新工科建設背景下《化學反應工程》課程改革探索

徐英 王曉敏 吳春燕 翁艷英 蒙建成

摘要：《化學反應工程》是一門具有較強工程實踐性的課程，根據人才培養方案，屬于化學工程與工藝的專業核心課程。為適應國家的新工科建設戰略要求，本文針對當前新工科建設背景下《化學反應工程》課程教學存在的不足，對課程進行教學內容優化、教學模式改進、加強工程實踐能力培養和改善考核方式等方面對《化學反應工程》課程進行教學改革，以提高課程的教學質量，加強學生的工程專業素質。

關鍵詞：新工科化學反應工程? 工程實踐? 教學改革

中圖分類號： G642.0 文獻標識碼： A 文章編號：

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，教育為本，2018年，習近平總書記在北京大學考察時強調，黨和國家事業發展比以往任何時候都迫切需要高等教育、優秀人才和科學知識[1]，新形勢下，國家急需培養一大批創新創業人才和應用型人才也迫切需要提高高等教育的人才培養質量[2]。2017年2月18日，高等工程教育發展戰略研討會在復旦大學召開，會上教育部首次提出了“新工科”的教育理念[3]，希望全國高校深化工程教育改革，進一步開展工科新學科研究和實踐活動，促進工科新學科建設發展[4]，明確要求在工程技術創新和產業創新領域，高校應當發揮主導作用，培養和造就一大批具有較強的創新能力、工程能力的復合型和高素質 “新工科”人才[5]，并提出，新工科建設對高等學校來說，其核心任務是研究學科領域學術、建設學科人才隊伍和培養專業人才3個方面，并指出為滿足當前新工程的建設和行業的需求，學科人才隊伍建設是新工科建設的核心任務，因此，實施新工科建設任務，就要求教師對專業課程的教學內容和教學方法等方面進行不斷改革創新，以培養適應國家戰略和新經濟需要的人才[6]。

化學工程與工藝專業人才培養方案以“面向21世紀‘化學工程與工藝’”要求為基礎，力求培養具有創新精神，具備扎實基礎、較寬專業、綜合能力較強的高素質化工專業人才[7]。根據教育部頒發的《普通高等學校本科專業目錄和專業介紹》，《化學反應工程》屬于具備寬口徑的專業核心課程，也是“三傳一反”的核心課程之一，對于學生工程觀念的培養、工程分析能力的強化和工程實踐能力的發展具有十分重要的作用[8]，該課程涉及石油、材料、建材和環境等諸多領域的生產裝置和工藝技術規律等，是研究過程工業的多個專業重要的基礎課程，課程涉及物理化學、化工原理、化工傳遞過程、化工熱力學、化工單元操作和優化與控制等多門課程的相關知識 [9]。《化學反應工程》是對學生的工程能力培養非常重要的一門課程，任何一個化學反應，要想從實驗室階段放大到工業生產，或者許多重要的化學工程問題，如設計工業反應器等都離不開該門課程的指導[10]。因此，《化學反應工程》課程建設對化工人才專業知識培養、工程分析能力的強化和工程實踐能力的發展和新工科建設的推進中具有十分重要的作用，因此，在課程學習中，要求學生在掌握相關定量和設計計算等基本理論的基礎上，具備一定的工程思維、工程分析和解決工程實際問題的能力，但目前教師在授課過程中仍以課堂理論教學為主，導致《化學反應工程》被認為是大學中最難的課程之一，學生學習困難、學習效果差[11]，而且課程評價方式單一，主要以期末卷面成績為主，不能很好地體現學生的課程掌握程度和學生應用專業知識解決實際問題的綜合能力 [12]。

在新工科建設和提高人才培養質量的時代背景下，急需通過教學改革改善《化學反應工程》教學過程中存在的問題，以提高課程教學效果，適應新工科建設戰略要求 [13]。

1課程教學現狀

1.1教學內容復雜，教學難度大

《化學反應工程》課程內容范圍廣，該課程主要研究化學反應過程及設計工業反應器等問題，學科交叉性強，教學難度大[14，15]，課程核心是反應器類型、特點及適用范圍、反應器內流體的流動狀態、反應器內流體數學模型的建立及工程中反應器設計計算等，內容偏重數學模型、化工設備和工藝流程等工程實際方面的課程內容，計算多、公式多、涉及學科多，涉及生產實際較多，難點多，非常復雜[16]。

本課程全部為理論授課，缺乏實踐教學，且由于本科生對實際化工反應設備和生產過程比較陌生，很難將《化學反應工程》課程中的專業理論知識和工業實際應用進行相互關聯，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[15]。

《化學反應工程》的課程特點使教學難度增加，采用傳統的課堂教學方法無法取得很好的教學效果[14]。因此，亟需對《化學反應工程》進行課程改革，以提高教學效果。

1.2 教學模式陳舊，教學效果差

根據專業培養方案，按照化學工程與工藝專業培養計劃和教學計劃，《化學反應工程》一般在大三年級第一學期開設，但是經過教學實踐發現，由于課程內容復雜，教學課時緊湊，而我校化工專業學生基礎較差，認為《化學反應工程》是非常難學的一門專業課，學習時普遍感到課程知識比較抽象、涉及的計算多、計算難，而且偏重數學模型、化工設備和反應器等工程實際方面的課程內容，使學生厭倦，感覺枯燥無味，缺乏學習的積極性和主觀能動性[17]。傳統的教學方法以教師課堂理論授課為主，多采用多媒體教學和黑板書寫。雖然教師可以用一些圖片和動畫來演示反應過程和反應器設備結構，但由于反應器種類復雜，理論計算格式復雜，學生難以掌握課程知識，學生學習積極性和主動性差，課堂互動性不高，缺乏有效培養學生工程實踐能力和創新精神的環節，教學質量難以保證[18]。因此，陳舊的教學模式已經無法適應新時期《化學反應工程》課程的教學任務和新工科建設的要求[15]。

1.3考核模式單一

《化學反應工程》大多采用平時和期末考核相結合的課程考核模式，其中平時考核主要包括學生考勤、課堂測試和課后作業等，這種方法雖然可以對學生的課程專業理論知識的掌握情況進行基本的定量反映和評價，但缺乏對學生綜合能力的有效評價，不能很好體現學生應用專業知識的能力[19]。

2 教學改革

2.1優化課程教學內容

根據國家“新工科”戰略和專業培養方案要求，為強化培養劇本專業工程綜合應用能力的化工專業人才，采用朱炳辰先生主編的《化學反應工程》（第三版）為授課教材，以氣-液相、液-固相和氣-固相等反應為主線，以反應器設計為目標，便于學生奠定解決工程問題的專業理論基礎和認知多相反應器，易于學生循序漸進地對教材知識的理解和掌握[20];以李少芬版《反應工程》作為知識補充，穿插聚合反應工程、生化反應工程、電《化學反應工程》等領域的教學知識，拓展學生的課程知識[15]。

根據教學經驗，結合教學內容，除教材外，利用視聽演示、多媒體演示、學習通和慕課等開放教育資源、時刻關注學科前沿動態，對教學內容進行豐富和優化，拓寬學生的知識面。整個教學內容分為3個部分：第一部分是引言，在教學過程中，組織學生討論廣西華林松香企業的發展現狀，在潛移默化中讓學生了解《化學反應工程》的課程任務、解決問題和采用方法，提高學生的學習積極性;第二部分的課程內容是化學反應動力學、反應過程傳熱傳質、反應器熱穩定性等基本原理、理論和研究方法，以反應器放大時工程因素對反應結果的影響為主線，為發展學生的工程思維奠定堅實的基礎;第三部分授課內容是不同反應器數學模型的建立、設計反應器、計算反應器內物料的流動形態和傳遞過程，這部分以工程分析為主，比較晦澀難懂，故利用網絡資源等教育資源，利用課堂智慧教學工具，尋找間歇罐反應器、全混流等相應反應器的工程應用實例反應器、活塞流反應器和反應器內部流體傳遞的動畫數據，讓學生掌握建立和設計反應器數學模型的基本方法，深入了解反應器內物料流動對化學反應的發展和放大的影響。

此外，根據新工程建設的要求，聚合反應工程、生化反應工程、新材料合成反應工程、電《化學反應工程》、超臨界反應工程、微反應工程、環境反應工程等新技術及超重力反應工程其他課程的前沿動態融入課程教學過程中;結合課程特點，將科研成果嵌入教學過程，豐富和優化教學內容，拓展學生的課程知識，提升課程教學的深度和質量[13]。

2.2 改革授課模式

《化學反應工程》的很多知識點都是抽象的，難以理解，而傳統教學模式單一，教師主動發言，學生被動學習，師生互動不足，限制了學生對知識的理解和應用[16，17]。因此，為達到良好的教學效果，需要運用種教學方法是提高課程教學質量[14]。

采用教學課件與板書相結合的教學模式，教授課程的基本概念、原理和方程式，節奏容易控制，師生同步思考，采用問題導向的方法學習知識點對應的工程問題。帶問題學習有助于學生在明確學習目標的基礎上提高學習積極性; 動畫、視頻等方式展示反應器內部結構、流場、濃度、溫壓分布、流動現象、反應器內參數分布等;采用翻轉課堂對反應器設計、操作與優化等綜合性難點進行課堂討論。例如，在講授第九章氣液固三相反應工程時，將班級學生分成4組，通過查閱資料分別對三相反應器如三相滴流反應器、機械攪拌鼓泡懸浮式三相反應器、鼓泡淤漿床反應器和氣—液并流向上三相流化床反應器進行反應器特點、適用范圍及目前發展現狀和進展總結歸納，突出學生主體地位，使其深入理解知識點;采用案例教學訓練各章重要知識點的綜合應用，為培養學生工程思維和工程應用能力[21]。從教師指導到學生學習的轉變，強化基本原理和基礎知識，加強反應器設計計算等方面的相關練習。很多學生習慣了被動的學習方式，不愿意主動思考，因此，調動學生的學習熱情和主觀能動性對于教學質量的提高非常重要。例如，在學習反應器的內容時，就以間歇罐式反應器的設計為例進行討論，討論包括如何計算反應器的體積、如何確定反應器的結構和材料、如何計算反應器的轉化率，以及如何確定反應器的最佳運行條件等。首先，將班級分成若干小組，全班討論由教師主持，各組派代表宣布確定小組設計方案的過程，并接受其他組學生和教師的提問;其次，教師對每組學生的設計成果和演講進行一一復盤和點評，評價學生設計方案的優缺點，并教會學生從不同的角度和方法去探索和解決實際問題;最后，小組討論了初步數據收集過程并分享了他們在文獻檢索方面的經驗，學生經過自己的積極思考和頭腦風暴后得出結論，極大地激發了他們的學習興趣。

2.3 工程實踐能力培養

新工科建設要求高校對學生工程設計、工藝研發和解決工程技術問題的能力培養[22，23]。在《化學反應工程》課程教學時，結合工程實例，從工程思維的角度來分析、解決企業生產中的實際問題，例如，在講解反應器型式和操作方式對反應轉化率的影響時，以平推流和全混流反應器為例，假設平推流反應器中進行等溫一級反應，出口轉化率為0.9，將該反應移到一個等體積的全混流反應器中進行，且操作條件不變，討論出口轉化率的變化，通過計算，綜合比較兩種反應器的生產能力和生產效率，從而使學生了解不同的反應器特點。

另外，通過讓學生具有去相關企業見習，使學生對教材上設計的相關反應器和工藝具備直觀的認識。例如，在課講授到第五章固定床氣—固催化反應過程時，可帶領學生去當地華林松香企業見習，了解了松香氫化車間的固定床氣—固催化反應，不僅更加牢固地掌握了這類反應器的特點，即催化劑位于反應器底部，氣體從反應器底部進入反應器與反應物料進行反應，提高了學生對課程的學習興趣，訓練學生將課程理論知識與生產實際有機結合，培養學生工程思維和工藝流程設計等方面的綜合能力。

2.4 完善考核方式

課程知識的掌握程度是讓學生綜合運用所學知識點進行探究性學習、突出學生的個性特征和個性化學習，不是簡單地停留在某個知識點的對錯上。針對目前考試成績是課程學習成果唯一量化的表現形式，評價學生的手段相對單一的現狀，對以期末考試成績為主的單一考核模式進行調整和改變，將平時成績的比重增加，多元化課程考核，除了課堂表現、課程作業等平時成績外，增加了翻轉課堂、課程知識相關前沿專題論文、見習報告、問題導向法和分組匯報等表現情況。

采用這種考核方式，將學生的課程參與度、查閱歸納文獻能力、生產見習能力、過程分析水平等方面的能力增加到課程考核內容和范圍中，能夠有效地促進教學效果，全面反映學生對課程的掌握情況和體現專業綜合能力。

3結語

“新工科”建設是國家為提高工科人才的層次與內涵，增強工科人才的創新潛力和工程開發能力而推出的國家創新驅動發展戰略。《化學反應工程》作為化工專業專業核心課程，其課程的工程特點使其備受重視。突破現有教學方式，通過教學內容豐富和優化、增加課程工程實踐、改善課程考核方式等，提高了課程教學效果，使學生在掌握課程專業基礎知識的同時，也具備了一定的工程思維和分析能力。

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