，更要學習本校同課程前輩的教學經驗。同時，通過加強同天津大學、北京化工大學等高校同課程授課學者交流，借鑒優秀教師的成果，豐富課程教學材料，不斷提高教學水平?；瘜W反應工程作為專業核心課，面向化工專業全體學生，為避免大課堂教學中師生互動困難、學生難以監管等問題，通過建設教師團隊將大課堂教學轉為小班教學，授課教師通過統一教學內容，相互借鑒授課方法等進行互動與交流。鑒于課程增設實驗教學，課程團隊除了理論知識扎實的課程負責人，也需要熟悉大型設備并具備操作資格的實驗教學人員。教學過程中，課程負責人應加強教學團隊建設，與實驗教學人員間充分溝通交流，制定詳細的實驗方案，突出實驗教學人員化工專業背景，避免實踐教學與專業脫節。通過加強授課教師之間及授課教師與實驗教學人員之間的互動，增強團隊教學能力，提升整體教學效果。

(五)完善考核方式，改善評價機制

隨著教學內容和教學模式的不斷改善，在原有“平時成績+期末考核”的基礎上，逐步完善形成性評價考核機制。平時成績考核多元化，增加“平時成績”占總成績比重。由于增加了翻轉課堂和實驗教學，“平時成績”的考核除了課后作業、課堂表現及隨堂測驗外，還增加了章節討論、階段性分組匯報、實驗操作和報告、學科前沿專題論文撰寫等情況考核。這種考核方式將學生學習狀態、動手能力、團隊協作能力及文獻調研能力融入考核范圍，更能全面反映學生的綜合能力。教學管理部門應根據課程特點對教師考核制度進行改革，不能統一標尺和度量，應賦予教師更大的教學自由度，提升教師教學積極性。學生對教師的評價可在期終考評的基礎上增添若干次中期考評，教師可利用中期考評及時調整授課內容和方法，因材施教，合理考核。

三、結語

化學反應工程是一門綜合性和實踐性較強的課程，針對該課程教學內容抽象復雜、理論聯系實際困難、學生學習積極性差等問題，結合專業特色、教學經驗和學生學習現狀等，通過優化教學內容、增加實踐環節、引入翻轉課堂和改善考核機制等方法，提高課程教學效果。