新時代下《化學反應工程》課程建設的思考與探析

＊孫志娟 吳振宇 楊阿三 霍超 劉華彥 于尚志 聶勇

（中國石油和化學工業聯合會生物柴油工程實驗室，浙江省生物燃料技術利用研究重點實驗室浙江工業大學化學工程學院 浙江 310014）

化學反應工程作為化工發展的龍頭，也是化學工程學科的基礎內容。1957年在荷蘭召開的第一屆歐洲化學反應工程會議系統地總結并論述了有關宏觀反應動力學及反應過程工程分析的若干基本問題，確定了“化學反應工程學”的名稱，這門學科分支與傳遞過程的形成，共同標志著化學工程學科發展進入第二個里程碑[1]。

《化學反應工程》課程作為高等院校化學工程與工藝及相關專業本科生的專業課，主要目標是用科學哲學范式來引領和管理學習，掌握與反應器分析及設計密切相關的基本概念或知識點；深刻理解各類理想反應器模型及非理想反應器模型，熟練掌握等溫和非等溫反應器的設計計算方法。該課程以數學、物理、化學、生物等基礎類課程和化工熱力學、化工原理、傳遞過程等專業基礎課程為先修課程，并進一步支持化工設計、化工安全和化工系統工程等相關專業課的學習。

1.《化學反應工程》的課程建設與特色

浙江工業大學的《化學反應工程》課程源遠流長，先后經歷了20世紀60年代—90年代初課程建設的初步階段、20世紀90年代的發展階段以及2000年以來的成熟階段。學校、學院一直都非常重視反應工程課程建設，自2002年起學院、學校先后立項，進行本課程的教學改革和課程建設，特別是從2010年開始化學反應工程浙江省級精品課程建設以來，化學反應工程教學團隊堅持以人為本，知識、能力、素質全面協調發展的教學理念，深化課程改革、更新教學內容、不斷改進教學方法和手段，取得一定的建設成效，并形成了較鮮明的特色，具體總結歸納如下。

（1）選用國外優秀教材，通過啟發式教學與習題的求解，培養學生的邏輯思維能力，引導學生開發評判式學習和創造性思維技巧。

2004年以前，一直使用浙江大學教授陳甘棠先生主編的《化學反應工程》，其間根據主講教師的情況在部分學生中使用[美]Octave Levenspiel著的原版教材《Chemical Reaction Engineering》[2-3]。2004年后根據“面向21世紀化學工程與工藝專業培養方案”的精神和強調“厚基礎、寬專業”的指導方針，針對課程授課時數不斷緊縮的實際問題，結合本課程的授課理念，在充分了解國內外各版本《化學反應工程》教材基礎上，最終確定[美]H.Scott Fogler著的《Elements of Chemical Reaction Engineering》教材作為本科教學的教材，并輔以豐富的網絡資料和工程案例作為補充學習資料[4]。該教材的特色在于通過啟發式教學和求解不同難度的習題，從而培養學生的判斷性、創造性思維能力，使學生能夠通過推理而不是死記硬背去掌握所學的內容，并且可以借助于數值方程去解決化學反應工程領域的問題。該教材為國外優秀教材，內容體系完整，并以典型的化工領域中的工程案例為例題和習題，加深學生對知識的深化理解和吸收應用，此外教材有配套的英文網站，包含了該學科領域的一些最新進展。目前在國內出版的該教材包括第三版的中譯版和第四版的英文版，教學團隊根據學生基礎不同，采取分層次教學，大部分學生選用中譯版，而少部分英語基礎好的學生使用原版教材。

（2）強調在數學建模中數學解析與數值計算并重；引入Polymath數值計算軟件，方便學生解題，促進學生理解反應工程原理，增強學生數值計算能力。

針對《化學反應工程》課程中有大量的數學模型的計算，在課程教學中充分利用Polymath軟件，可以方便地解決反應工程中許多復雜的數學計算問題，使例題和習題可以更多地采用生產實際過程的例子，既避免了學生大量繁瑣的計算量，又可以提高學生充分利用所學知識解決實際問題的能力，激發學習反應工程的興趣。此外，在教學過程中強調數值計算的重要性，加強對學生計算機應用能力的培養，這樣既解決了學生求解反應工程數學模型方程難的問題，又使學生學到了數值計算的基本原理，掌握了新的計算工具。

（3）強調理論知識與實踐應用相結合。引入國內外豐富的工業實例，并結合任課教師科研實踐案例，強化學生的實踐創新和工程應用能力。

《化學反應工程》是一門綜合實踐性強的課程，為提高教學質量，強化學生的實踐創新和工程應用能力，授課過程中強調理論知識與實踐應用相結合[5-6]。在教學過程中，工業案例貫穿課程的始終，從成功的工業案例出發進行教學，可以使學生真切感知專業課與實際應用的關系，了解工業上的需要，理解工業問題的分析，掌握工業問題解決中的方法論及多樣的解決方案，學會如何根據特定場景需求、特色工藝需求等靈活進行反應裝置的選擇和優化設計，充分理解化學工程問題的“三傳一反”集成和綜合解決問題的重要性。如引入的國內外的工業案例包括石油煉制過程中的催化裂化反應器、合成氨過程催化劑及催化反應機理、SO3的合成等。同時，本校化學反應工程教學團隊成員也均有工程實踐背景，并長期從事反應工程方向的相關研究，在授課中可將自身的科研成果作為案例分享給同學們，引導同學們進行思考所學知識與工業應用間的內在關系，切實體會所學知識的價值和應用前景，從而進一步提高了學生的學習主動性。

（4）結合化學反應工程實踐性強的特點，本課程依托浙江工業大學莫干山校區新建的化工實訓中心，加強培養學生的工程實踐能力。

浙江工業大學在新工科建設背景下建成了綠色、開放、共享的大型實習實訓基地，共建有大型半實物仿真工廠2套，各種生產實訓裝置9類26套，大型半實物仿真教學工廠（見圖1所示）建有兩條線：分別是80萬噸乙烯生產和60萬噸/年煤制甲醇的數字工廠。80萬噸乙烯生產是以乙烯生產真實工廠為原型開發，裝置包括：裂解、急冷、裂解氣壓縮、壓縮制冷等工段，60萬噸/年煤制甲醇也是以真實工廠為原型開發，裝置包括：水煤漿氣化、變換、低溫甲醇洗、甲醇合成、甲醇精制等工段。兩套數字工廠均具有開停車、事故處理、設備認知、DCS培訓、消防應急演練等多種實踐教學功能。在講授課程知識點的同時，將信息技術與實訓項目深度融合，讓學生參與工程實訓，虛實結合緊密，豐富教學內容、加強學生工程實踐能力[10]。

圖2 《化學反應工程》智慧樹線上課程首頁與課程介紹

2.《化學反應工程》的線上線下的混合式教學

為提高教學質量，需要對授課方式進行改革，主要是將傳統的線下的授課方式變成線上線下混合式教學[7-8]。《化學反應工程》教研組設計開發了輔助教學的《化學反應工程》多媒體CAI課件，將文字、動畫、圖像等媒體有效地組合在一起，錄制豐富的教學視頻并上傳到超星網絡課程中讓學生可以永久學習，使原本枯燥的內容和抽象的理論轉變為生動、形象的動畫視頻。在課堂教學中，增加了任務驅動、問題驅動的教學方式，反應工程解決的核心問題就是為具有一定特性的化學反應配置滿足該特性的化學反應器，即化學反應特性與化學反應器傳遞特性相適應，在講解了基本原理的基礎上，適當設計一些具有工業背景的化學反應，并給出這些反應的特點，提出反應器的選型與設計任務，或提出反應器的操作問題，與學生共同探討，通過對反應特性的分析，選擇、建立反應器及其模型，通過數值求解，對結果進行分析包括敏感性分析，促進學生對反應工程基本原理的理解，也提高學生學習興趣，同時也加強了課堂互動，效果良好。

此外，基于“互聯網+”教學理念，浙江工業大學化學反應課程團隊經過認真梳理課程內容，將重要的核心內容整理成24個知識點，精心錄制了視頻并在智慧樹平臺上上線，于2021年學期正式對外開放共享，形成了課前線上預習、課中線下講授討論、課后線上鞏固復習的高效的線上線下混合式教學模式。本線上課程也對外開放共享，目前已有19所高校學生選課，累計選課人數達879人。

在《化學反應工程》的教學工程中，努力做到啟智潤心相統一，不僅要教學生學習知識，也同時要培養學生的專業使命感、專業認知和專業倫理觀，理解反應工程的歷史發展和未來趨勢，體會現代化工的重要性和吸引力。在具體授課過程中將培養學生的家國情懷、社會責任感和專業志向貫穿始終[9-10]。具體舉措有：一是通過介紹與化學反應工程相關的歷史上的重大貢獻及相關諾貝爾化學獎獲得者的重要貢獻，使學生理解該學科對社會發展的重要推動作用，提升學生的專業自豪感、責任感和使命感。如在講解理想反應器設計章節中就引入閔恩澤院士研究開發的磁穩定床反應器可以集成漿態床、固定床和流化床反應器的優點，實現反應過程強化。二是結合工業案例分析，使學生認識到本學科的科技發展前沿與活力以及與能源、環境、資源、新材料、醫藥健康等領域的重要關系[1]。如結合浙江工業大學劉化章教授在合成氨催化劑方面的研究成果（獲中國催化成就獎）來講授催化劑的作用及催化反應機理。三是結合教師自身的科研案例分析，培養學生的實踐能力和創新精神。浙江工業大學化學反應工程教學團隊在生物柴油的開發及應用、新型反應器設計個方向都有豐富的案例，通過讓學生直接參與科研或競賽等課外科技活動中，讓學生了解生物柴油是一種具有可再生、環境友好、燃料性能好、原料來源廣泛等特點的新型能源，生物柴油的發展對我國推進能源替代、緩解環境壓力、經濟可持續發展起著重要的作用，特別是在目前“碳達峰”“碳中和”新形式下尤為重要。

3.結語與展望

《化學反應工程》課程一直是浙江工業大學的重點課程，目前已建設為校級優秀課程、浙江省精品課程和浙江省一流課程，經過三十多年的建設，在課程思政建設、教材選用、教學手段、教學方法和模式、網絡教學建設形成了自己的特色。在新時代背景下，如何結合時代使命、新工科人才的培養要求，充分利用豐富的網絡資源和教學工具加強本課程的課程思政、線上線下混合式教學，這些都值得我們進一步努力探索并解決。