案例教學法在“化學反應工程”教學中的應用探討

丁 鶴，蓋世麗，賀 飛

（哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

新工科建設是在“卓越工程師教育培養計劃”的基礎上提出的一項持續深化工程教育改革的重大行動計劃，其時代特征鮮明，呈現多學科交叉、多主體參與的特點。為了應對新的經濟挑戰，高等教育院校仍需深入推進新工科建設行動方案，以培養出能治國安邦的人才和全面發展的高級專業人才為高等教育的最終目標。其中，專業教育是人才培養的基本單元，是建設高水平本科教育、培養一流人才的“四梁八柱”。為了適應新工科建設的需要，創新人才培養方式，不斷深化教學改革，運用新的教學理念和教學方式十分有必要。

在高等教育教學改革進程中，案例教學法受到一線教師的關注，使其在專業課程教學實踐中得到廣泛應用［1-3］。案例教學法的應用不應脫離具體的教學過程和教學情境［4］，因此精心挑選教學案例，基于教學內容設置案例導入問題，將課程知識點與案例內容緊密結合，并系統梳理案例在教學實施不同階段的任務和要點，最后評估案例教學成效，形成案例教學“設計—引入—實施—評估”的教學閉環十分關鍵。

“化學反應工程”是化學工程與工藝專業學生的核心必修課，課程主要研究“化學反應工程”的科學問題，并據此進行化學反應器的選型、設計及分析。基于“化學反應工程”進行案例教學法應用探索，對培養化工類高素質人才具有重要意義［5］。

一、案例教學法的分類

（一）經典案例教學法

經典案例教學法指以哈佛商學院等為代表的有統一教學規范、明確教學目標及專門案例選擇的案例教學法［6］。經典案例教學法的案例教學庫以真實事件為背景，經過標準化的案例寫作、測試及評審后收錄于教學案例資源庫中。經典案例教學法要求教師注重教學過程的規范性，要求學生在課前完成充分的自我學習。

（二）項目案例教學法

項目案例教學法以問題為導向，側重于對現實問題、具體任務提出解決方案［6］。項目案例可為實例，從解決實際問題的角度出發，項目案例教學具有手段和目的的兩重性。由于實際問題通常是具體且個性化的，因此案例教學法要求教師具備扎實的行業功底和實踐經驗。此外，項目案例教學法將占用學生更多的課后時間，這也是解決實際問題的客觀要求。

（三）傳統案例教學法

傳統案例教學法是基于講授式教學，通過引入、演化、創新等過程形成的案例教學法［6］。傳統案例教學法具有靈活多樣的特點，更側重于知識的傳遞和對課堂教學成效的綜合評價。教師的教學案例選擇彈性較大，所選案例的時效性、針對性、規范性及一致性給教學過程帶來了挑戰。

二、“化學反應工程”課程教學目標及教學痛點分析

化學反應工程是一門研究化學反應工程問題的科學，其基本任務是通過對化學反應動力學和物理傳遞過程的特性及其相互作用規律的研究，進行化學反應器分析、化學反應器的選型及設計計算，并提出最佳設計方案，從而使一個化學反應過程更加經濟、合理地應用于工業生產中。

具體課程目標：（1）熟練掌握工業反應器宏觀動力學模型及流動模型，運用化學反應過程與動量、質量、熱量傳遞交互作用的基本規律，研究工程因素對反應結果的影響。（2）能夠根據化學反應的特征及各種類型反應器的傳遞特征確定反應器的選型和操作條件等，應用數學模型法進行反應工程的研究和反應系統優化設計，針對化工領域的復雜工程問題明確設計需求，設計解決方案。（3）具備對反應系統進行分析與設計的能力，深刻認識各類反應器的特點和作用，掌握根據各種化學反應的特征確定反應器的類型和操作條件，能夠針對化工領域的復雜工程問題設計實驗方案、工藝方案和技術參數。（4）能夠理解工程師對公眾安全及環境保護的社會責任，能夠根據各方面的有關因素提出優化設計和操作方案，通過工程放大和優化方法制定并優化工業反應及生產操作過程。

教學難點及痛點：（1）課程知識點繁雜。課程涉及多門專業課的知識，知識點多且復雜，具有較強的理論性和專業性，是對化學反應過程與動量傳遞、質量傳遞、熱量傳遞相互作用的宏觀反應過程的分析。（2）學生數學建模能力薄弱。課程需要學生具有較強的反應器數學模型建立及分析能力，具體指學生能夠應用理論推演和實驗研究工業反應過程的規律而建立數學模型，并結合工程實踐經驗進行工程分析和設計。（3）學生工程意識培養難。課程強調學生工程意識的建立，培養學生利用所學知識解決復雜工程問題的能力，如能夠綜合利用反應器模型模擬復雜的工業生產過程，并能夠根據具體的化學生產工藝進行反應器選型及尺寸計算、操作方式及操作條件的設置。

三、案例教學法在“化學反應工程”課程中的應用探索

（一）教學設計

為了實現教學目標，使學生深刻理解反應器選型對化工生產的重要性，教師精心選擇工業生產案例，有針對性地就生產案例中的反應器設計創新部分進行提煉。首先，所選生產工藝應符合當今化工行業發展綠色環保的要求，培養學生“綠色化工”環境保護和可持續發展意識。其次，所選案例應具有典型性和代表性，能從案例中提煉出一般性知識和結論。最后，所選案例應具有一定的高階性和科研創新性，使學生對化學反應工程創新發展方向有一定的了解。最重要的是應秉承綜合性的原則，考慮學生當下的學習認知度和學習能力，以及課堂討論效果，合理選擇案例教學內容。

（二）教學實施過程

形成案例教學“設計—引入—實施—評估”的教學閉環有助于提高教學效果，提高人才培養質量。其中，教學實施過程是案例教學的關鍵。

1.知識點學習。教師應根據教學大綱的要求將教學知識點告知學生，以“反應器選型”這一知識點為例，其包含的內容如下：（1）間歇釜式反應器。釜式反應器大都用于完全互溶的液相或呈兩相的液-液相及液-固相反應物系在間歇狀態下的操作。間歇反應器操作具有如下特點：一是反應器內的物料濃度達到分子尺度上的均勻，反應器內物料濃度處處相等。二是反應器內具有足夠強的傳熱條件，反應器內各處溫度相等。三是反應器內物料具有相同的反應時間。間歇及連續流動的釜式反應器廣泛用于含液相反應物料的系統，如精細合成中的液相反應及液-液非均相反應，有色冶金及化學礦加工中的液-固相反應，生物反應中的微生物發酵反應，聚合物生產中的乳液及懸浮液聚合，氣-液-固非催化及催化的三相反應及油脂加氫或有機物氧化的氣-液相反應等過程。（2）平推流均相管式反應器。若物料在反應器內徑向速度分布均勻，反應器內沒有返混，這種理想流動稱為平推流。管式反應器中的物系處于湍流狀態，且反應器管長遠大于管徑時，可近似為平推流反應器。連續操作的平推流反應器特點如下：一是定態操作時，反應器的徑向截面上的物料參數（濃度、溫度等）沿著物料流動方向變化，與時間無關。二是物料在反應器內徑向速度分布均勻，反應速率變化只限于軸向。三是反應物料在反應器內停留時間相同。（3）連續流動釜式反應器。連續流動釜式反應器在強烈攪拌的情況下可視為全混流反應器，反應物料連續地加入和流出反應器，不存在間歇操作過程中的輔助時間的問題。連續流動釜式反應器反應特征如下：一是反應物濃度處于出口狀態的低濃度，反應產物濃度處于出口狀態的高濃度。二是反應器內物料返混程度最大。三是反應器內的物料參數（濃度、溫度等）不隨時間變化。（4）固定床反應器。凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進行反應的裝置都稱為固定床反應器（外形、結構與填料塔類似），床層內流體流動接近于平推流。

2.案例背景分析。教師布置案例，明確案例背景，如在“反應器選型”這一知識點的教學過程中，以工業生產中微生物發酵法制備丙烯酰胺這一工藝流程的反應器選型為例，通過生產工藝改進過程中反應器選型的優化，介紹反應器選型對化工生產的重要性。

案例背景：丙烯酰胺作為一種重要的化工產品，主要用于制造水溶性聚合物——聚丙烯酰胺。20世紀70年代，用生化工程法生產丙烯酰胺逐步發展起來。1979年，日本的渡邊一郎等人使用棒狀桿菌屬和諾卡氏菌屬，在15℃以下的反應條件中生產得到的丙烯酰胺含量可達20%～30%。1985年，日本日東化學工業公司在橫濱廠建成年產4000噸的丙烯酰胺裝置，開始了丙烯酰胺的生化法工業生產。中國上海生物化學工程研究中心已完成了微生物催化法生產丙烯酰胺的中試研究。2000年，山東勝利油田建成并投產萬噸級微生物法生產丙烯酰胺及配套聚丙烯酰胺的工業裝置。

3.案例分析與討論。針對聚丙烯酰胺的工業化過程發展史，在“反應器選型”這一知識點的教學過程中，教師與學生就以下幾個問題進行了深入探討：（1）聚丙烯酰胺工業化生產反應器選型的依據是什么？（2）目前已經實現工業化生產的聚丙烯酰胺微生物發酵法采用哪種反應器？使用不同種反應器的優缺點分別是什么？反應器的設計與應用通過哪種工程因素影響了生產工藝的收率？（3）你認為未來哪種反應器類型在工業微生物發酵法生產丙烯酰胺具有重要的價值？當前尚需解決的反應器設計問題是什么？

反應器選型：（1）間歇釜式反應器。目前工業化的丙烯酰胺微生物轉化過程主要在攪拌反應罐內實現，采用間歇操作的方式。該反應方式存在細胞易破碎、生產過程不連續、產品質量不穩定、生產效率不高等問題。（2）填充床反應器。Jun Sik Hwang和Ho Nam Chang等報道了填充床采用“批式流+丙烯腈”的生產方式。該生產方式存在反應原料和生物催化劑的接觸不充分、傳質速率受限、反應速率低、反應放熱等不利影響，該填充床的生產效率比較低。1990年，Ho Nam Chang等又開發了在分兩端的固定化細胞填充床中進行批式循環流加的生產工藝。（3）密集多相流反應器。1991年，Bernet N等應用密集多相流反應器進行丙烯酰胺微生物轉化過程。通過空氣流動保持粒子處于流動狀態，增加混合度。該生產方式具有空氣流量較小、流動相內部混合均勻、固定相含量較高的優點，但空氣的存在會加速腈水合酶失去活力。隨后，Arnaud等人繼續開發了密集兩相流化技術，避免了空氣的引入，實現了較高的轉化率。（4）膜生物反應器。1987年，Jun Sik Hwang和Ho Nam Chang等利用雙層中空纖維結構的生物反應器進行聚丙烯酰胺微生物轉化過程。采用的雙層中空纖維以聚酮為外層，以聚丙烯為內層。這種形式的反應器將細胞培養和酶催化反應進行了整合，實現了反應過程的連續化。此外，中空纖維反應器有效分隔了高濃度底物和酶，提高了酶的催化反應效率。

（三）課程思政

將生物技術應用于化學工業的產業被認為是21世紀最具有發展潛力的產業之一。2021年6月1日，生態環境部發布了《關于加強高耗能、高排放建設項目生態環境源頭防控的指導意見》（以下簡稱《意見》），堅決遏制高耗能、高排放項目的盲目發展，推動了綠色轉型和高質量發展［7］。《意見》的出臺進一步提高了化工行業的準入門檻，要求企業加快現有項目的轉型升級和淘汰，對生產技術的發展提出了更高的要求。通過反應器選型這一知識點的案例教學可以進一步培養學生的工程師意識，使本專業學生在未來從事化工生產時能夠綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化及環境等因素。

（四）教學效果

學生在課前能夠充分調研各種反應器類型在工業生產中的應用實例，對“反應器選型”的重要性有了一定的了解，授課過程中學生對這一部分知識點的掌握較為牢固。此外，在針對微生物發酵法生產丙烯酰胺工藝發展歷程的調研過程中，學生能夠橫向對比多種類型反應器在實際生產過程中的優缺點，并意識到反應器選型對實際生產的影響。在教學過程中，通過生產實例教學，能夠吸引學生的注意力；問題導入式的案例教學能夠激發學生思考和分析問題的主動性，充分調動課堂氛圍；實例教學初步培養了學生的工程意識，從課本中看到了化學生產工藝的科研創新。案例教學法在“化學反應工程”課程中的“反應器選型”這一知識點的教學應用探索初見成效。

結語

在“化學反應工程”課程的教學過程中運用案例教學法，需要授課教師精心選擇案例，并設計導入問題，將教學內容與實際案例科學有效地結合起來。此外，可將案例教學與其他教學手段相結合，如新媒體教學、翻轉課堂、虛擬仿真實驗等，進一步提高學生自主學習和獨立思考的能力，通過“理論—分析—實踐—理論”的閉環教育模式提升“化學反應工程”課程的教學效果，為我國化工行業培養高素質綜合型人才。