化學反應工程課堂教學方法淺析

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[摘要]化學反應工程是化學工程與工藝專業(yè)的核心專業(yè)課程，傳統課堂教學側重于知識“滿堂灌”，教學方法和教學模式單一，學生學習興趣不足，課堂氣氛沉悶，學習效果與預期相差甚遠。本課程在現有教學體系基礎上，通過重構課程知識框架、豐富課堂教學手段，結合工程案例、單元仿真、設計競賽等環(huán)節(jié)，探討課堂教學新模式，以激發(fā)學生的專業(yè)志趣、培養(yǎng)學生工程實踐能力、提升學生人文素質。

[關鍵詞]化學反應工程；課程設計；課堂教學；工程實踐；案例分析

化學工業(yè)與人們的衣、食、住、行息息相關，是國民經濟的支柱產業(yè)，其生產過程主要涉及三個步驟——原料預處理、化學反應、產品的分離與純化[1]。其中，化學反應是將原料轉變?yōu)榛ぎa品的關鍵，是整個工業(yè)生產過程的核心。研究化學反應如何在工業(yè)上實現的學科稱為化學反應工程，即化學反應工程是一門研究化學反應工程問題的學科，它以工業(yè)反應過程和反應器的設計、開發(fā)、放大及優(yōu)化為目的，是化學工程學科的重要分支。作為大化工專業(yè)(特別是化學工程與工藝專業(yè))的核心基礎課程，化學反應工程是一門以高等數學、物理化學、物理等為先修知識、學科交叉性較強的學科，其概念、原理抽象，往往采用理論推演結合工程實踐的研究方法[2,3]。更重要地是，化學反應工程的研究對象——工業(yè)規(guī)模的化學反應，其影響因素復雜多樣，對于缺乏一線實踐認知的學生群體，難以將反應過程設計、操作優(yōu)化等實際問題的解決與理論知識聯系起來?；谏鲜鎏攸c，在新工科背景下，化學反應工程教學既要滿足專業(yè)知識體系的基本要求，還要強調工程思維訓練，突出對解決復雜工程問題的能力提高，同時提高學生的學習興趣。

1化學反應工程課堂教學現狀分析

在教學活動的三個主要環(huán)節(jié)(課前準備、課堂教學、課后學習)中，課堂教學活動是關鍵。常規(guī)課堂教學過程中，教師多采用多媒體(以PPT為主)結合板書的方式進行授課，整體上側重于知識“滿堂灌”，教學方法和教學模式比較單一，課堂氛圍也較為沉悶，具體表現在以下三個方面。

1.1學生課堂注意力不集中，主體參與性不高?；瘜W反應工程融合了諸多學科知識，同時涉及較多的數學模型和工程問題，綜合性強。這對于數學基礎偏弱、沒有經歷過工廠實操和工程設計的本科學生來講，常常產生望而生畏的感覺，剛開始就容易失去學習的信心。加上學生沒有樹立課前預習、課后復習的學習意識，有時跟不上教師授課節(jié)奏，常常陷入“人在曹營心在漢”的狀態(tài)，覺得聽了和沒聽效果差不多，主動把自己與課堂分隔開。

1.2課堂氛圍不活躍，缺乏有效互動。目前多媒體課件(如PPT課件)作為教師傳授知識的最主要的教學手段，承載了較多的知識點。教師有時為了趕教學進度，表達方式偏向于“內容”驅動的單向輸出。目前面對的授課對象多為90后和00后，他們更偏愛于多元化的個性表達[4]，面對“單向輸出”的教學方式和枯燥的理論知識，學生的積極性不高，也無法對教師拋出的理論知識進行討論和互動。

1.3工程實踐能力培養(yǎng)明顯不足。課堂教學教師一般多關注于數學模型的建立、設計方程的推導，雖然強調工程實踐能力的培養(yǎng)，但往往因為完成教學內容而忽略學生的主觀能力性和參與感。加之本科階段工程實訓的機會有限，理論知識和實踐訓練脫節(jié)，往往使學生認為現在所學的課本對將來的工作用處不大，出現“高分低能”的現象。

2化學反應工程課堂教學改革

為了改善上述情況，提高學生課堂學習熱情和學習效果，本文從以下四個方面對課堂教學方法和模式變化進行初步探討和實踐，整體設計和實施思路如圖1所示。

2.1梳理知識體系，授課內容模塊化

以往教學內容是以知識點為單元進行課堂教學，不利于學生對于課程整體框架的理解和重點內容的把控，并且在學習過程中容易遺忘前面所學知識。根據我校學生的特點(數學基礎偏弱)，參考多個化學反應工程的教材和專業(yè)書籍(以郭鍇主編的《化學反應工程》、陳甘棠主編的《化學反應工程》作為主要教材)，在知識體系的構建上，強調邏輯關系，注重基礎知識，簡化復雜的推導過程(推導過程以拓展資料的形式推送給學生)。結合工程教育認證標準對課程的要求，將課堂教學內容凝練為以下四大模塊(圖2)[5]：理想流動與理想反應器、非理想流動、非均相反應過程、工業(yè)反應器。四個模塊內容為遞進關系，模塊1(理想流動與理想反應器)是本學科的基礎，注重解決“是什么”的問題，側重從化學反應工程的視角闡述化學反應動力學的基本概念和原理，討論均相反應中單一不可逆反應和簡單復合反應的特點、化學反應速率的一般表達和實驗測定方法，重點介紹三類理想反應器的特點(物理模型)和設計過程，為整個化學反應工程的理論學習奠定基礎。模塊2(非理想流動)和模塊3(非均相反應過程)側重解決“為什么”的問題，重點講授混合過程中的停留時間分布和氣固相催化反應過程的本征動力學和宏觀動力學問題。這三個模塊側重的是反應工程的理論分析，而模塊4則側重“怎么樣”的問題，注重工業(yè)反應器的設計、分析與開發(fā)，重點講授固定床反應器和流化床反應器的設計和應用，知識層次逐漸提高，學生的工程意識和能力也由“認識問題”、“分析問題”提高到“解決問題”。課程的整個教學架構為：從最基本的科學原理出發(fā)建立數學模型，然后逐層次加入特性化的反應器類型、反應動力學和非理想流動行為；最后集成上述內容，實現反應器的設計和優(yōu)化。通過內容模塊化，學生能夠自主地進行知識點梳理和重點內容消化，并采用思維導圖、邏輯線路圖等方式整理學習內容。

2.2豐富教學手段，教學方式多樣化

多樣實例契合講解，妙趣橫生。以日常生活中的小實例作為每章內容的開篇和知識點類比，例如在緒論課上，可以食堂大鍋菜與家庭小炒味道不同的案例，從化學工程的角度帶領學生了解食材烹飪的過程中的“三傳一反”原理[6]。在講解復合反應時，可以引入可口可樂生產中連續(xù)化和收率優(yōu)化問題。從而使學生在學習本課程時能有這樣的感受：化學反應工程的知識與我們的生活、生產聯系是緊密的，進而消除對專業(yè)知識產生的枯燥感、畏懼感。這些小案例涉及的知識面廣，內容豐富，且是讀者所熟知的事物，很容易抓住讀者的興趣，讓化學反應工程枯燥的知識內容貼近學生生活，減輕對于抽象理論和復雜工程問題的畏懼感，改善學生聽課的精神狀態(tài)。數字資源豐富主題，相得益彰?！盎ヂ摼W+”背景下，網絡課程、數字課程已成為全新的教學思路和輔助資源[7]。在課堂教學中，配備微課視頻，穿插在每章內容的講解過程中，例如在講解可逆反應時，在小視頻中顯示“活化能”的動畫，加深學生對于活化能概念的認知；在講解不可逆反應動力學時，引入食品發(fā)酵過程反應動力學的微視頻[6]，引導學生用所學知識分析生活問題等，這些小視頻的時長一般在3~5min，不占用課堂主體內容的講解，但能夠與每章的主體內容形成照應，補充理論認知，提升課件的靈動性和豐富感。更重要地是，將專業(yè)而抽象的信息以直觀的短視頻、動畫等方式呈現，不但為課堂教學帶來新的視聽學習體驗，激發(fā)探索興趣，而且能夠拓展了學生獵取知識的渠道，以此引申到開放的網絡課程中，強化學習和閱讀的深度。

2.3強化工程理念，理論傳授案例化

案例設計強化實踐，學以致用。在化學反應工程本科教學中，特別強調注重學生解決復雜化學工程問題的能力訓練，但實際情況往往是學生在學習完本課程后不知道所學理論知識用在哪里，怎么來用，主要的原因在于缺乏工程實例的應用訓練[8]。基于此，根據課程模塊各自的特點可采用“理論+案例+討論”或者“案例+理論+討論”的方式進行教學設計，即在重要知識點的學習上配套工程案例作為支撐，在課堂教學中要強調工程實踐的必要性。在這一環(huán)節(jié)，工程案例(或反應器案例)的準備與引導是最重要的，也是需要教師花費精力的部分。適宜的工程案例的選擇要以知識點講解為基礎，圍繞工程實踐中的典型化學反應(如合成氨反應)、工業(yè)反應器(如氣固相催化反應器中的列管式床反應器、絕熱式固定床反應器等)、反應過程和反應器的優(yōu)化等。另一方面，作為補充內容，案例分析時也可以與仿真實訓中反應器操作的相關內容進行結合。此外，化工專業(yè)每年舉辦“全國大學生化工設計大賽”的為課程教學提供了良好的案例素材。根據往屆化工設計競賽的具體反應器的設計，引導學生如何利用化學反應工程的知識設計合理的反應器。這些工業(yè)案例以設計型問題為引領，討論化學反應工程基本原理的具體應用，能夠加深學生對理論知識在實際工程問題中應用的理解，同時強化工程思維、提高工程設計能力。此外，與課堂教學相輔的課外活動也有效提升了學生的實踐能力。如鼓勵和指導學生參與“互聯網+化學反應工程”課模大賽，學生選擇與化學反應工程的理論、反應設計、過程優(yōu)化等進行介紹，通過進行動態(tài)講解，將所學所想展示在作品中，有效促進了學生對反應工程理論的理解和認知。

2.4挖掘價值內涵，課堂思政同步化

課堂教學是學生學習的主戰(zhàn)場，不僅要向學生教授專業(yè)知識，更重要的是將正確的、積極的世界觀、人生觀傳遞給學生，使學生在汲取知識、提升專業(yè)認知的同時，建立本專業(yè)的社會使命感及專業(yè)的工程倫理觀。化學工程學科在發(fā)展過程有著豐富的歷史、人物、里程碑事件，根據具體的化學反應工程教學內容，選取與知識點相關的歷史、人物、事件等穿插進課堂，帶領學生解讀其中的價值觀和人生觀，力爭以“潤物無聲”的方式將正確的價值追求、理想信念、家國情懷、科創(chuàng)精神等傳遞給學生[9]。例如在講述固體催化劑這一知識點時，結合學生已熟悉的合成氨工業(yè)，講述合成氨催化劑發(fā)明背后的故事——諾獎得主弗里茲·哈伯的爭議人生，不但會引起學生的課堂興趣，還可以從工程倫理角度向學生灌輸化學工程師的職業(yè)倫理責任和社會擔當。再比如，中國的化學工業(yè)起步雖然較晚，但自建國以來，我國在化工行業(yè)也取得了很大進展，如舟山石化打造的全球首臺3000噸大型漿態(tài)床反應器，在學習反應器類型的時候，展示相關的視頻，學生在直接的視覺接觸中去感受“大國重器”的魄力，提升民族自豪感。人物傳記也是向學生展示學科發(fā)展較好的思政元素。作為化工專業(yè)學生，應該熟悉我國化學工程領域中的一些重要人物，如閔恩澤院士、李燦院士等，通過講述他們的故事，學生能夠從中了解他們對于我國化學工業(yè)的卓越貢獻和愛國精神、創(chuàng)新精神，也是對自身進步的激勵。

3結論

化學反應工程綜合性、工程性要求較高，也是化工專業(yè)學生專業(yè)課學習過程中較難的一門課程，而課堂教學作為本科教學的主戰(zhàn)場，通梳理課程內容、強化工程案例、拓展電子資源、滲透思政元素等方式，其目的是為了激發(fā)學生的學習積極性，培養(yǎng)學生解決復雜化學工程問題的綜合能力，提升學生的思想修養(yǎng)和人文情懷，最終達成全面育人。課堂教學如何細致開展以及對課堂教學評價反饋結果的持續(xù)改進，則值得任課教師反思和總結。

作者:孫寒雪 李紅偉 毛麗萍 單位:蘭州理工大學 石油化工學院