化學(xué)反應(yīng)工程課堂教學(xué)方法淺析

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[摘要]化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心專業(yè)課程，傳統(tǒng)課堂教學(xué)側(cè)重于知識(shí)“滿堂灌”，教學(xué)方法和教學(xué)模式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足，課堂氣氛沉悶，學(xué)習(xí)效果與預(yù)期相差甚遠(yuǎn)。本課程在現(xiàn)有教學(xué)體系基礎(chǔ)上，通過重構(gòu)課程知識(shí)框架、豐富課堂教學(xué)手段，結(jié)合工程案例、單元仿真、設(shè)計(jì)競賽等環(huán)節(jié)，探討課堂教學(xué)新模式，以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)志趣、培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、提升學(xué)生人文素質(zhì)。

[關(guān)鍵詞]化學(xué)反應(yīng)工程；課程設(shè)計(jì)；課堂教學(xué)；工程實(shí)踐；案例分析

化學(xué)工業(yè)與人們的衣、食、住、行息息相關(guān)，是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)過程主要涉及三個(gè)步驟——原料預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)品的分離與純化[1]。其中，化學(xué)反應(yīng)是將原料轉(zhuǎn)變?yōu)榛ぎa(chǎn)品的關(guān)鍵，是整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程的核心。研究化學(xué)反應(yīng)如何在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)的學(xué)科稱為化學(xué)反應(yīng)工程，即化學(xué)反應(yīng)工程是一門研究化學(xué)反應(yīng)工程問題的學(xué)科，它以工業(yè)反應(yīng)過程和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、開發(fā)、放大及優(yōu)化為目的，是化學(xué)工程學(xué)科的重要分支。作為大化工專業(yè)(特別是化學(xué)工程與工藝專業(yè))的核心基礎(chǔ)課程，化學(xué)反應(yīng)工程是一門以高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、物理等為先修知識(shí)、學(xué)科交叉性較強(qiáng)的學(xué)科，其概念、原理抽象，往往采用理論推演結(jié)合工程實(shí)踐的研究方法[2,3]。更重要地是，化學(xué)反應(yīng)工程的研究對(duì)象——工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)，其影響因素復(fù)雜多樣，對(duì)于缺乏一線實(shí)踐認(rèn)知的學(xué)生群體，難以將反應(yīng)過程設(shè)計(jì)、操作優(yōu)化等實(shí)際問題的解決與理論知識(shí)聯(lián)系起來。基于上述特點(diǎn)，在新工科背景下，化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)既要滿足專業(yè)知識(shí)體系的基本要求，還要強(qiáng)調(diào)工程思維訓(xùn)練，突出對(duì)解決復(fù)雜工程問題的能力提高，同時(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1化學(xué)反應(yīng)工程課堂教學(xué)現(xiàn)狀分析

在教學(xué)活動(dòng)的三個(gè)主要環(huán)節(jié)(課前準(zhǔn)備、課堂教學(xué)、課后學(xué)習(xí))中，課堂教學(xué)活動(dòng)是關(guān)鍵。常規(guī)課堂教學(xué)過程中，教師多采用多媒體(以PPT為主)結(jié)合板書的方式進(jìn)行授課，整體上側(cè)重于知識(shí)“滿堂灌”，教學(xué)方法和教學(xué)模式比較單一，課堂氛圍也較為沉悶，具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

1.1學(xué)生課堂注意力不集中，主體參與性不高。化學(xué)反應(yīng)工程融合了諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)涉及較多的數(shù)學(xué)模型和工程問題，綜合性強(qiáng)。這對(duì)于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)偏弱、沒有經(jīng)歷過工廠實(shí)操和工程設(shè)計(jì)的本科學(xué)生來講，常常產(chǎn)生望而生畏的感覺，剛開始就容易失去學(xué)習(xí)的信心。加上學(xué)生沒有樹立課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的學(xué)習(xí)意識(shí)，有時(shí)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(dòng)把自己與課堂分隔開。

1.2課堂氛圍不活躍，缺乏有效互動(dòng)。目前多媒體課件(如PPT課件)作為教師傳授知識(shí)的最主要的教學(xué)手段，承載了較多的知識(shí)點(diǎn)。教師有時(shí)為了趕教學(xué)進(jìn)度，表達(dá)方式偏向于“內(nèi)容”驅(qū)動(dòng)的單向輸出。目前面對(duì)的授課對(duì)象多為90后和00后，他們更偏愛于多元化的個(gè)性表達(dá)[4]，面對(duì)“單向輸出”的教學(xué)方式和枯燥的理論知識(shí)，學(xué)生的積極性不高，也無法對(duì)教師拋出的理論知識(shí)進(jìn)行討論和互動(dòng)。

1.3工程實(shí)踐能力培養(yǎng)明顯不足。課堂教學(xué)教師一般多關(guān)注于數(shù)學(xué)模型的建立、設(shè)計(jì)方程的推導(dǎo)，雖然強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，但往往因?yàn)橥瓿山虒W(xué)內(nèi)容而忽略學(xué)生的主觀能力性和參與感。加之本科階段工程實(shí)訓(xùn)的機(jī)會(huì)有限，理論知識(shí)和實(shí)踐訓(xùn)練脫節(jié)，往往使學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)在所學(xué)的課本對(duì)將來的工作用處不大，出現(xiàn)“高分低能”的現(xiàn)象。

2化學(xué)反應(yīng)工程課堂教學(xué)改革

為了改善上述情況，提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效果，本文從以下四個(gè)方面對(duì)課堂教學(xué)方法和模式變化進(jìn)行初步探討和實(shí)踐，整體設(shè)計(jì)和實(shí)施思路如圖1所示。

2.1梳理知識(shí)體系，授課內(nèi)容模塊化

以往教學(xué)內(nèi)容是以知識(shí)點(diǎn)為單元進(jìn)行課堂教學(xué)，不利于學(xué)生對(duì)于課程整體框架的理解和重點(diǎn)內(nèi)容的把控，并且在學(xué)習(xí)過程中容易遺忘前面所學(xué)知識(shí)。根據(jù)我校學(xué)生的特點(diǎn)(數(shù)學(xué)基礎(chǔ)偏弱)，參考多個(gè)化學(xué)反應(yīng)工程的教材和專業(yè)書籍(以郭鍇主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》、陳甘棠主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》作為主要教材)，在知識(shí)體系的構(gòu)建上，強(qiáng)調(diào)邏輯關(guān)系，注重基礎(chǔ)知識(shí)，簡化復(fù)雜的推導(dǎo)過程(推導(dǎo)過程以拓展資料的形式推送給學(xué)生)。結(jié)合工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)課程的要求，將課堂教學(xué)內(nèi)容凝練為以下四大模塊(圖2)[5]：理想流動(dòng)與理想反應(yīng)器、非理想流動(dòng)、非均相反應(yīng)過程、工業(yè)反應(yīng)器。四個(gè)模塊內(nèi)容為遞進(jìn)關(guān)系，模塊1(理想流動(dòng)與理想反應(yīng)器)是本學(xué)科的基礎(chǔ)，注重解決“是什么”的問題，側(cè)重從化學(xué)反應(yīng)工程的視角闡述化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基本概念和原理，討論均相反應(yīng)中單一不可逆反應(yīng)和簡單復(fù)合反應(yīng)的特點(diǎn)、化學(xué)反應(yīng)速率的一般表達(dá)和實(shí)驗(yàn)測定方法，重點(diǎn)介紹三類理想反應(yīng)器的特點(diǎn)(物理模型)和設(shè)計(jì)過程，為整個(gè)化學(xué)反應(yīng)工程的理論學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。模塊2(非理想流動(dòng))和模塊3(非均相反應(yīng)過程)側(cè)重解決“為什么”的問題，重點(diǎn)講授混合過程中的停留時(shí)間分布和氣固相催化反應(yīng)過程的本征動(dòng)力學(xué)和宏觀動(dòng)力學(xué)問題。這三個(gè)模塊側(cè)重的是反應(yīng)工程的理論分析，而模塊4則側(cè)重“怎么樣”的問題，注重工業(yè)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、分析與開發(fā)，重點(diǎn)講授固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，知識(shí)層次逐漸提高，學(xué)生的工程意識(shí)和能力也由“認(rèn)識(shí)問題”、“分析問題”提高到“解決問題”。課程的整個(gè)教學(xué)架構(gòu)為：從最基本的科學(xué)原理出發(fā)建立數(shù)學(xué)模型，然后逐層次加入特性化的反應(yīng)器類型、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和非理想流動(dòng)行為；最后集成上述內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過內(nèi)容模塊化，學(xué)生能夠自主地進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)梳理和重點(diǎn)內(nèi)容消化，并采用思維導(dǎo)圖、邏輯線路圖等方式整理學(xué)習(xí)內(nèi)容。

2.2豐富教學(xué)手段，教學(xué)方式多樣化

多樣實(shí)例契合講解，妙趣橫生。以日常生活中的小實(shí)例作為每章內(nèi)容的開篇和知識(shí)點(diǎn)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(xué)工程的角度帶領(lǐng)學(xué)生了解食材烹飪的過程中的“三傳一反”原理[6]。在講解復(fù)合反應(yīng)時(shí)，可以引入可口可樂生產(chǎn)中連續(xù)化和收率優(yōu)化問題。從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)能有這樣的感受：化學(xué)反應(yīng)工程的知識(shí)與我們的生活、生產(chǎn)聯(lián)系是緊密的，進(jìn)而消除對(duì)專業(yè)知識(shí)產(chǎn)生的枯燥感、畏懼感。這些小案例涉及的知識(shí)面廣，內(nèi)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(xué)反應(yīng)工程枯燥的知識(shí)內(nèi)容貼近學(xué)生生活，減輕對(duì)于抽象理論和復(fù)雜工程問題的畏懼感，改善學(xué)生聽課的精神狀態(tài)。數(shù)字資源豐富主題，相得益彰。“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，網(wǎng)絡(luò)課程、數(shù)字課程已成為全新的教學(xué)思路和輔助資源[7]。在課堂教學(xué)中，配備微課視頻，穿插在每章內(nèi)容的講解過程中，例如在講解可逆反應(yīng)時(shí)，在小視頻中顯示“活化能”的動(dòng)畫，加深學(xué)生對(duì)于活化能概念的認(rèn)知；在講解不可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)時(shí)，引入食品發(fā)酵過程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的微視頻[6]，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識(shí)分析生活問題等，這些小視頻的時(shí)長一般在3~5min，不占用課堂主體內(nèi)容的講解，但能夠與每章的主體內(nèi)容形成照應(yīng)，補(bǔ)充理論認(rèn)知，提升課件的靈動(dòng)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(dòng)畫等方式呈現(xiàn)，不但為課堂教學(xué)帶來新的視聽學(xué)習(xí)體驗(yàn)，激發(fā)探索興趣，而且能夠拓展了學(xué)生獵取知識(shí)的渠道，以此引申到開放的網(wǎng)絡(luò)課程中，強(qiáng)化學(xué)習(xí)和閱讀的深度。

2.3強(qiáng)化工程理念，理論傳授案例化

案例設(shè)計(jì)強(qiáng)化實(shí)踐，學(xué)以致用。在化學(xué)反應(yīng)工程本科教學(xué)中，特別強(qiáng)調(diào)注重學(xué)生解決復(fù)雜化學(xué)工程問題的能力訓(xùn)練，但實(shí)際情況往往是學(xué)生在學(xué)習(xí)完本課程后不知道所學(xué)理論知識(shí)用在哪里，怎么來用，主要的原因在于缺乏工程實(shí)例的應(yīng)用訓(xùn)練[8]?；诖?，根據(jù)課程模塊各自的特點(diǎn)可采用“理論+案例+討論”或者“案例+理論+討論”的方式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，即在重要知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)上配套工程案例作為支撐，在課堂教學(xué)中要強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐的必要性。在這一環(huán)節(jié)，工程案例(或反應(yīng)器案例)的準(zhǔn)備與引導(dǎo)是最重要的，也是需要教師花費(fèi)精力的部分。適宜的工程案例的選擇要以知識(shí)點(diǎn)講解為基礎(chǔ)，圍繞工程實(shí)踐中的典型化學(xué)反應(yīng)(如合成氨反應(yīng))、工業(yè)反應(yīng)器(如氣固相催化反應(yīng)器中的列管式床反應(yīng)器、絕熱式固定床反應(yīng)器等)、反應(yīng)過程和反應(yīng)器的優(yōu)化等。另一方面，作為補(bǔ)充內(nèi)容，案例分析時(shí)也可以與仿真實(shí)訓(xùn)中反應(yīng)器操作的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合。此外，化工專業(yè)每年舉辦“全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽”的為課程教學(xué)提供了良好的案例素材。根據(jù)往屆化工設(shè)計(jì)競賽的具體反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生如何利用化學(xué)反應(yīng)工程的知識(shí)設(shè)計(jì)合理的反應(yīng)器。這些工業(yè)案例以設(shè)計(jì)型問題為引領(lǐng)，討論化學(xué)反應(yīng)工程基本原理的具體應(yīng)用，能夠加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)在實(shí)際工程問題中應(yīng)用的理解，同時(shí)強(qiáng)化工程思維、提高工程設(shè)計(jì)能力。此外，與課堂教學(xué)相輔的課外活動(dòng)也有效提升了學(xué)生的實(shí)踐能力。如鼓勵(lì)和指導(dǎo)學(xué)生參與“互聯(lián)網(wǎng)+化學(xué)反應(yīng)工程”課模大賽，學(xué)生選擇與化學(xué)反應(yīng)工程的理論、反應(yīng)設(shè)計(jì)、過程優(yōu)化等進(jìn)行介紹，通過進(jìn)行動(dòng)態(tài)講解，將所學(xué)所想展示在作品中，有效促進(jìn)了學(xué)生對(duì)反應(yīng)工程理論的理解和認(rèn)知。

2.4挖掘價(jià)值內(nèi)涵，課堂思政同步化

課堂教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)的主戰(zhàn)場，不僅要向?qū)W生教授專業(yè)知識(shí)，更重要的是將正確的、積極的世界觀、人生觀傳遞給學(xué)生，使學(xué)生在汲取知識(shí)、提升專業(yè)認(rèn)知的同時(shí)，建立本專業(yè)的社會(huì)使命感及專業(yè)的工程倫理觀。化學(xué)工程學(xué)科在發(fā)展過程有著豐富的歷史、人物、里程碑事件，根據(jù)具體的化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)內(nèi)容，選取與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的歷史、人物、事件等穿插進(jìn)課堂，帶領(lǐng)學(xué)生解讀其中的價(jià)值觀和人生觀，力爭以“潤物無聲”的方式將正確的價(jià)值追求、理想信念、家國情懷、科創(chuàng)精神等傳遞給學(xué)生[9]。例如在講述固體催化劑這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，結(jié)合學(xué)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(jiǎng)得主弗里茲·哈伯的爭議人生，不但會(huì)引起學(xué)生的課堂興趣，還可以從工程倫理角度向?qū)W生灌輸化學(xué)工程師的職業(yè)倫理責(zé)任和社會(huì)擔(dān)當(dāng)。再比如，中國的化學(xué)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(jìn)展，如舟山石化打造的全球首臺(tái)3000噸大型漿態(tài)床反應(yīng)器，在學(xué)習(xí)反應(yīng)器類型的時(shí)候，展示相關(guān)的視頻，學(xué)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?qū)W生展示學(xué)科發(fā)展較好的思政元素。作為化工專業(yè)學(xué)生，應(yīng)該熟悉我國化學(xué)工程領(lǐng)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(xué)生能夠從中了解他們對(duì)于我國化學(xué)工業(yè)的卓越貢獻(xiàn)和愛國精神、創(chuàng)新精神，也是對(duì)自身進(jìn)步的激勵(lì)。

3結(jié)論

化學(xué)反應(yīng)工程綜合性、工程性要求較高，也是化工專業(yè)學(xué)生專業(yè)課學(xué)習(xí)過程中較難的一門課程，而課堂教學(xué)作為本科教學(xué)的主戰(zhàn)場，通梳理課程內(nèi)容、強(qiáng)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(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜化學(xué)工程問題的綜合能力，提升學(xué)生的思想修養(yǎng)和人文情懷，最終達(dá)成全面育人。課堂教學(xué)如何細(xì)致開展以及對(duì)課堂教學(xué)評(píng)價(jià)反饋結(jié)果的持續(xù)改進(jìn)，則值得任課教師反思和總結(jié)。

作者:孫寒雪 李紅偉 毛麗萍 單位:蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院