新工科背景下的化學反應工程課程教學改革

彭博，廖業欣，劉彭如，薛興勇，藍平

(廣西民族大學化學化工學院 廣西多糖材料與改性重點實驗室，廣西 南寧 530006)

0 引言

隨著經濟社會發展，為實現國家高質量發展，對創新型化工人才的迫切需求越來越顯著。2015年5月國務院正式印發《中國制造2025》，其核心內容中就有創新和人才，關注人才的發展推動國家創新體系的建立，實現綠色的發展模式[1]，其中涉及的十大研究領域中絕大部分跟化工相關，可見化工專業在經濟發展中的重要地位。為了推動工程教育改革，2017年2月教育部發布了《教育部高等教育司關于開展“新工科”研究與實踐的通知》，號召高等學校開展“新工科”研究，通過包括課程改革在內的各方面的改革推動工科教育改革[2]。2018年9月全國教育大會上，習近平總書記提出全面振興本科教育[3]，本科教學在高等學校中的教育教學重視程度得到提升。面向國家重大戰略發展、立德樹人新要求，以學與教、實踐與創新為主要內容，圍繞工程教育新的理念，構建人才培養的新模式。在之后多個場合習近平總書記提到教育的重要使命，2020年9月11日在科學家座談會上的講話，提到加強創新人才的培養，要把教育擺在更加重要位置，全面提高教育質量，注重培養學生創新意識和創新能力。2021年4月19日在清華大學考察時的講話提到“我國高等教育要立足中華民族偉大復興戰略全局和世界百年未有之大變局，心懷“國之大者”，把握大勢，敢于擔當，善于作為，為服務國家富強、民族復興、人民幸福貢獻力量”。在國家大力發展教育，促進教育改革的背景下，開展“新工科”建設，應對產業和技術的變革，推動我國科技在全球的引領。化工學科對當前疫情的防控起到重要作用，比如口罩的材料、防疫醫藥的提純和生產等。“雙碳”背景下，化工在降碳減排節能過程同樣能夠起到重要的作用。這些正是因為化學工程學科關聯能源、環境、生物、醫藥、冶金、材料、信息、食品等領域，在國民經濟中扮演著重要的角色。因此，開展化工教育的改革成為教育改革的重要一部分，通過改革適應新時代的發展要求已是刻不容緩。

化學工程以化學學科為核心，涉及內容與熱力學、流體力學等形成交叉，集成物質轉化過程的分離-反應-分離等單元功能[4]。反應過程和反應場所是實現物質轉化的關鍵所在。而化學反應工程正是圍繞反應動力學機理和設計反應器的學科?；瘜W反應工程目前是化工專業學生的核心專業課。該課程以高等數學、四大化學、大學物理、大學英語等基礎課程和化工原理等專業基礎課為基礎，后續支持化工過程分析與合成、工業催化、化工設計、化工環保等課程的學習[5]。本論文的探索正是在“新工科”背景下圍繞學生為中心而開展。

1 優化課程教學

化學反應工程課程教學傳統的方式課堂PPT授課、平時課后作業、期末考試，這種授課方式一方面依賴授課教師具備豐富的化學反應工程經驗和教學手段，能夠在課堂中把握教學的重點難點，能夠在課程講授中充分調動學生學習的積極性；另一方面依賴學生具備自主學習、課前預習課下復習和積極請教老師的主動性。如果在著名高校教師實力雄厚，學生自主學習能力強，這樣的教學能取得較好的學習成效。然而，對于眾多的地方高校，授課教師多數沒有很多的工程經驗，甚至一些教師的研究方向不涉及化學反應動力學和反應器，自然對課程的理解不全面；地方高校的學生基礎相對薄弱，特別是數學基礎弱，導致學習起來難度大。從廣西民族大學化學工程與工藝的學生在學習化學反應工程課程過程反饋說明化學反應工程理解難、公式多，在平時的測驗考試體現出來學生答不到要點、甚至部分學生面對綜合性試題無從下手等突出的問題。針對這些問題，必然需要改變傳統的課程教學方式，堅持OBE理念[6]，培養具有扎實基礎知識的化工人才。以廣西民族大學為例，具體途徑如下：

1.1 突出重點的教學內容，強化基本概念基本原理的講授

講課中將課程的基本概念、基本原理結合反應器的設計原理，首選從基本的概念入手，將概念的工程意義闡述清楚，再此基礎上再闡明基本的原理。將反應器的數學模型與基本原理之間的關系作為重點，弱化數學計算內容，減少學生接受新知識的困難。將反應器的模型推導過程作為重點內容，以此為例，講述利用物料衡算的方法如何得到不同反應器的設計方程，以此改變學生對課程公式多的印象，從基本方法入手，得到需要使用的數學模型方程?；瘜W反應工程課程的化學反應動力學、物料返混、復合反應選擇率與收率、反應過程中的熱量與質量傳遞、反應器的熱穩定性、催化劑工程等基本原理、基本概念與間歇反應器、平推流反應器、全混流反應器的數學模型的特點和緊密聯系為課程的重點內容[7]。廣西民族大學化學反應工程教學采用朱炳辰主編的《化學反應工程》第五版，該教材編寫內容豐富，對化學反應工程的重點內容講述詳細，既有利于教師講授具體的知識點又降低了學生自學的理解難度。同時，輔助使用許志美主編的《化學反應工程》，結合該教材圍繞化工工程教育編寫的角度，在授課中側重反應器與化學反應結合的講解方法，更容易讓學生理解反應器。多個教材結合的方法能夠提升課程內容更加系統，有助于降低課程學習的難度。目前，課程設置56學時，難以面面俱到講完全部的內容，所以突出重點內容，同時引導學生自學其他內容。該教材強調方法論，有利于主講教師結合科研實踐將抽象復雜的研究方法以案例的形式具體化，讓學生體會到科學問題的解決過程到工程問題的實施再到產品工程，展現學習的知識學有所用，激發學生的思考。

1.2 分組課程答辯，調動學生深入思考能力

引導學生自主學習和團隊合作，課程講授中布置學生開展分組調研課程的內容，并進行答辯。學生通過積極準備課程答辯，能夠深入思考所學知識，展示團隊協作能力，表達能力。學生大三下學期學習化學反應工程課，選題范圍在朱炳辰主編的《化學反應工程》第五版內，每組2～4人，時間控制在6～8分鐘之內。課程講授對象的翻轉，讓學生能夠更加深刻地學習知識。經歷課程內容的學習討論，提高學生總結和表達能力，針對大四上學期是學生找工作的關鍵時間，對于本專業的核心課程的深入理解，有助于在面試環節更好地展示自己的專業素養。對于考研的學生，在大四下學期研究生錄取復試過程中面試環節更是要展示過硬的專業知識。規定范圍的時間內凝練出本專業的核心內容，充分訓練學生過硬的專業素養。因此，通過課程答辯能增強學生對課程的理解，加深對所學知識的深入思考。

1.3 撰寫課程論文，提高學生分析總結能力

隨著學習的深入，學生到了大三下學期已經學習了很多專業課程，除了化學反應工程外，還學習了化工原理、化工熱力學、化工設計、分離工程等。對于本專業的認識怎樣？對于本課程的理解怎樣？這些都是化工專業高等教育的核心關注點。學習的關鍵在于思考和總結，培養學生具備思考的習慣和總結的能力成為創新教育的關鍵問題。引導學生學會總結已經學過的知識，理清每個課程眾多知識點構成的課程體系，明析多個課程交織的專業知識網絡，凝練專業知識的表達，同時認識自身的知識儲備量并及時彌補學習。論文撰寫過程查閱文獻資料，訓練學生對信息的識別能力和文獻檢索能力。立足規范、科學嚴謹，讓學生認識到理工科的科學特點，培養理性科學思維，提高對知識、問題的分析總結能力。

1.4 引入前沿研究，拓展課程內容

化學反應工程起源從20世紀20年代合成氨技術發明和應用到現在百年的歷程中仍在不斷地發展。面對當今資源、能源、環境等重大問題，使用經典的化學反應工程知識解決困擾人類生存發展的問題，已經是當代化工人應當勇于承擔起的責任。由于學科的快速發展，教材的編寫無法時時跟進最新的科技前沿。催化反應作為化學反應工程重要的內容，也是當今世界研究熱門的領域，補充講述催化科學前沿，讓學生了解目前的三大催化挑戰：發展催化以解決能源和化工生產中的突出問題、發展催化以通向清潔和可持續的未來、應對催化的復雜性[8]。概述催化反應過程前沿研究，主要是技術耦合，例如催化精餾[9]、膜催化[10]等。講新型的催化反應器，拓展學生對反應器設計的認知，例如駱廣生教授的微通道反應器[11]、陳建峰院士的超重力反應器[12]等。通過前沿的研究，拓展學生的視野，讓學生認識到化學反應工程的重大研究意義，增強學生對專業的認同感和為學生注入源源不斷的學習動力。工程科學教育，需要讓學生多接觸真實的反應情況、真實的應用條件、真實的生產工況，這樣在學習中發現問題，帶著問題進入課程的學習能夠增強學生對課程的深入理解。在日后的工作崗位，面對工廠的生產問題能夠提出可行的解決方案，培養具有創新精神的工程師。

2 強化實踐教學，提高創新水平

工科學生所學知識最終的落腳是要解決復雜的工程問題，學習成效僅靠課程教學不能滿足國家對培養創新人才的要求[12]。因此，實踐教學成為需要不斷加強的一環?；瘜W反應工程的實踐教學主要內容：化學反應工程實驗、化工實習和包含大學生“互聯網+”大賽、全國大學生化工設計大賽、“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽、大學生創新創業實驗項目等學科賽事。利用實踐教學，培養學生利用已經學過的化學反應動力學和反應器的設計知識，去解決實際面臨的工程問題。通過學生自主思考、動手操作、獨立發現分析解決問題，系統地掌握化學反應工程課程的知識，形成實現創新的堅實基礎。

2.1 設置化學反應工程實驗，培養學生自主學習能力

在化學工程與工藝專業實驗中為學生開設5個涉及到化學反應工程類的專業實驗：多釜串并聯返混、單釜和管式反應器性能測、乙醇氣相脫水制乙烯、氣液固流化床性能測定和內循環無梯度反應器中宏觀反應動力學數據測定。化學工程與工藝專業實驗和化學反應工程屬于兩個獨立的課程，存在內在緊密的聯系。因此，調整培養方案在授課學期為學生開設相關的實驗，構建“理論-實踐”結合的綜合授課方案。實驗的授課同樣改變以往的單一模式，借助現有的實驗裝置，實施設計式實驗教學，通過項目式開展實驗授課。具體的實驗授課流程：首先讓學生認真預習實驗講義、實驗小組討論設計實驗流程，之后實驗小組確定實驗方案，指導教師審核實驗方案，為實驗小組準備需要的儀器藥品并強調實驗過程的安全問題。通過實驗方案審核后，實驗小組開始分工實驗操作、實驗數據記錄處理。指導教師根據實驗小組的實驗過程結果給出指導意見。最后實驗小組根據指導意見及時補充實驗，并撰寫實驗報告。整個實驗過程強調學生對實驗的自主設計、發現問題并解決問題的能力以及對數據處理和編寫報告的寫作技能。

2.2 結合工程學科競賽，培養知識的運用能力

引導學生參加全國大學生化工設計競賽、“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽、申報大學生創新創業項目等，廣西民族大學化工專業學生近三年來，共計獲獎/立項72項。通過完整嚴格的競賽訓練，提高了學生的創新能力。其中獲得全國大學生化工設計競賽二等獎3項、“互聯網+”大學生創新創業大賽國家級銅獎1項、“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽廣西壯族自治區級一等獎1項、大學生創新創業項目國家級立項4項。學生在參加各類競賽的過程中能學到Aspen Plus、Atuo CAD等專業軟件，熟悉文獻檢索，學會作品展示等?；ぴO計大賽中，反應器的設計是其中的關鍵環節，反應器的選型、催化劑的類型、物料的種類等綜合考慮，突出創新性，對學生運用化學反應工程知識的訓練具有非常大的幫助。眾多參賽學生反饋參加過競賽后，對化工專業的認識加深了，同時學會了運用所學知識。

3 結語

化學反應工程是化學工程學科中重要的一門課程，要求學生掌握化學反應機理研究和反應器設計，特別是能夠在研究化學反應機理的基礎上設計合適的反應器實現產品的量產，結合化工原理、分離工程、熱力學、傳遞工程原理等課程的內容，學會應用所學解決工業生產中的工程問題。授課過程中注重培養學生自主學習、善于分析總結的能力。在課程改革中突出重點內容、引入課程的前沿研究、增加課程答辯和課程論文的方式優化課程教學，根據課程授課的需要，調整培養方案，構建“理論-實踐”結合的教學方案。將化學工程與工藝專業實驗、化工專業競賽的課程實踐與化學反應工程課程教學結合，實現學與用的結合，綜合訓練學生的知識運用能力和工程實踐能力，培養創新能力，對提升教學成效非常有益。當前新工科建設要求下，改革化學反應工程課程，從學生面臨的現實問題出發，構建課程教學和課程實踐一體的改革方案，關注學生的創新能力培養，為打造高水平本科教育具有十分重要的意義。經過改革，廣西民族大學化工專業學生近三年來，共計獲獎/立項72項，取得顯著的成績。隨著時代發展，教育改革需要持續跟進，對于不斷出現的新問題，值得一起努力探索解決方案，通過不斷地課程改革推進新工科建設，努力發展高水平本科教育，服務國家創新發展戰略。