工程教育專業認證背景下的化學反應工程課程建設*

吳風收，劉根炎，羅曉剛

(武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430205)

工程教育專業認證是國際上廣泛采納、用以保證和提高工程領域人才培養質量的一項重要措施[1]。自2006年起，我國教育部、人社部、中國工程院、中國科協相關行業管理部門聯手，參照《華盛頓協議》開展了面向本科教育的工程教育專業認證試點工作[2-3]。工程教育專業認證的開展有利于加強高等工程教育與工業界的聯系，促進我國工程教育的國際互認，提升我國高等工程教育的國際競爭力[4]。

制藥工程是一門普通高等學校本科專業，屬化工與制藥類專業[5]。我校制藥工程專業于2017年11月接受了工程教育認證現場考察， 并通過了認證。當前，我校制藥工程專業正處于持續改進階段，本年度內要修訂和完善面向產出評價機制的制度文件、面向產出開展的評價活動、評價結果、以及依據評價結果進行持續改進等原始文件。為此，制藥系教師積極探索并研究制藥工程專業認證背景下各門課程的設計、構建與實施，以期更好地達成課程目標，進而支撐畢業要求，實現人才培養目標。《化學反應工程》課程是制藥工程專業的一門核心課，其主要任務是使學生掌握反應動力學的基本概念，并能應用理論知識進行反應器的設計、放大與優化，從而適應科研、設計和生產實踐等方面的需要。為了適應人才培養需求，筆者對《化學反應工程》課程教學大綱及課程教學內容等方面進行修訂和改革，期望該課程支撐制藥工程專業畢業要求能力的達成。

1 課程性質

化學反應工程是化學工程、制藥工程及相關專業的主干課程，屬重要的專業基礎課和學位課，在整個教學體系中承擔著從基礎課到專業課過渡的橋梁作用。化學反應工程運用化學熱力學和化學動力學的知識，結合反應器中流體流動、混合、傳熱和傳質的傳遞過程，進行反應過程的解析、反應技術的開發、反應器的分析與設計，研究反應過程動態特性，實現反應過程的最佳化，從而提高化學反應的工程和工藝水平。

2 課程任務

本課程培養學生應用基礎理論知識和所學的專業知識，進行反應器的設計。優化和工藝參數的選擇，并能分析和解決化工和制藥生產中的有關問題，適應科研、設計和生產實踐等方面的需要。本課程根據化工與制藥工業的生產特點，以動力學為基礎，主要以四類主要的反應器及其設計過程進行講解，使學生對制藥和化工生產中常用的反應器有一個深層次的了解，為將來從事反應技術的開發、反應器的分析與設計工作奠定基礎。同時，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

3 課程目標

通過本課程的理論教學，使學生具備下列知識和能力：

課程目標1：掌握間歇釜式反應器、全混流反應器和平推流反應器的設計方程。理解多釜串聯模型、軸向擴散模型和離析流模型的物理含義和數學模型建立的基本思路，能根據反應器停留時間分布數據，求解模型參數。

課程目標2：能夠運用化學反應工程的基本原理，并結合反應動力學和傳遞過程的研究，建立數學模型，從而解決工業反應開發過程中關于反應器選型、反應器操作條件優化、反應器工程放大等核心問題。

4 課程內容與學識

本課程2學分，共計32課時，結合總課時數和本專業的特點，主要進行理論課堂的講述，具體包括以下內容：

第1章 緒論(2課時)

教學內容包括：(1)化學反應工程簡介；(2)化學反應器的工程分類；(3)化學反應工程在化工過程開發中的作用；(4)反應過程的轉化率、選擇性和收率。

教學組織形式：課堂講授以板書和PPT相結合，開展啟發式和案例教學模式，使學生學習由淺入，循序漸進。線上學習以學生自學為主。

教學要求：(1)能力培養：要求學生掌握化學反應轉化率、選擇性和收率的概念和化學反應工程要解決的主要問題。理解化學反應器的三種操作方式和特點。了解化學反應器的主要類型、結構和工作原理。(2)素質培養：開闊學生視野，培養學生自主學習，將相關課程知識融會貫通的素質。

第2章 均相反應動力學(6課時)

教學內容包括：(1)反應速率、基元反應等基本概念和定義；(2) 等溫恒容過程；(3)等溫變容過程；(4)溫度對反應速度的影響。

教學組織形式：課堂講授以板書和PPT相結合，開展啟發式和案例教學模式，使學生學習由淺入，循序漸進。線上學習以學生自學為主。

教學要求：(1)能力培養：要求學生掌握化學反應速率的定義、表示方法。弄清單一反應和復合反應的特點及區別。熟悉膨脹因子和膨脹率的定義。理解溫度對反應速率的影響。了解最優溫度線的意義及其表達式。(2)素質培養：培養學生專業素養以及分析與解決實際問題的能力。

第3章 間歇反應器及理想流動反應器(10課時)

教學內容包括：(1)反應器、穩態流動等的概述；(2)間歇反應器；(3)理想流動下的釜式反應器；(4)理想流動下的管式反應器；(5)反應器的性能比較。

教學組織形式：課堂講授以板書和PPT相結合，開展啟發式和案例教學模式，使學生學習由淺入，循序漸進。線上學習以學生自學為主。

教學要求：(1)能力培養：要求學生掌握等溫間歇釜式反應器、連續釜式反應器和等溫管式反應器的設計方程和各反應器的性能比較。熟悉空時和空速的概念及其在反應器設計計算中的應用。理解連續釜式反應器的串聯和并聯操作及計算方法。了解變溫釜式和管式反應器的分析與計算方法。(2)素質培養：培養學生專業素養以及分析與解決實際問題的能力。

第4章 非理想流動及其反應器設計(8課時)

教學內容包括：(1)概述；(2)停留時間分布及其性質；(3)停留時間分布的測定；(4)理想流動模型；(5)非理想流動現象；(6)非理想流動模型；(7)非理想反應器的計算；(8)流體混合對反應的影響。

教學組織形式：課堂講授以板書和PPT相結合，開展啟發式和案例教學模式，使學生學習由淺入，循序漸進。線上學習以學生自學為主。

教學要求：(1)能力培養：要求學生掌握返混的概念及停留時間分布的實驗測定方法。理解流動系統停留時間分布的意義及其數學表達式。理解多釜串聯模型、軸向擴散模型和離析流模型的物理含義和數學模型建立的基本思路，能根據反應器停留時間分布的實驗測定數據，確定模型參數。了解流體的微觀混合與宏觀混合，及其對流動反應器轉化率的影響。(2)素質培養：培養學生專業素養以及分析與解決實際問題的能力。

第5章 氣-固相催化反應器(6課時)

教學內容包括：(1)概述；(2)氣固非均相催化反應本征動力學；(3)氣-固非均相催化體系的宏觀動力學；(4)氣-固非均相催化反應器的設計

教學組織形式：課堂講授以板書和PPT相結合，開展啟發式和案例教學模式，使學生學習由淺入，循序漸進。線上學習以學生自學為主。

教學要求：(1)能力培養：要求學生掌握多相催化反應過程的步驟和判斷速率控制步驟。掌握等溫多孔催化劑上氣相反應擴散微分方程的建立和求解方法。理解氣體在多孔顆粒中的擴散類型及有效系數的概念。了解流體與催化劑顆粒外表面間的傳質和傳熱對多相催化反應速率及選擇性的影響。(2)素質培養：培養學生專業素養以及分析與解決實際問題的能力。

5 課程考核與成績評定

成績組成：包括平時學習態度(占比10%)、平時作業(占比20%)和期末成績(占比70%)。

評分標準：按期末考試的參考答案評分。按百分制計分，總評時折算成70分。

(1)優秀(90-100分)標準：掌握化學反應速率、轉化率、選擇性、收率、膨脹因子、膨脹率、空時和空速的計算方法。掌握等溫間歇釜式反應器、連續釜式反應器和等溫管式反應器的設計方程。掌握全混流反應器及平推流反應器的串聯和并聯操作及計算方法。能熟練根據反應器停留時間分布，計算模型參數。能熟練根據多相催化反應過程的速率控制步驟，推導和求解反應動力學方程。能夠運用反應工程的基本原理，考慮社會、健康、安全以及環境等因素，建立數學模型，合理進行反應器的設計。

(2)良好(80-89分)標準：較好掌握化學反應速率、轉化率、選擇性、收率、膨脹因子、膨脹率、空時和空速的計算方法。較好掌握等溫間歇釜式反應器、連續釜式反應器和等溫管式反應器的設計方程。較好掌握全混流反應器及平推流反應器的串聯和并聯操作及計算方法。能較熟練根據反應器停留時間分布，計算模型參數。能較熟練根據多相催化反應過程的速率控制步驟，推導和求解反應動力學方程。能夠運用反應工程的基本原理，考慮社會、健康、安全以及環境等因素，建立數學模型，較合理地進行反應器的設計。

(3)中等(70-79分)標準：基本掌握化學反應速率、轉化率、選擇性、收率、膨脹因子、膨脹率、空時和空速的計算方法。基本掌握等溫間歇釜式反應器、連續釜式反應器和等溫管式反應器的設計方程。基本掌握全混流反應器及平推流反應器的串聯和并聯操作及計算方法。基本能根據反應器停留時間分布，計算模型參數。基本能根據多相催化反應過程的速率控制步驟，推導和求解反應動力學方程。基本能運用反應工程的基本原理，考慮社會、健康、安全以及環境等因素，建立數學模型，進行反應器的設計。

(4)合格(60-69分)標準：部分掌握化學反應速率、轉化率、選擇性、收率、膨脹因子、膨脹率、空時和空速的計算方法。部分掌握等溫間歇釜式反應器、連續釜式反應器和等溫管式反應器的設計方程。部分掌握全混流反應器及平推流反應器的串聯和并聯操作及計算方法。能根據反應器停留時間分布，粗略計算模型參數。能根據多相催化反應過程的速率控制步驟，對反應動力學方程進行部分推導。能運用反應工程的基本原理，考慮社會、健康、安全以及環境等因素，建立數學模型，進行反應器的簡單設計。

(5)不合格(0-59分)標準：化學反應速率、轉化率、選擇性、收率、膨脹因子、膨脹率、空時和空速的計算方法未能完全掌握。等溫間歇釜式反應器、連續釜式反應器和等溫管式反應器的設計方程未能完全掌握。全混流反應器及平推流反應器的串聯和并聯操作及計算方法未能完全掌握。未能根據反應器停留時間分布，計算相關的模型參數。未能根據多相催化反應過程的速率控制步驟，進行反應動力學方程的推導和求解。未能運用化學反應工程的基本原理，進行反應器的合理設計。

平時學習態度：按百分制計分，總評時折算成10分。

(1)優秀(90-100分)標準：上課認真聽課，積極參與課堂教學互動，完成線上資源學習90%～100%。

(2)良好(80-89分)標準：上課認真聽課，參與課堂教學互動較積極，完成線上資源學習80%～89%。

(3)中等(70-79分)標準：上課聽課較認真，能參與課堂教學互動，完成線上資源學習70%～79%。

(4)合格(60-69分)標準：上課聽課較認真，能偶爾參與課堂教學互動，完成線上資源學習50%～69%。

(5)不合格(0-59分)標準：上課聽課不認真，極少或未參與課堂教學互動，完成線上資源學習低于50%。

平時作業：按百分制計分，取幾次作業的平均分，總評時折算成20分。

(1)優秀(90-100分)標準：嚴格按要求并及時完成；書寫清晰，正確率90%以上，沒有抄襲情況。

(2)良好(80-89分)標準：按要求并及時完成；書寫清晰，正確率80%至89%，沒有抄襲情況。

(3)中等(70-79分)標準：按要求并及時完成；或未及時完成，但補交及時，態度端正；正確率70%至79%。

(4)合格(60-69分)標準：及時完成，正確率60%至69%；或未及時完成，老師指出后改正態度端正并補充完成，且正確率高于60%。

(5)不合格(0-59分)標準：正確率低于60%，或未按要求、未及時完成，老師指出后仍不改正。

6 課程目標達成評價方式與成績比例

表1 畢業要求達成分解

②H：高度相關；M：中度相關；L：低度相關。

7 結 語

針對《工程教育專業認證通用標準》中的畢業要求， 基于成果導向(OBE)理念的課程教學改革勢在必行。本文結合《化學反應工程》教學過程中的特點和實際問題，制定出符合實際的《化學反應工程》課程教學方法和評價體系，明確了課程目標與制藥工程專業畢業要求的支撐關系，為培養學生成為具備綜合素質、工程實踐和創新能力、團隊合作的應用型人才提供指導，從而增強學生解決復雜工程問題的能力。