案例教學(xué)法在“化學(xué)反應(yīng)工程”教學(xué)中的應(yīng)用探討

丁 鶴，蓋世麗，賀 飛

（哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

新工科建設(shè)是在“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的基礎(chǔ)上提出的一項(xiàng)持續(xù)深化工程教育改革的重大行動(dòng)計(jì)劃，其時(shí)代特征鮮明，呈現(xiàn)多學(xué)科交叉、多主體參與的特點(diǎn)。為了應(yīng)對(duì)新的經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)，高等教育院校仍需深入推進(jìn)新工科建設(shè)行動(dòng)方案，以培養(yǎng)出能治國(guó)安邦的人才和全面發(fā)展的高級(jí)專(zhuān)業(yè)人才為高等教育的最終目標(biāo)。其中，專(zhuān)業(yè)教育是人才培養(yǎng)的基本單元，是建設(shè)高水平本科教育、培養(yǎng)一流人才的“四梁八柱”。為了適應(yīng)新工科建設(shè)的需要，創(chuàng)新人才培養(yǎng)方式，不斷深化教學(xué)改革，運(yùn)用新的教學(xué)理念和教學(xué)方式十分有必要。

在高等教育教學(xué)改革進(jìn)程中，案例教學(xué)法受到一線教師的關(guān)注，使其在專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用［1-3］。案例教學(xué)法的應(yīng)用不應(yīng)脫離具體的教學(xué)過(guò)程和教學(xué)情境［4］，因此精心挑選教學(xué)案例，基于教學(xué)內(nèi)容設(shè)置案例導(dǎo)入問(wèn)題，將課程知識(shí)點(diǎn)與案例內(nèi)容緊密結(jié)合，并系統(tǒng)梳理案例在教學(xué)實(shí)施不同階段的任務(wù)和要點(diǎn)，最后評(píng)估案例教學(xué)成效，形成案例教學(xué)“設(shè)計(jì)—引入—實(shí)施—評(píng)估”的教學(xué)閉環(huán)十分關(guān)鍵。

“化學(xué)反應(yīng)工程”是化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)學(xué)生的核心必修課，課程主要研究“化學(xué)反應(yīng)工程”的科學(xué)問(wèn)題，并據(jù)此進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)器的選型、設(shè)計(jì)及分析?；凇盎瘜W(xué)反應(yīng)工程”進(jìn)行案例教學(xué)法應(yīng)用探索，對(duì)培養(yǎng)化工類(lèi)高素質(zhì)人才具有重要意義［5］。

一、案例教學(xué)法的分類(lèi)

（一）經(jīng)典案例教學(xué)法

經(jīng)典案例教學(xué)法指以哈佛商學(xué)院等為代表的有統(tǒng)一教學(xué)規(guī)范、明確教學(xué)目標(biāo)及專(zhuān)門(mén)案例選擇的案例教學(xué)法［6］。經(jīng)典案例教學(xué)法的案例教學(xué)庫(kù)以真實(shí)事件為背景，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的案例寫(xiě)作、測(cè)試及評(píng)審后收錄于教學(xué)案例資源庫(kù)中。經(jīng)典案例教學(xué)法要求教師注重教學(xué)過(guò)程的規(guī)范性，要求學(xué)生在課前完成充分的自我學(xué)習(xí)。

（二）項(xiàng)目案例教學(xué)法

項(xiàng)目案例教學(xué)法以問(wèn)題為導(dǎo)向，側(cè)重于對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題、具體任務(wù)提出解決方案［6］。項(xiàng)目案例可為實(shí)例，從解決實(shí)際問(wèn)題的角度出發(fā)，項(xiàng)目案例教學(xué)具有手段和目的的兩重性。由于實(shí)際問(wèn)題通常是具體且個(gè)性化的，因此案例教學(xué)法要求教師具備扎實(shí)的行業(yè)功底和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。此外，項(xiàng)目案例教學(xué)法將占用學(xué)生更多的課后時(shí)間，這也是解決實(shí)際問(wèn)題的客觀要求。

（三）傳統(tǒng)案例教學(xué)法

傳統(tǒng)案例教學(xué)法是基于講授式教學(xué)，通過(guò)引入、演化、創(chuàng)新等過(guò)程形成的案例教學(xué)法［6］。傳統(tǒng)案例教學(xué)法具有靈活多樣的特點(diǎn)，更側(cè)重于知識(shí)的傳遞和對(duì)課堂教學(xué)成效的綜合評(píng)價(jià)。教師的教學(xué)案例選擇彈性較大，所選案例的時(shí)效性、針對(duì)性、規(guī)范性及一致性給教學(xué)過(guò)程帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

二、“化學(xué)反應(yīng)工程”課程教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)痛點(diǎn)分析

化學(xué)反應(yīng)工程是一門(mén)研究化學(xué)反應(yīng)工程問(wèn)題的科學(xué)，其基本任務(wù)是通過(guò)對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和物理傳遞過(guò)程的特性及其相互作用規(guī)律的研究，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)器分析、化學(xué)反應(yīng)器的選型及設(shè)計(jì)計(jì)算，并提出最佳設(shè)計(jì)方案，從而使一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程更加經(jīng)濟(jì)、合理地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

具體課程目標(biāo)：（1）熟練掌握工業(yè)反應(yīng)器宏觀動(dòng)力學(xué)模型及流動(dòng)模型，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與動(dòng)量、質(zhì)量、熱量傳遞交互作用的基本規(guī)律，研究工程因素對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響。（2）能夠根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的特征及各種類(lèi)型反應(yīng)器的傳遞特征確定反應(yīng)器的選型和操作條件等，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行反應(yīng)工程的研究和反應(yīng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)化工領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題明確設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)解決方案。（3）具備對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的能力，深刻認(rèn)識(shí)各類(lèi)反應(yīng)器的特點(diǎn)和作用，掌握根據(jù)各種化學(xué)反應(yīng)的特征確定反應(yīng)器的類(lèi)型和操作條件，能夠針對(duì)化工領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、工藝方案和技術(shù)參數(shù)。（4）能夠理解工程師對(duì)公眾安全及環(huán)境保護(hù)的社會(huì)責(zé)任，能夠根據(jù)各方面的有關(guān)因素提出優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作方案，通過(guò)工程放大和優(yōu)化方法制定并優(yōu)化工業(yè)反應(yīng)及生產(chǎn)操作過(guò)程。

教學(xué)難點(diǎn)及痛點(diǎn)：（1）課程知識(shí)點(diǎn)繁雜。課程涉及多門(mén)專(zhuān)業(yè)課的知識(shí)，知識(shí)點(diǎn)多且復(fù)雜，具有較強(qiáng)的理論性和專(zhuān)業(yè)性，是對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞、熱量傳遞相互作用的宏觀反應(yīng)過(guò)程的分析。（2）學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力薄弱。課程需要學(xué)生具有較強(qiáng)的反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型建立及分析能力，具體指學(xué)生能夠應(yīng)用理論推演和實(shí)驗(yàn)研究工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的規(guī)律而建立數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程分析和設(shè)計(jì)。（3）學(xué)生工程意識(shí)培養(yǎng)難。課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生工程意識(shí)的建立，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，如能夠綜合利用反應(yīng)器模型模擬復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，并能夠根據(jù)具體的化學(xué)生產(chǎn)工藝進(jìn)行反應(yīng)器選型及尺寸計(jì)算、操作方式及操作條件的設(shè)置。

三、案例教學(xué)法在“化學(xué)反應(yīng)工程”課程中的應(yīng)用探索

（一）教學(xué)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，使學(xué)生深刻理解反應(yīng)器選型對(duì)化工生產(chǎn)的重要性，教師精心選擇工業(yè)生產(chǎn)案例，有針對(duì)性地就生產(chǎn)案例中的反應(yīng)器設(shè)計(jì)創(chuàng)新部分進(jìn)行提煉。首先，所選生產(chǎn)工藝應(yīng)符合當(dāng)今化工行業(yè)發(fā)展綠色環(huán)保的要求，培養(yǎng)學(xué)生“綠色化工”環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)。其次，所選案例應(yīng)具有典型性和代表性，能從案例中提煉出一般性知識(shí)和結(jié)論。最后，所選案例應(yīng)具有一定的高階性和科研創(chuàng)新性，使學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程創(chuàng)新發(fā)展方向有一定的了解。最重要的是應(yīng)秉承綜合性的原則，考慮學(xué)生當(dāng)下的學(xué)習(xí)認(rèn)知度和學(xué)習(xí)能力，以及課堂討論效果，合理選擇案例教學(xué)內(nèi)容。

（二）教學(xué)實(shí)施過(guò)程

形成案例教學(xué)“設(shè)計(jì)—引入—實(shí)施—評(píng)估”的教學(xué)閉環(huán)有助于提高教學(xué)效果，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。其中，教學(xué)實(shí)施過(guò)程是案例教學(xué)的關(guān)鍵。

1.知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)。教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)大綱的要求將教學(xué)知識(shí)點(diǎn)告知學(xué)生，以“反應(yīng)器選型”這一知識(shí)點(diǎn)為例，其包含的內(nèi)容如下：（1）間歇釜式反應(yīng)器。釜式反應(yīng)器大都用于完全互溶的液相或呈兩相的液-液相及液-固相反應(yīng)物系在間歇狀態(tài)下的操作。間歇反應(yīng)器操作具有如下特點(diǎn)：一是反應(yīng)器內(nèi)的物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度處處相等。二是反應(yīng)器內(nèi)具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，反應(yīng)器內(nèi)各處溫度相等。三是反應(yīng)器內(nèi)物料具有相同的反應(yīng)時(shí)間。間歇及連續(xù)流動(dòng)的釜式反應(yīng)器廣泛用于含液相反應(yīng)物料的系統(tǒng)，如精細(xì)合成中的液相反應(yīng)及液-液非均相反應(yīng)，有色冶金及化學(xué)礦加工中的液-固相反應(yīng)，生物反應(yīng)中的微生物發(fā)酵反應(yīng)，聚合物生產(chǎn)中的乳液及懸浮液聚合，氣-液-固非催化及催化的三相反應(yīng)及油脂加氫或有機(jī)物氧化的氣-液相反應(yīng)等過(guò)程。（2）平推流均相管式反應(yīng)器。若物料在反應(yīng)器內(nèi)徑向速度分布均勻，反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有返混，這種理想流動(dòng)稱(chēng)為平推流。管式反應(yīng)器中的物系處于湍流狀態(tài)，且反應(yīng)器管長(zhǎng)遠(yuǎn)大于管徑時(shí)，可近似為平推流反應(yīng)器。連續(xù)操作的平推流反應(yīng)器特點(diǎn)如下：一是定態(tài)操作時(shí)，反應(yīng)器的徑向截面上的物料參數(shù)（濃度、溫度等）沿著物料流動(dòng)方向變化，與時(shí)間無(wú)關(guān)。二是物料在反應(yīng)器內(nèi)徑向速度分布均勻，反應(yīng)速率變化只限于軸向。三是反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間相同。（3）連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器。連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器在強(qiáng)烈攪拌的情況下可視為全混流反應(yīng)器，反應(yīng)物料連續(xù)地加入和流出反應(yīng)器，不存在間歇操作過(guò)程中的輔助時(shí)間的問(wèn)題。連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器反應(yīng)特征如下：一是反應(yīng)物濃度處于出口狀態(tài)的低濃度，反應(yīng)產(chǎn)物濃度處于出口狀態(tài)的高濃度。二是反應(yīng)器內(nèi)物料返混程度最大。三是反應(yīng)器內(nèi)的物料參數(shù)（濃度、溫度等）不隨時(shí)間變化。（4）固定床反應(yīng)器。凡是流體通過(guò)不動(dòng)的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱(chēng)為固定床反應(yīng)器（外形、結(jié)構(gòu)與填料塔類(lèi)似），床層內(nèi)流體流動(dòng)接近于平推流。

2.案例背景分析。教師布置案例，明確案例背景，如在“反應(yīng)器選型”這一知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)過(guò)程中，以工業(yè)生產(chǎn)中微生物發(fā)酵法制備丙烯酰胺這一工藝流程的反應(yīng)器選型為例，通過(guò)生產(chǎn)工藝改進(jìn)過(guò)程中反應(yīng)器選型的優(yōu)化，介紹反應(yīng)器選型對(duì)化工生產(chǎn)的重要性。

案例背景：丙烯酰胺作為一種重要的化工產(chǎn)品，主要用于制造水溶性聚合物——聚丙烯酰胺。20世紀(jì)70年代，用生化工程法生產(chǎn)丙烯酰胺逐步發(fā)展起來(lái)。1979年，日本的渡邊一郎等人使用棒狀桿菌屬和諾卡氏菌屬，在15℃以下的反應(yīng)條件中生產(chǎn)得到的丙烯酰胺含量可達(dá)20%～30%。1985年，日本日東化學(xué)工業(yè)公司在橫濱廠建成年產(chǎn)4000噸的丙烯酰胺裝置，開(kāi)始了丙烯酰胺的生化法工業(yè)生產(chǎn)。中國(guó)上海生物化學(xué)工程研究中心已完成了微生物催化法生產(chǎn)丙烯酰胺的中試研究。2000年，山東勝利油田建成并投產(chǎn)萬(wàn)噸級(jí)微生物法生產(chǎn)丙烯酰胺及配套聚丙烯酰胺的工業(yè)裝置。

3.案例分析與討論。針對(duì)聚丙烯酰胺的工業(yè)化過(guò)程發(fā)展史，在“反應(yīng)器選型”這一知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)過(guò)程中，教師與學(xué)生就以下幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了深入探討：（1）聚丙烯酰胺工業(yè)化生產(chǎn)反應(yīng)器選型的依據(jù)是什么？（2）目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的聚丙烯酰胺微生物發(fā)酵法采用哪種反應(yīng)器？使用不同種反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)分別是什么？反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用通過(guò)哪種工程因素影響了生產(chǎn)工藝的收率？（3）你認(rèn)為未來(lái)哪種反應(yīng)器類(lèi)型在工業(yè)微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙烯酰胺具有重要的價(jià)值？當(dāng)前尚需解決的反應(yīng)器設(shè)計(jì)問(wèn)題是什么？

反應(yīng)器選型：（1）間歇釜式反應(yīng)器。目前工業(yè)化的丙烯酰胺微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程主要在攪拌反應(yīng)罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)，采用間歇操作的方式。該反應(yīng)方式存在細(xì)胞易破碎、生產(chǎn)過(guò)程不連續(xù)、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率不高等問(wèn)題。（2）填充床反應(yīng)器。Jun Sik Hwang和Ho Nam Chang等報(bào)道了填充床采用“批式流+丙烯腈”的生產(chǎn)方式。該生產(chǎn)方式存在反應(yīng)原料和生物催化劑的接觸不充分、傳質(zhì)速率受限、反應(yīng)速率低、反應(yīng)放熱等不利影響，該填充床的生產(chǎn)效率比較低。1990年，Ho Nam Chang等又開(kāi)發(fā)了在分兩端的固定化細(xì)胞填充床中進(jìn)行批式循環(huán)流加的生產(chǎn)工藝。（3）密集多相流反應(yīng)器。1991年，Bernet N等應(yīng)用密集多相流反應(yīng)器進(jìn)行丙烯酰胺微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程。通過(guò)空氣流動(dòng)保持粒子處于流動(dòng)狀態(tài)，增加混合度。該生產(chǎn)方式具有空氣流量較小、流動(dòng)相內(nèi)部混合均勻、固定相含量較高的優(yōu)點(diǎn)，但空氣的存在會(huì)加速腈水合酶失去活力。隨后，Arnaud等人繼續(xù)開(kāi)發(fā)了密集兩相流化技術(shù)，避免了空氣的引入，實(shí)現(xiàn)了較高的轉(zhuǎn)化率。（4）膜生物反應(yīng)器。1987年，Jun Sik Hwang和Ho Nam Chang等利用雙層中空纖維結(jié)構(gòu)的生物反應(yīng)器進(jìn)行聚丙烯酰胺微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程。采用的雙層中空纖維以聚酮為外層，以聚丙烯為內(nèi)層。這種形式的反應(yīng)器將細(xì)胞培養(yǎng)和酶催化反應(yīng)進(jìn)行了整合，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)過(guò)程的連續(xù)化。此外，中空纖維反應(yīng)器有效分隔了高濃度底物和酶，提高了酶的催化反應(yīng)效率。

（三）課程思政

將生物技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)的產(chǎn)業(yè)被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一。2021年6月1日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)高耗能、高排放建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)環(huán)境源頭防控的指導(dǎo)意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《意見(jiàn)》），堅(jiān)決遏制高耗能、高排放項(xiàng)目的盲目發(fā)展，推動(dòng)了綠色轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展［7］。《意見(jiàn)》的出臺(tái)進(jìn)一步提高了化工行業(yè)的準(zhǔn)入門(mén)檻，要求企業(yè)加快現(xiàn)有項(xiàng)目的轉(zhuǎn)型升級(jí)和淘汰，對(duì)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。通過(guò)反應(yīng)器選型這一知識(shí)點(diǎn)的案例教學(xué)可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程師意識(shí)，使本專(zhuān)業(yè)學(xué)生在未來(lái)從事化工生產(chǎn)時(shí)能夠綜合考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化及環(huán)境等因素。

（四）教學(xué)效果

學(xué)生在課前能夠充分調(diào)研各種反應(yīng)器類(lèi)型在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)“反應(yīng)器選型”的重要性有了一定的了解，授課過(guò)程中學(xué)生對(duì)這一部分知識(shí)點(diǎn)的掌握較為牢固。此外，在針對(duì)微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙烯酰胺工藝發(fā)展歷程的調(diào)研過(guò)程中，學(xué)生能夠橫向?qū)Ρ榷喾N類(lèi)型反應(yīng)器在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)，并意識(shí)到反應(yīng)器選型對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的影響。在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)例教學(xué)，能夠吸引學(xué)生的注意力；問(wèn)題導(dǎo)入式的案例教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生思考和分析問(wèn)題的主動(dòng)性，充分調(diào)動(dòng)課堂氛圍；實(shí)例教學(xué)初步培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)，從課本中看到了化學(xué)生產(chǎn)工藝的科研創(chuàng)新。案例教學(xué)法在“化學(xué)反應(yīng)工程”課程中的“反應(yīng)器選型”這一知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)應(yīng)用探索初見(jiàn)成效。

結(jié)語(yǔ)

在“化學(xué)反應(yīng)工程”課程的教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用案例教學(xué)法，需要授課教師精心選擇案例，并設(shè)計(jì)導(dǎo)入問(wèn)題，將教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際案例科學(xué)有效地結(jié)合起來(lái)。此外，可將案例教學(xué)與其他教學(xué)手段相結(jié)合，如新媒體教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等，進(jìn)一步提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考的能力，通過(guò)“理論—分析—實(shí)踐—理論”的閉環(huán)教育模式提升“化學(xué)反應(yīng)工程”課程的教學(xué)效果，為我國(guó)化工行業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)綜合型人才。