新時代下《化學反應(yīng)工程》課程建設(shè)的思考與探析

＊孫志娟 吳振宇 楊阿三 霍超 劉華彥 于尚志 聶勇

（中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會生物柴油工程實驗室，浙江省生物燃料技術(shù)利用研究重點實驗室浙江工業(yè)大學化學工程學院 浙江 310014）

化學反應(yīng)工程作為化工發(fā)展的龍頭，也是化學工程學科的基礎(chǔ)內(nèi)容。1957年在荷蘭召開的第一屆歐洲化學反應(yīng)工程會議系統(tǒng)地總結(jié)并論述了有關(guān)宏觀反應(yīng)動力學及反應(yīng)過程工程分析的若干基本問題，確定了“化學反應(yīng)工程學”的名稱，這門學科分支與傳遞過程的形成，共同標志著化學工程學科發(fā)展進入第二個里程碑[1]。

《化學反應(yīng)工程》課程作為高等院?；瘜W工程與工藝及相關(guān)專業(yè)本科生的專業(yè)課，主要目標是用科學哲學范式來引領(lǐng)和管理學習，掌握與反應(yīng)器分析及設(shè)計密切相關(guān)的基本概念或知識點；深刻理解各類理想反應(yīng)器模型及非理想反應(yīng)器模型，熟練掌握等溫和非等溫反應(yīng)器的設(shè)計計算方法。該課程以數(shù)學、物理、化學、生物等基礎(chǔ)類課程和化工熱力學、化工原理、傳遞過程等專業(yè)基礎(chǔ)課程為先修課程，并進一步支持化工設(shè)計、化工安全和化工系統(tǒng)工程等相關(guān)專業(yè)課的學習。

1.《化學反應(yīng)工程》的課程建設(shè)與特色

浙江工業(yè)大學的《化學反應(yīng)工程》課程源遠流長，先后經(jīng)歷了20世紀60年代—90年代初課程建設(shè)的初步階段、20世紀90年代的發(fā)展階段以及2000年以來的成熟階段。學校、學院一直都非常重視反應(yīng)工程課程建設(shè)，自2002年起學院、學校先后立項，進行本課程的教學改革和課程建設(shè)，特別是從2010年開始化學反應(yīng)工程浙江省級精品課程建設(shè)以來，化學反應(yīng)工程教學團隊堅持以人為本，知識、能力、素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展的教學理念，深化課程改革、更新教學內(nèi)容、不斷改進教學方法和手段，取得一定的建設(shè)成效，并形成了較鮮明的特色，具體總結(jié)歸納如下。

（1）選用國外優(yōu)秀教材，通過啟發(fā)式教學與習題的求解，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力，引導學生開發(fā)評判式學習和創(chuàng)造性思維技巧。

2004年以前，一直使用浙江大學教授陳甘棠先生主編的《化學反應(yīng)工程》，其間根據(jù)主講教師的情況在部分學生中使用[美]Octave Levenspiel著的原版教材《Chemical Reaction Engineering》[2-3]。2004年后根據(jù)“面向21世紀化學工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)方案”的精神和強調(diào)“厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)”的指導方針，針對課程授課時數(shù)不斷緊縮的實際問題，結(jié)合本課程的授課理念，在充分了解國內(nèi)外各版本《化學反應(yīng)工程》教材基礎(chǔ)上，最終確定[美]H.Scott Fogler著的《Elements of Chemical Reaction Engineering》教材作為本科教學的教材，并輔以豐富的網(wǎng)絡(luò)資料和工程案例作為補充學習資料[4]。該教材的特色在于通過啟發(fā)式教學和求解不同難度的習題，從而培養(yǎng)學生的判斷性、創(chuàng)造性思維能力，使學生能夠通過推理而不是死記硬背去掌握所學的內(nèi)容，并且可以借助于數(shù)值方程去解決化學反應(yīng)工程領(lǐng)域的問題。該教材為國外優(yōu)秀教材，內(nèi)容體系完整，并以典型的化工領(lǐng)域中的工程案例為例題和習題，加深學生對知識的深化理解和吸收應(yīng)用，此外教材有配套的英文網(wǎng)站，包含了該學科領(lǐng)域的一些最新進展。目前在國內(nèi)出版的該教材包括第三版的中譯版和第四版的英文版，教學團隊根據(jù)學生基礎(chǔ)不同，采取分層次教學，大部分學生選用中譯版，而少部分英語基礎(chǔ)好的學生使用原版教材。

（2）強調(diào)在數(shù)學建模中數(shù)學解析與數(shù)值計算并重；引入Polymath數(shù)值計算軟件，方便學生解題，促進學生理解反應(yīng)工程原理，增強學生數(shù)值計算能力。

針對《化學反應(yīng)工程》課程中有大量的數(shù)學模型的計算，在課程教學中充分利用Polymath軟件，可以方便地解決反應(yīng)工程中許多復(fù)雜的數(shù)學計算問題，使例題和習題可以更多地采用生產(chǎn)實際過程的例子，既避免了學生大量繁瑣的計算量，又可以提高學生充分利用所學知識解決實際問題的能力，激發(fā)學習反應(yīng)工程的興趣。此外，在教學過程中強調(diào)數(shù)值計算的重要性，加強對學生計算機應(yīng)用能力的培養(yǎng)，這樣既解決了學生求解反應(yīng)工程數(shù)學模型方程難的問題，又使學生學到了數(shù)值計算的基本原理，掌握了新的計算工具。

（3）強調(diào)理論知識與實踐應(yīng)用相結(jié)合。引入國內(nèi)外豐富的工業(yè)實例，并結(jié)合任課教師科研實踐案例，強化學生的實踐創(chuàng)新和工程應(yīng)用能力。

《化學反應(yīng)工程》是一門綜合實踐性強的課程，為提高教學質(zhì)量，強化學生的實踐創(chuàng)新和工程應(yīng)用能力，授課過程中強調(diào)理論知識與實踐應(yīng)用相結(jié)合[5-6]。在教學過程中，工業(yè)案例貫穿課程的始終，從成功的工業(yè)案例出發(fā)進行教學，可以使學生真切感知專業(yè)課與實際應(yīng)用的關(guān)系，了解工業(yè)上的需要，理解工業(yè)問題的分析，掌握工業(yè)問題解決中的方法論及多樣的解決方案，學會如何根據(jù)特定場景需求、特色工藝需求等靈活進行反應(yīng)裝置的選擇和優(yōu)化設(shè)計，充分理解化學工程問題的“三傳一反”集成和綜合解決問題的重要性。如引入的國內(nèi)外的工業(yè)案例包括石油煉制過程中的催化裂化反應(yīng)器、合成氨過程催化劑及催化反應(yīng)機理、SO3的合成等。同時，本?；瘜W反應(yīng)工程教學團隊成員也均有工程實踐背景，并長期從事反應(yīng)工程方向的相關(guān)研究，在授課中可將自身的科研成果作為案例分享給同學們，引導同學們進行思考所學知識與工業(yè)應(yīng)用間的內(nèi)在關(guān)系，切實體會所學知識的價值和應(yīng)用前景，從而進一步提高了學生的學習主動性。

（4）結(jié)合化學反應(yīng)工程實踐性強的特點，本課程依托浙江工業(yè)大學莫干山校區(qū)新建的化工實訓中心，加強培養(yǎng)學生的工程實踐能力。

浙江工業(yè)大學在新工科建設(shè)背景下建成了綠色、開放、共享的大型實習實訓基地，共建有大型半實物仿真工廠2套，各種生產(chǎn)實訓裝置9類26套，大型半實物仿真教學工廠（見圖1所示）建有兩條線：分別是80萬噸乙烯生產(chǎn)和60萬噸/年煤制甲醇的數(shù)字工廠。80萬噸乙烯生產(chǎn)是以乙烯生產(chǎn)真實工廠為原型開發(fā)，裝置包括：裂解、急冷、裂解氣壓縮、壓縮制冷等工段，60萬噸/年煤制甲醇也是以真實工廠為原型開發(fā)，裝置包括：水煤漿氣化、變換、低溫甲醇洗、甲醇合成、甲醇精制等工段。兩套數(shù)字工廠均具有開停車、事故處理、設(shè)備認知、DCS培訓、消防應(yīng)急演練等多種實踐教學功能。在講授課程知識點的同時，將信息技術(shù)與實訓項目深度融合，讓學生參與工程實訓，虛實結(jié)合緊密，豐富教學內(nèi)容、加強學生工程實踐能力[10]。

圖2 《化學反應(yīng)工程》智慧樹線上課程首頁與課程介紹

2.《化學反應(yīng)工程》的線上線下的混合式教學

為提高教學質(zhì)量，需要對授課方式進行改革，主要是將傳統(tǒng)的線下的授課方式變成線上線下混合式教學[7-8]。《化學反應(yīng)工程》教研組設(shè)計開發(fā)了輔助教學的《化學反應(yīng)工程》多媒體CAI課件，將文字、動畫、圖像等媒體有效地組合在一起，錄制豐富的教學視頻并上傳到超星網(wǎng)絡(luò)課程中讓學生可以永久學習，使原本枯燥的內(nèi)容和抽象的理論轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?、形象的動畫視頻。在課堂教學中，增加了任務(wù)驅(qū)動、問題驅(qū)動的教學方式，反應(yīng)工程解決的核心問題就是為具有一定特性的化學反應(yīng)配置滿足該特性的化學反應(yīng)器，即化學反應(yīng)特性與化學反應(yīng)器傳遞特性相適應(yīng)，在講解了基本原理的基礎(chǔ)上，適當設(shè)計一些具有工業(yè)背景的化學反應(yīng)，并給出這些反應(yīng)的特點，提出反應(yīng)器的選型與設(shè)計任務(wù)，或提出反應(yīng)器的操作問題，與學生共同探討，通過對反應(yīng)特性的分析，選擇、建立反應(yīng)器及其模型，通過數(shù)值求解，對結(jié)果進行分析包括敏感性分析，促進學生對反應(yīng)工程基本原理的理解，也提高學生學習興趣，同時也加強了課堂互動，效果良好。

此外，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”教學理念，浙江工業(yè)大學化學反應(yīng)課程團隊經(jīng)過認真梳理課程內(nèi)容，將重要的核心內(nèi)容整理成24個知識點，精心錄制了視頻并在智慧樹平臺上上線，于2021年學期正式對外開放共享，形成了課前線上預(yù)習、課中線下講授討論、課后線上鞏固復(fù)習的高效的線上線下混合式教學模式。本線上課程也對外開放共享，目前已有19所高校學生選課，累計選課人數(shù)達879人。

在《化學反應(yīng)工程》的教學工程中，努力做到啟智潤心相統(tǒng)一，不僅要教學生學習知識，也同時要培養(yǎng)學生的專業(yè)使命感、專業(yè)認知和專業(yè)倫理觀，理解反應(yīng)工程的歷史發(fā)展和未來趨勢，體會現(xiàn)代化工的重要性和吸引力。在具體授課過程中將培養(yǎng)學生的家國情懷、社會責任感和專業(yè)志向貫穿始終[9-10]。具體舉措有：一是通過介紹與化學反應(yīng)工程相關(guān)的歷史上的重大貢獻及相關(guān)諾貝爾化學獎獲得者的重要貢獻，使學生理解該學科對社會發(fā)展的重要推動作用，提升學生的專業(yè)自豪感、責任感和使命感。如在講解理想反應(yīng)器設(shè)計章節(jié)中就引入閔恩澤院士研究開發(fā)的磁穩(wěn)定床反應(yīng)器可以集成漿態(tài)床、固定床和流化床反應(yīng)器的優(yōu)點，實現(xiàn)反應(yīng)過程強化。二是結(jié)合工業(yè)案例分析，使學生認識到本學科的科技發(fā)展前沿與活力以及與能源、環(huán)境、資源、新材料、醫(yī)藥健康等領(lǐng)域的重要關(guān)系[1]。如結(jié)合浙江工業(yè)大學劉化章教授在合成氨催化劑方面的研究成果（獲中國催化成就獎）來講授催化劑的作用及催化反應(yīng)機理。三是結(jié)合教師自身的科研案例分析，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。浙江工業(yè)大學化學反應(yīng)工程教學團隊在生物柴油的開發(fā)及應(yīng)用、新型反應(yīng)器設(shè)計個方向都有豐富的案例，通過讓學生直接參與科研或競賽等課外科技活動中，讓學生了解生物柴油是一種具有可再生、環(huán)境友好、燃料性能好、原料來源廣泛等特點的新型能源，生物柴油的發(fā)展對我國推進能源替代、緩解環(huán)境壓力、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用，特別是在目前“碳達峰”“碳中和”新形式下尤為重要。

3.結(jié)語與展望

《化學反應(yīng)工程》課程一直是浙江工業(yè)大學的重點課程，目前已建設(shè)為校級優(yōu)秀課程、浙江省精品課程和浙江省一流課程，經(jīng)過三十多年的建設(shè)，在課程思政建設(shè)、教材選用、教學手段、教學方法和模式、網(wǎng)絡(luò)教學建設(shè)形成了自己的特色。在新時代背景下，如何結(jié)合時代使命、新工科人才的培養(yǎng)要求，充分利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源和教學工具加強本課程的課程思政、線上線下混合式教學，這些都值得我們進一步努力探索并解決。