新工科背景下的化学反应工程课程教学改革

彭博，廖业欣，刘彭如，薛兴勇，蓝平

(广西民族大学化学化工学院 广西多糖材料与改性重点实验室，广西 南宁 530006)

0 引言

随着经济社会发展，为实现国家高质量发展，对创新型化工人才的迫切需求越来越显著。2015年5月国务院正式印发《中国制造2025》，其核心内容中就有创新和人才，关注人才的发展推动国家创新体系的建立，实现绿色的发展模式[1]，其中涉及的十大研究领域中绝大部分跟化工相关，可见化工专业在经济发展中的重要地位。为了推动工程教育改革，2017年2月教育部发布了《教育部高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知》，号召高等学校开展“新工科”研究，通过包括课程改革在内的各方面的改革推动工科教育改革[2]。2018年9月全国教育大会上，习近平总书记提出全面振兴本科教育[3]，本科教学在高等学校中的教育教学重视程度得到提升。面向国家重大战略发展、立德树人新要求，以学与教、实践与创新为主要内容，围绕工程教育新的理念，构建人才培养的新模式。在之后多个场合习近平总书记提到教育的重要使命，2020年9月11日在科学家座谈会上的讲话，提到加强创新人才的培养，要把教育摆在更加重要位置，全面提高教育质量，注重培养学生创新意识和创新能力。2021年4月19日在清华大学考察时的讲话提到“我国高等教育要立足中华民族伟大复兴战略全局和世界百年未有之大变局，心怀“国之大者”，把握大势，敢于担当，善于作为，为服务国家富强、民族复兴、人民幸福贡献力量”。在国家大力发展教育，促进教育改革的背景下，开展“新工科”建设，应对产业和技术的变革，推动我国科技在全球的引领。化工学科对当前疫情的防控起到重要作用，比如口罩的材料、防疫医药的提纯和生产等。“双碳”背景下，化工在降碳减排节能过程同样能够起到重要的作用。这些正是因为化学工程学科关联能源、环境、生物、医药、冶金、材料、信息、食品等领域，在国民经济中扮演着重要的角色。因此，开展化工教育的改革成为教育改革的重要一部分，通过改革适应新时代的发展要求已是刻不容缓。

化学工程以化学学科为核心，涉及内容与热力学、流体力学等形成交叉，集成物质转化过程的分离-反应-分离等单元功能[4]。反应过程和反应场所是实现物质转化的关键所在。而化学反应工程正是围绕反应动力学机理和设计反应器的学科。化学反应工程目前是化工专业学生的核心专业课。该课程以高等数学、四大化学、大学物理、大学英语等基础课程和化工原理等专业基础课为基础，后续支持化工过程分析与合成、工业催化、化工设计、化工环保等课程的学习[5]。本论文的探索正是在“新工科”背景下围绕学生为中心而开展。

1 优化课程教学

化学反应工程课程教学传统的方式课堂PPT授课、平时课后作业、期末考试，这种授课方式一方面依赖授课教师具备丰富的化学反应工程经验和教学手段，能够在课堂中把握教学的重点难点，能够在课程讲授中充分调动学生学习的积极性；另一方面依赖学生具备自主学习、课前预习课下复习和积极请教老师的主动性。如果在著名高校教师实力雄厚，学生自主学习能力强，这样的教学能取得较好的学习成效。然而，对于众多的地方高校，授课教师多数没有很多的工程经验，甚至一些教师的研究方向不涉及化学反应动力学和反应器，自然对课程的理解不全面；地方高校的学生基础相对薄弱，特别是数学基础弱，导致学习起来难度大。从广西民族大学化学工程与工艺的学生在学习化学反应工程课程过程反馈说明化学反应工程理解难、公式多，在平时的测验考试体现出来学生答不到要点、甚至部分学生面对综合性试题无从下手等突出的问题。针对这些问题，必然需要改变传统的课程教学方式，坚持OBE理念[6]，培养具有扎实基础知识的化工人才。以广西民族大学为例，具体途径如下：

1.1 突出重点的教学内容，强化基本概念基本原理的讲授

讲课中将课程的基本概念、基本原理结合反应器的设计原理，首选从基本的概念入手，将概念的工程意义阐述清楚，再此基础上再阐明基本的原理。将反应器的数学模型与基本原理之间的关系作为重点，弱化数学计算内容，减少学生接受新知识的困难。将反应器的模型推导过程作为重点内容，以此为例，讲述利用物料衡算的方法如何得到不同反应器的设计方程，以此改变学生对课程公式多的印象，从基本方法入手，得到需要使用的数学模型方程。化学反应工程课程的化学反应动力学、物料返混、复合反应选择率与收率、反应过程中的热量与质量传递、反应器的热稳定性、催化剂工程等基本原理、基本概念与间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器的数学模型的特点和紧密联系为课程的重点内容[7]。广西民族大学化学反应工程教学采用朱炳辰主编的《化学反应工程》第五版，该教材编写内容丰富，对化学反应工程的重点内容讲述详细，既有利于教师讲授具体的知识点又降低了学生自学的理解难度。同时，辅助使用许志美主编的《化学反应工程》，结合该教材围绕化工工程教育编写的角度，在授课中侧重反应器与化学反应结合的讲解方法，更容易让学生理解反应器。多个教材结合的方法能够提升课程内容更加系统，有助于降低课程学习的难度。目前，课程设置56学时，难以面面俱到讲完全部的内容，所以突出重点内容，同时引导学生自学其他内容。该教材强调方法论，有利于主讲教师结合科研实践将抽象复杂的研究方法以案例的形式具体化，让学生体会到科学问题的解决过程到工程问题的实施再到产品工程，展现学习的知识学有所用，激发学生的思考。

1.2 分组课程答辩，调动学生深入思考能力

引导学生自主学习和团队合作，课程讲授中布置学生开展分组调研课程的内容，并进行答辩。学生通过积极准备课程答辩，能够深入思考所学知识，展示团队协作能力，表达能力。学生大三下学期学习化学反应工程课，选题范围在朱炳辰主编的《化学反应工程》第五版内，每组2～4人，时间控制在6～8分钟之内。课程讲授对象的翻转，让学生能够更加深刻地学习知识。经历课程内容的学习讨论，提高学生总结和表达能力，针对大四上学期是学生找工作的关键时间，对于本专业的核心课程的深入理解，有助于在面试环节更好地展示自己的专业素养。对于考研的学生，在大四下学期研究生录取复试过程中面试环节更是要展示过硬的专业知识。规定范围的时间内凝练出本专业的核心内容，充分训练学生过硬的专业素养。因此，通过课程答辩能增强学生对课程的理解，加深对所学知识的深入思考。

1.3 撰写课程论文，提高学生分析总结能力

随着学习的深入，学生到了大三下学期已经学习了很多专业课程，除了化学反应工程外，还学习了化工原理、化工热力学、化工设计、分离工程等。对于本专业的认识怎样？对于本课程的理解怎样？这些都是化工专业高等教育的核心关注点。学习的关键在于思考和总结，培养学生具备思考的习惯和总结的能力成为创新教育的关键问题。引导学生学会总结已经学过的知识，理清每个课程众多知识点构成的课程体系，明析多个课程交织的专业知识网络，凝练专业知识的表达，同时认识自身的知识储备量并及时弥补学习。论文撰写过程查阅文献资料，训练学生对信息的识别能力和文献检索能力。立足规范、科学严谨，让学生认识到理工科的科学特点，培养理性科学思维，提高对知识、问题的分析总结能力。

1.4 引入前沿研究，拓展课程内容

化学反应工程起源从20世纪20年代合成氨技术发明和应用到现在百年的历程中仍在不断地发展。面对当今资源、能源、环境等重大问题，使用经典的化学反应工程知识解决困扰人类生存发展的问题，已经是当代化工人应当勇于承担起的责任。由于学科的快速发展，教材的编写无法时时跟进最新的科技前沿。催化反应作为化学反应工程重要的内容，也是当今世界研究热门的领域，补充讲述催化科学前沿，让学生了解目前的三大催化挑战：发展催化以解决能源和化工生产中的突出问题、发展催化以通向清洁和可持续的未来、应对催化的复杂性[8]。概述催化反应过程前沿研究，主要是技术耦合，例如催化精馏[9]、膜催化[10]等。讲新型的催化反应器，拓展学生对反应器设计的认知，例如骆广生教授的微通道反应器[11]、陈建峰院士的超重力反应器[12]等。通过前沿的研究，拓展学生的视野，让学生认识到化学反应工程的重大研究意义，增强学生对专业的认同感和为学生注入源源不断的学习动力。工程科学教育，需要让学生多接触真实的反应情况、真实的应用条件、真实的生产工况，这样在学习中发现问题，带着问题进入课程的学习能够增强学生对课程的深入理解。在日后的工作岗位，面对工厂的生产问题能够提出可行的解决方案，培养具有创新精神的工程师。

2 强化实践教学，提高创新水平

工科学生所学知识最终的落脚是要解决复杂的工程问题，学习成效仅靠课程教学不能满足国家对培养创新人才的要求[12]。因此，实践教学成为需要不断加强的一环。化学反应工程的实践教学主要内容：化学反应工程实验、化工实习和包含大学生“互联网+”大赛、全国大学生化工设计大赛、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、大学生创新创业实验项目等学科赛事。利用实践教学，培养学生利用已经学过的化学反应动力学和反应器的设计知识，去解决实际面临的工程问题。通过学生自主思考、动手操作、独立发现分析解决问题，系统地掌握化学反应工程课程的知识，形成实现创新的坚实基础。

2.1 设置化学反应工程实验，培养学生自主学习能力

在化学工程与工艺专业实验中为学生开设5个涉及到化学反应工程类的专业实验：多釜串并联返混、单釜和管式反应器性能测、乙醇气相脱水制乙烯、气液固流化床性能测定和内循环无梯度反应器中宏观反应动力学数据测定。化学工程与工艺专业实验和化学反应工程属于两个独立的课程，存在内在紧密的联系。因此，调整培养方案在授课学期为学生开设相关的实验，构建“理论-实践”结合的综合授课方案。实验的授课同样改变以往的单一模式，借助现有的实验装置，实施设计式实验教学，通过项目式开展实验授课。具体的实验授课流程：首先让学生认真预习实验讲义、实验小组讨论设计实验流程，之后实验小组确定实验方案，指导教师审核实验方案，为实验小组准备需要的仪器药品并强调实验过程的安全问题。通过实验方案审核后，实验小组开始分工实验操作、实验数据记录处理。指导教师根据实验小组的实验过程结果给出指导意见。最后实验小组根据指导意见及时补充实验，并撰写实验报告。整个实验过程强调学生对实验的自主设计、发现问题并解决问题的能力以及对数据处理和编写报告的写作技能。

2.2 结合工程学科竞赛，培养知识的运用能力

引导学生参加全国大学生化工设计竞赛、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、“互联网+”大学生创新创业大赛、申报大学生创新创业项目等，广西民族大学化工专业学生近三年来，共计获奖/立项72项。通过完整严格的竞赛训练，提高了学生的创新能力。其中获得全国大学生化工设计竞赛二等奖3项、“互联网+”大学生创新创业大赛国家级铜奖1项、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛广西壮族自治区级一等奖1项、大学生创新创业项目国家级立项4项。学生在参加各类竞赛的过程中能学到Aspen Plus、Atuo CAD等专业软件，熟悉文献检索，学会作品展示等。化工设计大赛中，反应器的设计是其中的关键环节，反应器的选型、催化剂的类型、物料的种类等综合考虑，突出创新性，对学生运用化学反应工程知识的训练具有非常大的帮助。众多参赛学生反馈参加过竞赛后，对化工专业的认识加深了，同时学会了运用所学知识。

3 结语

化学反应工程是化学工程学科中重要的一门课程，要求学生掌握化学反应机理研究和反应器设计，特别是能够在研究化学反应机理的基础上设计合适的反应器实现产品的量产，结合化工原理、分离工程、热力学、传递工程原理等课程的内容，学会应用所学解决工业生产中的工程问题。授课过程中注重培养学生自主学习、善于分析总结的能力。在课程改革中突出重点内容、引入课程的前沿研究、增加课程答辩和课程论文的方式优化课程教学，根据课程授课的需要，调整培养方案，构建“理论-实践”结合的教学方案。将化学工程与工艺专业实验、化工专业竞赛的课程实践与化学反应工程课程教学结合，实现学与用的结合，综合训练学生的知识运用能力和工程实践能力，培养创新能力，对提升教学成效非常有益。当前新工科建设要求下，改革化学反应工程课程，从学生面临的现实问题出发，构建课程教学和课程实践一体的改革方案，关注学生的创新能力培养，为打造高水平本科教育具有十分重要的意义。经过改革，广西民族大学化工专业学生近三年来，共计获奖/立项72项，取得显著的成绩。随着时代发展，教育改革需要持续跟进，对于不断出现的新问题，值得一起努力探索解决方案，通过不断地课程改革推进新工科建设，努力发展高水平本科教育，服务国家创新发展战略。