新工科背景下《化學(xué)反應(yīng)工程》教學(xué)改革

李 平，劉曉瑞，劉榮杰

(銀川能源學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院 ，寧夏 銀川 750105)

化學(xué)反應(yīng)工程是化工與制藥類專業(yè)一門核心課程?；瘜W(xué)反應(yīng)工程是研究涉及化工生產(chǎn)過程中化學(xué)反應(yīng)的工程性問題的學(xué)科，以解決將實驗室的研究成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)生產(chǎn)為主要目的的學(xué)科[1]。隨著實驗技術(shù)、設(shè)備和理論的不斷完善，尤其在計算機(jī)和信息化技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天，化學(xué)反應(yīng)工程將在化學(xué)工程中占據(jù)核心地位[2]，同時也成為教學(xué)研究改革的重點(diǎn)[3-5]。

在“新工科”背景下，做為民辦高校的銀川能源學(xué)院進(jìn)行了轉(zhuǎn)型提升逐漸向應(yīng)用型本科轉(zhuǎn)變， 全面實施OBE教育理念，各類課程也進(jìn)行教學(xué)改革。在此環(huán)境下，化學(xué)反應(yīng)工程課程小組進(jìn)行了一列教學(xué)改革措施。

1 存在的問題與改革目標(biāo)

1.1 教學(xué)中存在的問題

由于教學(xué)理念的缺失，我院化工專業(yè)舊版人培方案和教學(xué)大綱中并未突出工程教育，青年教師并未在生產(chǎn)一線鍛煉過，工程實踐能力較弱，所以教師在授課過程中仍側(cè)重理論教學(xué)，教師的教學(xué)經(jīng)驗制約著授課內(nèi)容及授課方法，上課主要以課堂講授為主，教師專注講，學(xué)生被動聽課，學(xué)習(xí)效率較低；從而造成"教與學(xué)"的分離。導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)工程成為學(xué)生最難學(xué)、最怕學(xué)的課程之一；曾出現(xiàn)班級課程及不及格最高達(dá)到56%的情況；而且課程考核模式單一，基本取決于期末卷面成績的高低，學(xué)生綜合能力沒有得到有效鍛煉和提升。

1.2 教學(xué)改革理念及目標(biāo)

1.2.1 改革理念

1981年由Spady提出的成果導(dǎo)向教育(Outcome based education，簡稱OBE,亦稱能力導(dǎo)向教育)很快成為歐美各國教育教學(xué)改革理念，美國工程教育認(rèn)證協(xié)會(A-BET)也全面接受了OBE的理念，2013年6月，我國加入了《華盛頓協(xié)議》，標(biāo)志著工程教育專業(yè)認(rèn)證在我國來開序幕，用OBE理念引導(dǎo)工程教育改革及課程改革，具有現(xiàn)實意義[6]。故化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)改革實施OBE教育理念。

1.2.2 教學(xué)改革內(nèi)容

以O(shè)BE教育理念為指導(dǎo)，“以學(xué)生為中心”為抓手，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)工程課程特點(diǎn)，對反應(yīng)工程理論教學(xué)和實踐教學(xué)模式、工程實踐能力、考核方式等方面進(jìn)行改革，突出學(xué)生工程能力培養(yǎng)。

1.2.3 教學(xué)改革目標(biāo)

依據(jù)2017教育部頒布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》[7]及基于OBE理念的制定版人才培養(yǎng)方案中畢業(yè)要求達(dá)成的支撐情況，使學(xué)生達(dá)到以下能力：

①了解化學(xué)工程與工藝專業(yè)前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，熟悉化工與能源領(lǐng)域新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備的發(fā)展動態(tài)，掌握化工專業(yè)領(lǐng)域化工過程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識。

②掌握化學(xué)與化工實驗技能、工程實踐、科學(xué)研究和工程設(shè)計方法，具有對新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備進(jìn)行研究、開發(fā)和設(shè)計的初步能力。

③掌握工程實驗方法和科學(xué)思維方法，具有綜合運(yùn)用科學(xué)理論和技術(shù)手段解決復(fù)雜工程實際問題的能力。

通過改革使學(xué)生能掌握化學(xué)反應(yīng)工程的基本概念、基本公式、基本模型，能建立動力學(xué)方程，能進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計、優(yōu)化，能對反應(yīng)過程進(jìn)行初步綜合評價。

結(jié)合課程學(xué)習(xí)目的及預(yù)期成果需求，課程設(shè)置了動力學(xué)方程、反應(yīng)器選型、設(shè)計，反應(yīng)器操作與分析及催化劑使用等四大類能力需求，并列出了達(dá)成措施(見表1)。

表1 能力需求與達(dá)成措施

2 教學(xué)改革內(nèi)容

2.1 教材選擇與內(nèi)容調(diào)整

教材是學(xué)生學(xué)習(xí)知識最主要的來源，對學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)興趣都要很大的影響。通過試用及比對，最終選用了郭凱教授主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》一書，該教材基本概念清晰、重難點(diǎn)突出、典型習(xí)題講解清晰，簡化了過程、突出了結(jié)論應(yīng)用，很適合我校學(xué)生學(xué)習(xí)。

除教材之外，課題組組織教師編寫了校本教材《化學(xué)反應(yīng)工作學(xué)習(xí)指導(dǎo)》，和教材配套使用，內(nèi)容有：學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)資源、章節(jié)知識講解(①基本能力要求，②基本內(nèi)容，③習(xí)題精講，④推薦作業(yè)，⑤章節(jié)測試)及課程論文、課程設(shè)計任務(wù)書等。

化學(xué)反應(yīng)工程的兩條教學(xué)主線是化學(xué)動力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計優(yōu)化，側(cè)重于傳授最基本的研究方法，培養(yǎng)學(xué)生工程意識。通過畢業(yè)生信息反饋、企業(yè)調(diào)研，及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，主要講授動力學(xué)方程的影響因素和典型反應(yīng)器的設(shè)計；在反應(yīng)器部分通過課程設(shè)計讓學(xué)生掌握某反應(yīng)器的特性、發(fā)展、結(jié)構(gòu)、基本操作，重點(diǎn)進(jìn)行反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計，讓學(xué)生掌握該反應(yīng)器，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(論文)打下基礎(chǔ)。

2.2 授課模式改革

傳統(tǒng)的教學(xué)模式：教師主動講，學(xué)生被動學(xué)。經(jīng)過走訪調(diào)研、學(xué)習(xí)分析后，逐步在課上實施“翻轉(zhuǎn)課堂”，課下實施“課外知識拓展”模式。

“翻轉(zhuǎn)課堂”模式：將課堂更多的時間交給學(xué)生。教師照隨機(jī)將班級按以5～6人為一組進(jìn)行編排，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂。例如在催化作用一節(jié)，任務(wù)要求查閱文獻(xiàn)資料，撰寫一篇2000字左右關(guān)于某催化反應(yīng)或催化劑研究的小論文及多媒體課件；三周后提交論文，并在課堂講授要點(diǎn)并接受全班答辯。最后教師進(jìn)行點(diǎn)評。

“課外知識拓展”模式：充分利用課余時間，拓展知識。教師布置一些反應(yīng)工程課程所需的知識，例如回顧高等數(shù)學(xué)微積分等知識在反應(yīng)工程學(xué)習(xí)中的應(yīng)用、查閱資料整理一份關(guān)于新型反應(yīng)器和催化劑研究的最新報道等、計算機(jī)在解題中的應(yīng)用等，通過這種課外學(xué)習(xí)的任務(wù)驅(qū)動，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和知識面。

在互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天，可借助慕課、精品課程等網(wǎng)站和雨課堂、課堂派等手機(jī)APP軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，改善單一的板書加課件的授課模式。實踐表明，利用課前5min進(jìn)行測驗，能有效的幫助學(xué)習(xí)對上節(jié)內(nèi)容的溫習(xí)與鞏固；每章一次APP測驗，能有效的鞏固所學(xué)知識，教師也能及時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，分析知識的薄弱環(huán)節(jié)，及時調(diào)整授課方法及輔導(dǎo)側(cè)重點(diǎn)。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻進(jìn)行預(yù)習(xí)，能加快學(xué)生對抽象概念、模型的理解進(jìn)度，節(jié)省課堂時間。

2.3 工程實踐能力培養(yǎng)

工程實踐能力培養(yǎng)主要措施有：強(qiáng)化實驗要求、參與科研項目、課程設(shè)計、鼓勵參與化工設(shè)計競賽。

反應(yīng)工程課程實驗項目主要安排了12學(xué)時的實驗，涉及反應(yīng)合成，催化劑制備，反應(yīng)器性能測定和仿真操作；具體項目包括：一氧化碳中低溫變化實驗、催化劑載體制備實驗、流化床反應(yīng)器性能測試實驗和間歇釜和固定床反應(yīng)器仿真操作。實驗教學(xué)環(huán)節(jié)包括：預(yù)習(xí)、撰寫預(yù)習(xí)報告、講解、開展實驗、記錄數(shù)據(jù)、撰寫實驗報告、實驗考核。

另一方面通過讓學(xué)生參與教師科研項目，培養(yǎng)良好的科學(xué)研究素養(yǎng)，現(xiàn)已完成了煤矸石制備4A分子篩研究、等離子體法制備磷化物催化劑、天然產(chǎn)物的合成、電池材料制備與性能研究等項目；通過參與科學(xué)項目有效的培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和團(tuán)隊合作能力，拓展了專業(yè)視野，為后續(xù)繼續(xù)深造和工作夯實了專業(yè)基礎(chǔ)。

課程設(shè)計：學(xué)生學(xué)習(xí)完《化學(xué)反應(yīng)工程》課程后，對于該課程在后續(xù)課程中的地位與應(yīng)用還是比較模糊的，往往被復(fù)雜的數(shù)學(xué)過程所困惑；為解決這個問題，課程小組根據(jù)后續(xù)課程需求和畢業(yè)論文(設(shè)計)的需要，增加了相應(yīng)反應(yīng)器的設(shè)計案例解析及課程設(shè)計。要求學(xué)生按照指定的設(shè)計題目完成某反應(yīng)器工藝設(shè)計，內(nèi)容包括撰寫設(shè)計說明書、繪制工藝流程圖、繪制反應(yīng)器裝配圖；通過典型反應(yīng)器設(shè)計，使學(xué)生加深對反應(yīng)器特性、應(yīng)用、結(jié)構(gòu)、設(shè)計等內(nèi)容的掌握，也為化工設(shè)計競賽、畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)打下良好的基礎(chǔ)。

2.4 考核方式改革

通過與其他高校交流學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)多元化的考核模型能真正評價一個學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，通過過程考核強(qiáng)化平時知識的積累，達(dá)到真實的學(xué)習(xí)目標(biāo)。改革后，將側(cè)重于過程性考核。實施“N+1+1”過程性和終結(jié)性評價相結(jié)合的考核制度(見表2)。過程性考核不僅改變了單一的考核方式，也使考核更加真實，能比較全面的對學(xué)生進(jìn)行考核。

表2 “N+1+1”考核制度構(gòu)成

3 改革效果

圖1 改革初見成效

自2014級試點(diǎn)改革后到2015級全面實施改革，各年級課程卷面不及格率出現(xiàn)逐年下降的趨勢，從2012級的46%下降至2015級的4%，改革初見成效,見圖1。

4 持續(xù)改進(jìn)

教師在授課過程中，及時收集整理各類反饋信息，以做到課程改革的持續(xù)性。首先可通過課間及輔導(dǎo)答疑時間與學(xué)生交流溝通，及時掌握學(xué)生對授課內(nèi)容的掌握、授課方式的接受情況；另外，可通過畢業(yè)生回訪，了解在工作崗位對化學(xué)反應(yīng)工程知識的需求及工程技術(shù)人員知識構(gòu)成。

5 總結(jié)

化學(xué)反應(yīng)工程做為化學(xué)工程與工藝專業(yè)一門核心課程，是理論與實踐結(jié)合非常緊密的，是學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，受到了廣泛的重視。在當(dāng)前突出應(yīng)用型、實踐型的教育模式下，需要廣大的一線教師及時調(diào)整教學(xué)方法，按照崗位需求進(jìn)行組織教學(xué)，讓學(xué)生不僅學(xué)習(xí)到理論基礎(chǔ)，更要培養(yǎng)其良好的工程意識及素養(yǎng)。