化学反应工程课堂教学方法浅析

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[摘要]化学反应工程是化学工程与工艺专业的核心专业课程，传统课堂教学侧重于知识“满堂灌”，教学方法和教学模式单一，学生学习兴趣不足，课堂气氛沉闷，学习效果与预期相差甚远。本课程在现有教学体系基础上，通过重构课程知识框架、丰富课堂教学手段，结合工程案例、单元仿真、设计竞赛等环节，探讨课堂教学新模式，以激发学生的专业志趣、培养学生工程实践能力、提升学生人文素质。

[关键词]化学反应工程；课程设计；课堂教学；工程实践；案例分析

化学工业与人们的衣、食、住、行息息相关，是国民经济的支柱产业，其生产过程主要涉及三个步骤——原料预处理、化学反应、产品的分离与纯化[1]。其中，化学反应是将原料转变为化工产品的关键，是整个工业生产过程的核心。研究化学反应如何在工业上实现的学科称为化学反应工程，即化学反应工程是一门研究化学反应工程问题的学科，它以工业反应过程和反应器的设计、开发、放大及优化为目的，是化学工程学科的重要分支。作为大化工专业(特别是化学工程与工艺专业)的核心基础课程，化学反应工程是一门以高等数学、物理化学、物理等为先修知识、学科交叉性较强的学科，其概念、原理抽象，往往采用理论推演结合工程实践的研究方法[2,3]。更重要地是，化学反应工程的研究对象——工业规模的化学反应，其影响因素复杂多样，对于缺乏一线实践认知的学生群体，难以将反应过程设计、操作优化等实际问题的解决与理论知识联系起来。基于上述特点，在新工科背景下，化学反应工程教学既要满足专业知识体系的基本要求，还要强调工程思维训练，突出对解决复杂工程问题的能力提高，同时提高学生的学习兴趣。

1化学反应工程课堂教学现状分析

在教学活动的三个主要环节(课前准备、课堂教学、课后学习)中，课堂教学活动是关键。常规课堂教学过程中，教师多采用多媒体(以PPT为主)结合板书的方式进行授课，整体上侧重于知识“满堂灌”，教学方法和教学模式比较单一，课堂氛围也较为沉闷，具体表现在以下三个方面。

1.1学生课堂注意力不集中，主体参与性不高。化学反应工程融合了诸多学科知识，同时涉及较多的数学模型和工程问题，综合性强。这对于数学基础偏弱、没有经历过工厂实操和工程设计的本科学生来讲，常常产生望而生畏的感觉，刚开始就容易失去学习的信心。加上学生没有树立课前预习、课后复习的学习意识，有时跟不上教师授课节奏，常常陷入“人在曹营心在汉”的状态，觉得听了和没听效果差不多，主动把自己与课堂分隔开。

1.2课堂氛围不活跃，缺乏有效互动。目前多媒体课件(如PPT课件)作为教师传授知识的最主要的教学手段，承载了较多的知识点。教师有时为了赶教学进度，表达方式偏向于“内容”驱动的单向输出。目前面对的授课对象多为90后和00后，他们更偏爱于多元化的个性表达[4]，面对“单向输出”的教学方式和枯燥的理论知识，学生的积极性不高，也无法对教师抛出的理论知识进行讨论和互动。

1.3工程实践能力培养明显不足。课堂教学教师一般多关注于数学模型的建立、设计方程的推导，虽然强调工程实践能力的培养，但往往因为完成教学内容而忽略学生的主观能力性和参与感。加之本科阶段工程实训的机会有限，理论知识和实践训练脱节，往往使学生认为现在所学的课本对将来的工作用处不大，出现“高分低能”的现象。

2化学反应工程课堂教学改革

为了改善上述情况，提高学生课堂学习热情和学习效果，本文从以下四个方面对课堂教学方法和模式变化进行初步探讨和实践，整体设计和实施思路如图1所示。

2.1梳理知识体系，授课内容模块化

以往教学内容是以知识点为单元进行课堂教学，不利于学生对于课程整体框架的理解和重点内容的把控，并且在学习过程中容易遗忘前面所学知识。根据我校学生的特点(数学基础偏弱)，参考多个化学反应工程的教材和专业书籍(以郭锴主编的《化学反应工程》、陈甘棠主编的《化学反应工程》作为主要教材)，在知识体系的构建上，强调逻辑关系，注重基础知识，简化复杂的推导过程(推导过程以拓展资料的形式推送给学生)。结合工程教育认证标准对课程的要求，将课堂教学内容凝练为以下四大模块(图2)[5]：理想流动与理想反应器、非理想流动、非均相反应过程、工业反应器。四个模块内容为递进关系，模块1(理想流动与理想反应器)是本学科的基础，注重解决“是什么”的问题，侧重从化学反应工程的视角阐述化学反应动力学的基本概念和原理，讨论均相反应中单一不可逆反应和简单复合反应的特点、化学反应速率的一般表达和实验测定方法，重点介绍三类理想反应器的特点(物理模型)和设计过程，为整个化学反应工程的理论学习奠定基础。模块2(非理想流动)和模块3(非均相反应过程)侧重解决“为什么”的问题，重点讲授混合过程中的停留时间分布和气固相催化反应过程的本征动力学和宏观动力学问题。这三个模块侧重的是反应工程的理论分析，而模块4则侧重“怎么样”的问题，注重工业反应器的设计、分析与开发，重点讲授固定床反应器和流化床反应器的设计和应用，知识层次逐渐提高，学生的工程意识和能力也由“认识问题”、“分析问题”提高到“解决问题”。课程的整个教学架构为：从最基本的科学原理出发建立数学模型，然后逐层次加入特性化的反应器类型、反应动力学和非理想流动行为；最后集成上述内容，实现反应器的设计和优化。通过内容模块化，学生能够自主地进行知识点梳理和重点内容消化，并采用思维导图、逻辑线路图等方式整理学习内容。

2.2丰富教学手段，教学方式多样化

多样实例契合讲解，妙趣横生。以日常生活中的小实例作为每章内容的开篇和知识点类比，例如在绪论课上，可以食堂大锅菜与家庭小炒味道不同的案例，从化学工程的角度带领学生了解食材烹饪的过程中的“三传一反”原理[6]。在讲解复合反应时，可以引入可口可乐生产中连续化和收率优化问题。从而使学生在学习本课程时能有这样的感受：化学反应工程的知识与我们的生活、生产联系是紧密的，进而消除对专业知识产生的枯燥感、畏惧感。这些小案例涉及的知识面广，内容丰富，且是读者所熟知的事物，很容易抓住读者的兴趣，让化学反应工程枯燥的知识内容贴近学生生活，减轻对于抽象理论和复杂工程问题的畏惧感，改善学生听课的精神状态。数字资源丰富主题，相得益彰。“互联网+”背景下，网络课程、数字课程已成为全新的教学思路和辅助资源[7]。在课堂教学中，配备微课视频，穿插在每章内容的讲解过程中，例如在讲解可逆反应时，在小视频中显示“活化能”的动画，加深学生对于活化能概念的认知；在讲解不可逆反应动力学时，引入食品发酵过程反应动力学的微视频[6]，引导学生用所学知识分析生活问题等，这些小视频的时长一般在3~5min，不占用课堂主体内容的讲解，但能够与每章的主体内容形成照应，补充理论认知，提升课件的灵动性和丰富感。更重要地是，将专业而抽象的信息以直观的短视频、动画等方式呈现，不但为课堂教学带来新的视听学习体验，激发探索兴趣，而且能够拓展了学生猎取知识的渠道，以此引申到开放的网络课程中，强化学习和阅读的深度。

2.3强化工程理念，理论传授案例化

案例设计强化实践，学以致用。在化学反应工程本科教学中，特别强调注重学生解决复杂化学工程问题的能力训练，但实际情况往往是学生在学习完本课程后不知道所学理论知识用在哪里，怎么来用，主要的原因在于缺乏工程实例的应用训练[8]。基于此，根据课程模块各自的特点可采用“理论+案例+讨论”或者“案例+理论+讨论”的方式进行教学设计，即在重要知识点的学习上配套工程案例作为支撑，在课堂教学中要强调工程实践的必要性。在这一环节，工程案例(或反应器案例)的准备与引导是最重要的，也是需要教师花费精力的部分。适宜的工程案例的选择要以知识点讲解为基础，围绕工程实践中的典型化学反应(如合成氨反应)、工业反应器(如气固相催化反应器中的列管式床反应器、绝热式固定床反应器等)、反应过程和反应器的优化等。另一方面，作为补充内容，案例分析时也可以与仿真实训中反应器操作的相关内容进行结合。此外，化工专业每年举办“全国大学生化工设计大赛”的为课程教学提供了良好的案例素材。根据往届化工设计竞赛的具体反应器的设计，引导学生如何利用化学反应工程的知识设计合理的反应器。这些工业案例以设计型问题为引领，讨论化学反应工程基本原理的具体应用，能够加深学生对理论知识在实际工程问题中应用的理解，同时强化工程思维、提高工程设计能力。此外，与课堂教学相辅的课外活动也有效提升了学生的实践能力。如鼓励和指导学生参与“互联网+化学反应工程”课模大赛，学生选择与化学反应工程的理论、反应设计、过程优化等进行介绍，通过进行动态讲解，将所学所想展示在作品中，有效促进了学生对反应工程理论的理解和认知。

2.4挖掘价值内涵，课堂思政同步化

课堂教学是学生学习的主战场，不仅要向学生教授专业知识，更重要的是将正确的、积极的世界观、人生观传递给学生，使学生在汲取知识、提升专业认知的同时，建立本专业的社会使命感及专业的工程伦理观。化学工程学科在发展过程有着丰富的历史、人物、里程碑事件，根据具体的化学反应工程教学内容，选取与知识点相关的历史、人物、事件等穿插进课堂，带领学生解读其中的价值观和人生观，力争以“润物无声”的方式将正确的价值追求、理想信念、家国情怀、科创精神等传递给学生[9]。例如在讲述固体催化剂这一知识点时，结合学生已熟悉的合成氨工业，讲述合成氨催化剂发明背后的故事——诺奖得主弗里兹·哈伯的争议人生，不但会引起学生的课堂兴趣，还可以从工程伦理角度向学生灌输化学工程师的职业伦理责任和社会担当。再比如，中国的化学工业起步虽然较晚，但自建国以来，我国在化工行业也取得了很大进展，如舟山石化打造的全球首台3000吨大型浆态床反应器，在学习反应器类型的时候，展示相关的视频，学生在直接的视觉接触中去感受“大国重器”的魄力，提升民族自豪感。人物传记也是向学生展示学科发展较好的思政元素。作为化工专业学生，应该熟悉我国化学工程领域中的一些重要人物，如闵恩泽院士、李灿院士等，通过讲述他们的故事，学生能够从中了解他们对于我国化学工业的卓越贡献和爱国精神、创新精神，也是对自身进步的激励。

3结论

化学反应工程综合性、工程性要求较高，也是化工专业学生专业课学习过程中较难的一门课程，而课堂教学作为本科教学的主战场，通梳理课程内容、强化工程案例、拓展电子资源、渗透思政元素等方式，其目的是为了激发学生的学习积极性，培养学生解决复杂化学工程问题的综合能力，提升学生的思想修养和人文情怀，最终达成全面育人。课堂教学如何细致开展以及对课堂教学评价反馈结果的持续改进，则值得任课教师反思和总结。

作者:孙寒雪 李红伟 毛丽萍 单位:兰州理工大学 石油化工学院