工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的化學(xué)反應(yīng)工程課程建設(shè)*

吳風(fēng)收，劉根炎，羅曉剛

(武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢 430205)

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際上廣泛采納、用以保證和提高工程領(lǐng)域人才培養(yǎng)質(zhì)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(xié)相關(guān)行業(yè)管理部門聯(lián)手，參照《華盛頓協(xié)議》開展了面向本科教育的工程教育專業(yè)認(rèn)證試點工作[2-3]。工程教育專業(yè)認(rèn)證的開展有利于加強高等工程教育與工業(yè)界的聯(lián)系，促進(jìn)我國工程教育的國際互認(rèn)，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(xué)校本科專業(yè)，屬化工與制藥類專業(yè)[5]。我校制藥工程專業(yè)于2017年11月接受了工程教育認(rèn)證現(xiàn)場考察， 并通過了認(rèn)證。當(dāng)前，我校制藥工程專業(yè)正處于持續(xù)改進(jìn)階段，本年度內(nèi)要修訂和完善面向產(chǎn)出評價機制的制度文件、面向產(chǎn)出開展的評價活動、評價結(jié)果、以及依據(jù)評價結(jié)果進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)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(yè)認(rèn)證背景下各門課程的設(shè)計、構(gòu)建與實施，以期更好地達(dá)成課程目標(biāo)，進(jìn)而支撐畢業(yè)要求，實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)。《化學(xué)反應(yīng)工程》課程是制藥工程專業(yè)的一門核心課，其主要任務(wù)是使學(xué)生掌握反應(yīng)動力學(xué)的基本概念，并能應(yīng)用理論知識進(jìn)行反應(yīng)器的設(shè)計、放大與優(yōu)化，從而適應(yīng)科研、設(shè)計和生產(chǎn)實踐等方面的需要。為了適應(yīng)人才培養(yǎng)需求，筆者對《化學(xué)反應(yīng)工程》課程教學(xué)大綱及課程教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行修訂和改革，期望該課程支撐制藥工程專業(yè)畢業(yè)要求能力的達(dá)成。

1 課程性質(zhì)

化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程、制藥工程及相關(guān)專業(yè)的主干課程，屬重要的專業(yè)基礎(chǔ)課和學(xué)位課，在整個教學(xué)體系中承擔(dān)著從基礎(chǔ)課到專業(yè)課過渡的橋梁作用?；瘜W(xué)反應(yīng)工程運用化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)的知識，結(jié)合反應(yīng)器中流體流動、混合、傳熱和傳質(zhì)的傳遞過程，進(jìn)行反應(yīng)過程的解析、反應(yīng)技術(shù)的開發(fā)、反應(yīng)器的分析與設(shè)計，研究反應(yīng)過程動態(tài)特性，實現(xiàn)反應(yīng)過程的最佳化，從而提高化學(xué)反應(yīng)的工程和工藝水平。

2 課程任務(wù)

本課程培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識和所學(xué)的專業(yè)知識，進(jìn)行反應(yīng)器的設(shè)計。優(yōu)化和工藝參數(shù)的選擇，并能分析和解決化工和制藥生產(chǎn)中的有關(guān)問題，適應(yīng)科研、設(shè)計和生產(chǎn)實踐等方面的需要。本課程根據(jù)化工與制藥工業(yè)的生產(chǎn)特點，以動力學(xué)為基礎(chǔ)，主要以四類主要的反應(yīng)器及其設(shè)計過程進(jìn)行講解，使學(xué)生對制藥和化工生產(chǎn)中常用的反應(yīng)器有一個深層次的了解，為將來從事反應(yīng)技術(shù)的開發(fā)、反應(yīng)器的分析與設(shè)計工作奠定基礎(chǔ)。同時，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

3 課程目標(biāo)

通過本課程的理論教學(xué)，使學(xué)生具備下列知識和能力：

課程目標(biāo)1：掌握間歇釜式反應(yīng)器、全混流反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程。理解多釜串聯(lián)模型、軸向擴散模型和離析流模型的物理含義和數(shù)學(xué)模型建立的基本思路，能根據(jù)反應(yīng)器停留時間分布數(shù)據(jù)，求解模型參數(shù)。

課程目標(biāo)2：能夠運用化學(xué)反應(yīng)工程的基本原理，并結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)和傳遞過程的研究，建立數(shù)學(xué)模型，從而解決工業(yè)反應(yīng)開發(fā)過程中關(guān)于反應(yīng)器選型、反應(yīng)器操作條件優(yōu)化、反應(yīng)器工程放大等核心問題。

4 課程內(nèi)容與學(xué)識

本課程2學(xué)分，共計32課時，結(jié)合總課時數(shù)和本專業(yè)的特點，主要進(jìn)行理論課堂的講述，具體包括以下內(nèi)容：

第1章 緒論(2課時)

教學(xué)內(nèi)容包括：(1)化學(xué)反應(yīng)工程簡介；(2)化學(xué)反應(yīng)器的工程分類；(3)化學(xué)反應(yīng)工程在化工過程開發(fā)中的作用；(4)反應(yīng)過程的轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率。

教學(xué)組織形式：課堂講授以板書和PPT相結(jié)合，開展啟發(fā)式和案例教學(xué)模式，使學(xué)生學(xué)習(xí)由淺入，循序漸進(jìn)。線上學(xué)習(xí)以學(xué)生自學(xué)為主。

教學(xué)要求：(1)能力培養(yǎng)：要求學(xué)生掌握化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率的概念和化學(xué)反應(yīng)工程要解決的主要問題。理解化學(xué)反應(yīng)器的三種操作方式和特點。了解化學(xué)反應(yīng)器的主要類型、結(jié)構(gòu)和工作原理。(2)素質(zhì)培養(yǎng)：開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，將相關(guān)課程知識融會貫通的素質(zhì)。

第2章 均相反應(yīng)動力學(xué)(6課時)

教學(xué)內(nèi)容包括：(1)反應(yīng)速率、基元反應(yīng)等基本概念和定義；(2) 等溫恒容過程；(3)等溫變?nèi)葸^程；(4)溫度對反應(yīng)速度的影響。

教學(xué)組織形式：課堂講授以板書和PPT相結(jié)合，開展啟發(fā)式和案例教學(xué)模式，使學(xué)生學(xué)習(xí)由淺入，循序漸進(jìn)。線上學(xué)習(xí)以學(xué)生自學(xué)為主。

教學(xué)要求：(1)能力培養(yǎng)：要求學(xué)生掌握化學(xué)反應(yīng)速率的定義、表示方法。弄清單一反應(yīng)和復(fù)合反應(yīng)的特點及區(qū)別。熟悉膨脹因子和膨脹率的定義。理解溫度對反應(yīng)速率的影響。了解最優(yōu)溫度線的意義及其表達(dá)式。(2)素質(zhì)培養(yǎng)：培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)以及分析與解決實際問題的能力。

第3章 間歇反應(yīng)器及理想流動反應(yīng)器(10課時)

教學(xué)內(nèi)容包括：(1)反應(yīng)器、穩(wěn)態(tài)流動等的概述；(2)間歇反應(yīng)器；(3)理想流動下的釜式反應(yīng)器；(4)理想流動下的管式反應(yīng)器；(5)反應(yīng)器的性能比較。

教學(xué)組織形式：課堂講授以板書和PPT相結(jié)合，開展啟發(fā)式和案例教學(xué)模式，使學(xué)生學(xué)習(xí)由淺入，循序漸進(jìn)。線上學(xué)習(xí)以學(xué)生自學(xué)為主。

教學(xué)要求：(1)能力培養(yǎng)：要求學(xué)生掌握等溫間歇釜式反應(yīng)器、連續(xù)釜式反應(yīng)器和等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計方程和各反應(yīng)器的性能比較。熟悉空時和空速的概念及其在反應(yīng)器設(shè)計計算中的應(yīng)用。理解連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)操作及計算方法。了解變溫釜式和管式反應(yīng)器的分析與計算方法。(2)素質(zhì)培養(yǎng)：培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)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(yīng)器設(shè)計(8課時)

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

教學(xué)組織形式：課堂講授以板書和PPT相結(jié)合，開展啟發(fā)式和案例教學(xué)模式，使學(xué)生學(xué)習(xí)由淺入，循序漸進(jìn)。線上學(xué)習(xí)以學(xué)生自學(xué)為主。

教學(xué)要求：(1)能力培養(yǎng)：要求學(xué)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(tǒng)停留時間分布的意義及其數(shù)學(xué)表達(dá)式。理解多釜串聯(lián)模型、軸向擴散模型和離析流模型的物理含義和數(shù)學(xué)模型建立的基本思路，能根據(jù)反應(yīng)器停留時間分布的實驗測定數(shù)據(jù)，確定模型參數(shù)。了解流體的微觀混合與宏觀混合，及其對流動反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率的影響。(2)素質(zhì)培養(yǎng)：培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)以及分析與解決實際問題的能力。

第5章 氣-固相催化反應(yīng)器(6課時)

教學(xué)內(nèi)容包括：(1)概述；(2)氣固非均相催化反應(yīng)本征動力學(xué)；(3)氣-固非均相催化體系的宏觀動力學(xué)；(4)氣-固非均相催化反應(yīng)器的設(shè)計

教學(xué)組織形式：課堂講授以板書和PPT相結(jié)合，開展啟發(fā)式和案例教學(xué)模式，使學(xué)生學(xué)習(xí)由淺入，循序漸進(jìn)。線上學(xué)習(xí)以學(xué)生自學(xué)為主。

教學(xué)要求：(1)能力培養(yǎng)：要求學(xué)生掌握多相催化反應(yīng)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(yīng)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(shù)的概念。了解流體與催化劑顆粒外表面間的傳質(zhì)和傳熱對多相催化反應(yīng)速率及選擇性的影響。(2)素質(zhì)培養(yǎng)：培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)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(xué)習(xí)態(tài)度(占比10%)、平時作業(yè)(占比20%)和期末成績(占比70%)。

評分標(biāo)準(zhǔn)：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(yōu)秀(90-100分)標(biāo)準(zhǔn)：掌握化學(xué)反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)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(yīng)器、連續(xù)釜式反應(yīng)器和等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計方程。掌握全混流反應(yīng)器及平推流反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)操作及計算方法。能熟練根據(jù)反應(yīng)器停留時間分布，計算模型參數(shù)。能熟練根據(jù)多相催化反應(yīng)過程的速率控制步驟，推導(dǎo)和求解反應(yīng)動力學(xué)方程。能夠運用反應(yīng)工程的基本原理，考慮社會、健康、安全以及環(huán)境等因素，建立數(shù)學(xué)模型，合理進(jìn)行反應(yīng)器的設(shè)計。

(2)良好(80-89分)標(biāo)準(zhǔn)：較好掌握化學(xué)反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)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(yīng)器、連續(xù)釜式反應(yīng)器和等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計方程。較好掌握全混流反應(yīng)器及平推流反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)操作及計算方法。能較熟練根據(jù)反應(yīng)器停留時間分布，計算模型參數(shù)。能較熟練根據(jù)多相催化反應(yīng)過程的速率控制步驟，推導(dǎo)和求解反應(yīng)動力學(xué)方程。能夠運用反應(yīng)工程的基本原理，考慮社會、健康、安全以及環(huán)境等因素，建立數(shù)學(xué)模型，較合理地進(jìn)行反應(yīng)器的設(shè)計。

(3)中等(70-79分)標(biāo)準(zhǔn)：基本掌握化學(xué)反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率、膨脹因子、膨脹率、空時和空速的計算方法?；菊莆盏葴亻g歇釜式反應(yīng)器、連續(xù)釜式反應(yīng)器和等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計方程。基本掌握全混流反應(yīng)器及平推流反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)操作及計算方法。基本能根據(jù)反應(yīng)器停留時間分布，計算模型參數(shù)?；灸芨鶕?jù)多相催化反應(yīng)過程的速率控制步驟，推導(dǎo)和求解反應(yīng)動力學(xué)方程?；灸苓\用反應(yīng)工程的基本原理，考慮社會、健康、安全以及環(huán)境等因素，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行反應(yīng)器的設(shè)計。

(4)合格(60-69分)標(biāo)準(zhǔn)：部分掌握化學(xué)反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)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(yīng)器、連續(xù)釜式反應(yīng)器和等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計方程。部分掌握全混流反應(yīng)器及平推流反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)操作及計算方法。能根據(jù)反應(yīng)器停留時間分布，粗略計算模型參數(shù)。能根據(jù)多相催化反應(yīng)過程的速率控制步驟，對反應(yīng)動力學(xué)方程進(jìn)行部分推導(dǎo)。能運用反應(yīng)工程的基本原理，考慮社會、健康、安全以及環(huán)境等因素，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行反應(yīng)器的簡單設(shè)計。

(5)不合格(0-59分)標(biāo)準(zhǔn)：化學(xué)反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)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(yīng)器、連續(xù)釜式反應(yīng)器和等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計方程未能完全掌握。全混流反應(yīng)器及平推流反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)操作及計算方法未能完全掌握。未能根據(jù)反應(yīng)器停留時間分布，計算相關(guān)的模型參數(shù)。未能根據(jù)多相催化反應(yīng)過程的速率控制步驟，進(jìn)行反應(yīng)動力學(xué)方程的推導(dǎo)和求解。未能運用化學(xué)反應(yīng)工程的基本原理，進(jìn)行反應(yīng)器的合理設(shè)計。

平時學(xué)習(xí)態(tài)度：按百分制計分，總評時折算成10分。

(1)優(yōu)秀(90-100分)標(biāo)準(zhǔn)：上課認(rèn)真聽課，積極參與課堂教學(xué)互動，完成線上資源學(xué)習(xí)90%～100%。

(2)良好(80-89分)標(biāo)準(zhǔn)：上課認(rèn)真聽課，參與課堂教學(xué)互動較積極，完成線上資源學(xué)習(xí)80%～89%。

(3)中等(70-79分)標(biāo)準(zhǔn)：上課聽課較認(rèn)真，能參與課堂教學(xué)互動，完成線上資源學(xué)習(xí)70%～79%。

(4)合格(60-69分)標(biāo)準(zhǔn)：上課聽課較認(rèn)真，能偶爾參與課堂教學(xué)互動，完成線上資源學(xué)習(xí)50%～69%。

(5)不合格(0-59分)標(biāo)準(zhǔn)：上課聽課不認(rèn)真，極少或未參與課堂教學(xué)互動，完成線上資源學(xué)習(xí)低于50%。

平時作業(yè)：按百分制計分，取幾次作業(yè)的平均分，總評時折算成20分。

(1)優(yōu)秀(90-100分)標(biāo)準(zhǔn)：嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)準(zhǔn)：按要求并及時完成；或未及時完成，但補交及時，態(tài)度端正；正確率70%至79%。

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

(5)不合格(0-59分)標(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)達(dá)成評價方式與成績比例

表1 畢業(yè)要求達(dá)成分解

②H：高度相關(guān)；M：中度相關(guān)；L：低度相關(guān)。

7 結(jié) 語

針對《工程教育專業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)》中的畢業(yè)要求， 基于成果導(dǎo)向(OBE)理念的課程教學(xué)改革勢在必行。本文結(jié)合《化學(xué)反應(yīng)工程》教學(xué)過程中的特點和實際問題，制定出符合實際的《化學(xué)反應(yīng)工程》課程教學(xué)方法和評價體系，明確了課程目標(biāo)與制藥工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系，為培養(yǎng)學(xué)生成為具備綜合素質(zhì)、工程實踐和創(chuàng)新能力、團隊合作的應(yīng)用型人才提供指導(dǎo)，從而增強學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。