新工科背景下化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)改革與實(shí)踐

李占庫，閆洪雷，雷智平，康士剛

(安徽工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

新工科建設(shè)是以“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”為基礎(chǔ)，對工程教學(xué)進(jìn)行持續(xù)深化改革的重大行動計(jì)劃。在新工科背景下，為培養(yǎng)適應(yīng)未來發(fā)展需求的新型人才，針對傳統(tǒng)和現(xiàn)有的工科專業(yè)進(jìn)行信息化、智能化、優(yōu)勢學(xué)科的繼承和創(chuàng)新、交叉學(xué)科的融合、改造和升級。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，對工科人才的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提出更高的要求，這就需要培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、創(chuàng)新能力突出的專業(yè)人才。為培養(yǎng)適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)和國家戰(zhàn)略需求的人才，需要教師在開展課程教學(xué)過程中調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法，不斷改革和創(chuàng)新。

化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，也是應(yīng)用化學(xué)、材料工程等相關(guān)專業(yè)的重要課程。內(nèi)容主要包括反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析等課程。在化學(xué)反應(yīng)由實(shí)驗(yàn)室規(guī)模向工業(yè)化規(guī)模放大過程中，涉及“三傳一反”、反應(yīng)器設(shè)計(jì)和優(yōu)化等問題，需要化學(xué)反應(yīng)工程理論的指導(dǎo)。由于化學(xué)反應(yīng)工程內(nèi)容學(xué)科交叉性強(qiáng)、理論抽象、數(shù)學(xué)模型多、計(jì)算繁瑣，因此被很多學(xué)生認(rèn)為是大學(xué)中最難學(xué)的課程之一。在新工科建設(shè)背景下，急需解決教學(xué)中存在問題，應(yīng)通過教學(xué)改革，更好提升化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)效果，以適應(yīng)新時期人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

一、化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)存在的問題

(一)教學(xué)內(nèi)容繁雜、抽象，缺乏實(shí)踐教學(xué)

化學(xué)反應(yīng)工程課程內(nèi)容涉及高等數(shù)學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)、化工原理、反應(yīng)動力學(xué)傳遞工程和化工系統(tǒng)工程等多學(xué)科領(lǐng)域，學(xué)科交叉性強(qiáng)。化學(xué)反應(yīng)工程主要研究化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和反應(yīng)器操作條件的優(yōu)化，反應(yīng)動力學(xué)涉及數(shù)學(xué)模型的建立與求解，內(nèi)容抽象復(fù)雜。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及反應(yīng)器操作條件的優(yōu)化考察反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率與溫度、物料等的關(guān)系，及傳質(zhì)、傳熱和流體流動過程的多維化和非理想化等因素，導(dǎo)致原本簡單的化學(xué)反應(yīng)問題轉(zhuǎn)變成化學(xué)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜問題。因此，課程內(nèi)容具有較強(qiáng)的綜合性、工程性和理論性，同時數(shù)學(xué)模型復(fù)雜、理論抽象、計(jì)算繁瑣導(dǎo)致學(xué)生理解困難。本課程在授課設(shè)計(jì)時，全部為理論授課，缺乏實(shí)踐教學(xué)，即缺乏理論聯(lián)系實(shí)際及深入理解授課內(nèi)容的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不利于培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力，無法滿足新工科建設(shè)的要求。

(二)授課模式簡單

化學(xué)反應(yīng)工程課堂教學(xué)多采用“PPT+板書”的面授方式，雖然PPT中的一些圖片和動畫會對學(xué)生產(chǎn)生一定的吸引力，但是過長面授時間和繁瑣、枯燥的講授內(nèi)容容易造成學(xué)生注意力不集中，不利于學(xué)生對基礎(chǔ)知識點(diǎn)的理解與掌握。此外，面授為主的授課模式，多以教師為主導(dǎo)，學(xué)生常處于被動接受的局面，教與學(xué)缺乏互動，教師難以掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)，滿堂灌輸?shù)木置嬗葹槌Ｒ?，學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容缺乏思考、學(xué)習(xí)主動性不高等問題普遍存在。對于內(nèi)容繁雜、環(huán)環(huán)相扣的化學(xué)反應(yīng)工程課程而言，以單向知識輸出為主的教學(xué)模式無法有效實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

(三)課程考核與評價方式單一

化學(xué)反應(yīng)工程課程多以“平時考核+期末統(tǒng)考”的模式進(jìn)行考核評價,平時考核主要包括課后作業(yè)和隨堂測驗(yàn)，占最終成績的30%；期末統(tǒng)考由授課教師依據(jù)培養(yǎng)方案自主命題，占最終成績的70%。這種考核方式基本客觀反映學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)和把握情況，但這種量化考核方式缺乏全面性，比如，對于理論實(shí)踐相結(jié)合能力、文獻(xiàn)調(diào)研及溝通協(xié)作等能力缺乏有效評價，不能全面反映學(xué)生的綜合能力。學(xué)生對教師的評教多安排在課程結(jié)束后，教師不能及時獲取對教學(xué)質(zhì)量的反饋，不利于課堂教學(xué)的靈活進(jìn)行。受學(xué)生評教的影響，為了獲得較好的評價結(jié)果，部分教師在考勤、批改作業(yè)等方面對學(xué)生較寬容，造成部分學(xué)生對平時成績不重視，學(xué)習(xí)主動性與積極性不高。目前學(xué)校對教師考核會以所授科目的及格率為依據(jù)，若出現(xiàn)學(xué)生不及格率較高，教師要寫出書面說明，同時也會影響教師的年終考評，這種教師考核制度導(dǎo)致很多教師在考試前給學(xué)生劃重點(diǎn)，卷面批改也給予較大的寬容。這種考核制度對教師的教和學(xué)生的學(xué)都有一定的負(fù)面影響。

二、新工科背景下化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)改革

(一)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出重點(diǎn)，不斷補(bǔ)充新知識

化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)課程知識面多而繁雜，并且內(nèi)容抽象。通過充分研究不同教材特點(diǎn)，結(jié)合本校的培養(yǎng)計(jì)劃，采用李紹芬主編的《反應(yīng)工程》(第三版)為主講教材，該教材內(nèi)容理論性和系統(tǒng)性強(qiáng)，章節(jié)層次分明，易于學(xué)生理解。該教材還包括生化反應(yīng)工程、聚合反應(yīng)工程和電化學(xué)反應(yīng)工程等領(lǐng)域，有利于學(xué)生根據(jù)愛好拓展知識。此外，朱炳辰主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》注重介紹氣-液、氣-固和液-固等多相反應(yīng)及反應(yīng)器，可作為輔助教材進(jìn)行穿插教學(xué)，便于學(xué)生認(rèn)知多相反應(yīng)器，為解決工程問題奠定理論基礎(chǔ)。

近年來，教學(xué)改革要求精選授課內(nèi)容、突出重點(diǎn)、提高教學(xué)效率。反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)、理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、停留時間分布等知識點(diǎn)是反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析的基礎(chǔ)，這部分內(nèi)容的講解要詳盡，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對于應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的固定床和流化床反應(yīng)器，其設(shè)計(jì)計(jì)算過程繁瑣復(fù)雜，但不可忽略，教師可重點(diǎn)講授設(shè)計(jì)計(jì)算的基本原理和方法，對復(fù)雜公式的推導(dǎo)可作為課后作業(yè)讓學(xué)生自行完成。對聚合反應(yīng)工程和生化反應(yīng)工程，可進(jìn)行簡單介紹，讓學(xué)生根據(jù)興趣自學(xué)。

雖然李紹芬等主編的《反應(yīng)工程》是經(jīng)典教材，但是書中部分內(nèi)容比較陳舊，不能反映當(dāng)前工業(yè)反應(yīng)器發(fā)展的實(shí)際，需要不斷補(bǔ)充新知識。新工科建設(shè)要求不斷將新技術(shù)融入到傳統(tǒng)工業(yè)中，而新技術(shù)向傳統(tǒng)工藝的融入需要專業(yè)人員掌握新技術(shù)的發(fā)展動態(tài)。隨著反應(yīng)工程學(xué)科發(fā)展，反應(yīng)工程熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向高溫、高壓、超臨界、超短接觸、等離子體、離子液體、微化工系統(tǒng)等極端條件下的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，如美國Velocys公司與國際大公司合作利用微通道反應(yīng)器成功實(shí)現(xiàn)了天然氣重整制造液體燃料的工業(yè)化，與相同生產(chǎn)能力的天然氣重整裝置相比，規(guī)?；奈⑼ǖ婪磻?yīng)器體積僅為傳統(tǒng)反應(yīng)器體積的10%，大大降低了生產(chǎn)成本。因此，可充分利用中國知網(wǎng)、Web of Science等國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫，檢索總結(jié)與本學(xué)科發(fā)展相關(guān)的前沿動態(tài)，如研究較為熱門的微尺寸反應(yīng)器和等離子體反應(yīng)器，并將相關(guān)原理、發(fā)展動態(tài)等文獻(xiàn)引入課堂，豐富教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的閱讀、歸納總結(jié)文獻(xiàn)的能力。此外，任課教師可以結(jié)合課堂特點(diǎn)，將科研成果嵌入教學(xué)過程，提升課程授課深度和質(zhì)量。

(二)開設(shè)課堂實(shí)驗(yàn)，理論聯(lián)系實(shí)際

化學(xué)反應(yīng)工程課程不僅要求學(xué)生掌握復(fù)雜的理論知識，更要求學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)獲得解決工程問題的能力。然而，在教學(xué)中常采用復(fù)雜和抽象的數(shù)學(xué)模型解決工程問題，初學(xué)者難以實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際。因此，單純的理論教學(xué)難以讓學(xué)生樹立工程觀念，有必要開設(shè)適量的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，增添實(shí)踐環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對概念和原理的理解，樹立他們的工程觀念。學(xué)生對教學(xué)過程中“返混”概念理解較困難，針對這個問題，開設(shè)“管式反應(yīng)器停留時間分布測定”和“多釜串聯(lián)反應(yīng)器停留時間分布測定”等實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，深刻理解流體流動過程中的返混問題及“返混”對實(shí)際生產(chǎn)效率的影響等。為避免出現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)與專業(yè)知識脫節(jié)，該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要理論教學(xué)負(fù)責(zé)人和實(shí)驗(yàn)教學(xué)負(fù)責(zé)人積極溝通，制定有效的實(shí)驗(yàn)方案。通過增設(shè)化學(xué)反應(yīng)工程課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)負(fù)責(zé)人的專業(yè)水平，大大提高了學(xué)生的認(rèn)知水平，為學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、有效解決工程問題提供理論基礎(chǔ)。

(三)引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，提高教學(xué)效率

化學(xué)反應(yīng)工程課程中復(fù)雜、晦澀的知識僅靠板書或PPT教學(xué)在短暫的課堂教學(xué)中很難讓學(xué)生消化吸收，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和積極性降低。翻轉(zhuǎn)課堂讓學(xué)生在課外通過提前觀看教學(xué)微視頻自學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中的知識內(nèi)容，師生在課間參加教學(xué)活動和交流互動，實(shí)現(xiàn)知識的外化和拓展，并通過課堂交流和教師指導(dǎo)完成知識內(nèi)化和吸收。為避免翻轉(zhuǎn)課堂給學(xué)生帶來課后作業(yè)壓力大的問題，錄制或選用時長在5～10分鐘的微視頻，主要概括每個章節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容及拓展知識點(diǎn)，學(xué)生通過觀看視頻進(jìn)行預(yù)習(xí)，有利于提高課堂學(xué)習(xí)效率。課后利用微視頻對知識點(diǎn)的總結(jié)有利于學(xué)生進(jìn)行有效復(fù)習(xí)及知識拓展，同時利用微視頻平臺如“中國大學(xué)慕課”等討論板塊，圍繞重點(diǎn)、難點(diǎn)和學(xué)科前沿發(fā)布討論，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)。利用翻轉(zhuǎn)課堂，將課堂教學(xué)、微視頻和課程討論有效結(jié)合，課堂教學(xué)突出重點(diǎn)和難點(diǎn)，將120多人的大課堂教學(xué)轉(zhuǎn)化為30人左右的小班教學(xué)，保證教師與學(xué)生進(jìn)行有效的互動與交流。結(jié)合不同學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，在小班中建立7至9個學(xué)習(xí)小組，根據(jù)授課內(nèi)容進(jìn)行階段性小組匯報，及時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)短板，依據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生理解重點(diǎn)及難點(diǎn)。同時，教學(xué)過程采用多種教學(xué)手段相結(jié)合，根據(jù)授課內(nèi)容，靈活選擇教學(xué)方法，提高教學(xué)效率。比如對于反應(yīng)器構(gòu)造和實(shí)際生產(chǎn)操作的講解，將微視頻和PPT有效結(jié)合，方便學(xué)生直觀認(rèn)知、深刻理解；對于數(shù)學(xué)模型的公式推導(dǎo)和分析，采用板書并鼓勵學(xué)生做筆記，避免學(xué)生出現(xiàn)思路混亂、對公式推導(dǎo)過程理解困難等問題。利用翻轉(zhuǎn)課堂將課上教學(xué)和課下預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)有效結(jié)合，既可解決教學(xué)內(nèi)容多而教學(xué)課時少的矛盾，還可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，突出學(xué)生的主體地位，提高教學(xué)效果。

(四)提高師資水平，加強(qiáng)教師團(tuán)隊(duì)建設(shè)

好的教學(xué)質(zhì)量離不開教師優(yōu)秀的教學(xué)水平，這就要求教師具有良好的道德修養(yǎng)、扎實(shí)的理論功底和豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)豐富的教師在講授枯燥知識時，常常通過旁征博引使晦澀知識生動形象，大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如定態(tài)近似和速率控制步驟兩個假定是導(dǎo)出多相催化反應(yīng)動力學(xué)總包速率的關(guān)鍵，但是這兩個假定的內(nèi)容比較晦澀、難以理解。教學(xué)中可將化學(xué)反應(yīng)喻作一場跑步比賽，反應(yīng)步驟喻作運(yùn)動員，跑步速率最慢的運(yùn)動員決定比賽結(jié)束的時間，同樣速率最慢的反應(yīng)步驟控制反應(yīng)的快慢，通過類比法讓學(xué)生理解晦澀的理論知識。授課教師不僅要不斷豐富理論知識，更要學(xué)習(xí)本校同課程前輩的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。同時，通過加強(qiáng)同天津大學(xué)、北京化工大學(xué)等高校同課程授課學(xué)者交流，借鑒優(yōu)秀教師的成果，豐富課程教學(xué)材料，不斷提高教學(xué)水平?；瘜W(xué)反應(yīng)工程作為專業(yè)核心課，面向化工專業(yè)全體學(xué)生，為避免大課堂教學(xué)中師生互動困難、學(xué)生難以監(jiān)管等問題，通過建設(shè)教師團(tuán)隊(duì)將大課堂教學(xué)轉(zhuǎn)為小班教學(xué)，授課教師通過統(tǒng)一教學(xué)內(nèi)容，相互借鑒授課方法等進(jìn)行互動與交流。鑒于課程增設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，課程團(tuán)隊(duì)除了理論知識扎實(shí)的課程負(fù)責(zé)人，也需要熟悉大型設(shè)備并具備操作資格的實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員。教學(xué)過程中，課程負(fù)責(zé)人應(yīng)加強(qiáng)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，與實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員間充分溝通交流，制定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，突出實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員化工專業(yè)背景，避免實(shí)踐教學(xué)與專業(yè)脫節(jié)。通過加強(qiáng)授課教師之間及授課教師與實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員之間的互動，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)教學(xué)能力，提升整體教學(xué)效果。

(五)完善考核方式，改善評價機(jī)制

隨著教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的不斷改善，在原有“平時成績+期末考核”的基礎(chǔ)上，逐步完善形成性評價考核機(jī)制。平時成績考核多元化，增加“平時成績”占總成績比重。由于增加了翻轉(zhuǎn)課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，“平時成績”的考核除了課后作業(yè)、課堂表現(xiàn)及隨堂測驗(yàn)外，還增加了章節(jié)討論、階段性分組匯報、實(shí)驗(yàn)操作和報告、學(xué)科前沿專題論文撰寫等情況考核。這種考核方式將學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)、動手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及文獻(xiàn)調(diào)研能力融入考核范圍，更能全面反映學(xué)生的綜合能力。教學(xué)管理部門應(yīng)根據(jù)課程特點(diǎn)對教師考核制度進(jìn)行改革，不能統(tǒng)一標(biāo)尺和度量，應(yīng)賦予教師更大的教學(xué)自由度，提升教師教學(xué)積極性。學(xué)生對教師的評價可在期終考評的基礎(chǔ)上增添若干次中期考評，教師可利用中期考評及時調(diào)整授課內(nèi)容和方法，因材施教，合理考核。

三、結(jié)語

化學(xué)反應(yīng)工程是一門綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，針對該課程教學(xué)內(nèi)容抽象復(fù)雜、理論聯(lián)系實(shí)際困難、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差等問題，結(jié)合專業(yè)特色、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀等，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、增加實(shí)踐環(huán)節(jié)、引入翻轉(zhuǎn)課堂和改善考核機(jī)制等方法，提高課程教學(xué)效果。