化学反应工程教学改革在学科竞赛中的应用探索

（上海工程技术大学化学化工学院 上海 201620）

引言

为了应对新一轮的科技、产业革命，教育部自2017年以来发布了“新工科”研究与实践的一系列文件，旨在形成具有领跑全球、助推高等教育强国的工程教育模式。新工科人才培养模式，已成为教学改革中十分醒目的关键词，例如人工智能、区块链、云计算和一些传统工科专业的改造等，这些都离不开数字化系统和多重计算机辅助软件，这对工程类学科教学提出了新需求，进而推动工程教育领域的改革[1]。高校如何培养具备更高创新创业能力和跨界整合能力的新型化工类工程技术人才，是新时代教育学生的一大难题。将学科竞赛与课程教学相结合无疑不是一种创新式的教学模式，符合新工科教学模式的要求。对于传统的化工类工科专业来说，“新工科”可以指代在原生专业基础上进行升级改造和变革，只要对其教学理念和教学内容进行变革，就可使得化工专业在新工科的背景下与时俱进、创新发展[2]。总而言之，与传统工科相比，新工科更强调学科的实用性、交叉性和综合性，较为注重电子控制、信息通讯、软件设计等新兴技术与传统工业技术的紧密结合。化学反应工程课程主要以化工实际生产为对象，以低能耗、低物耗、高产率为目标，着重研究化学反应器的设计与分析，以实际工业生产中的化工过程操作为拓展，是化工类专业的重要核心课程。当前，新工科背景下化学反应工程课程的教学研究与改革，可以充分利用现有的教学体系，以“老瓶装新酒”的方式在这个化工旧瓶子里慢慢添加进去一些新东西，久而久之，就会呈现出新的教学风气。因此，为了将新工科背景下的数字化和软件等高新技术与化学反应工程的课堂教学相互融合[3]，我们以化工学科类竞赛为实践途径，结合课程教学内容，达到推进教学改革、提高学生工程实践能力的目的。

1.化学反应工程课程教学内容改革

化学反应工程中的理论知识是化学工业生产过程的关键，主要侧重反应动力学和反应器设计与分析两个方面，目的是使学生掌握研究工业规模化学反应器中化学反应过程动力学（称宏观动力学）的方法和基本原理，掌握理想反应器的设计和分析，进一步以宏观动力学和理想反应器为基础，对工业反应装置的结构设计、最优操作条件的确定及控制、模拟放大等进行研究，在学习过程中培养学生构思反应过程工艺和动手操作能力。本课程以化工热力学、反应动力学、化工单元操作等课程作为基础，最终得以发展，也就是化工中常说的“三传一反”中的反应，是化学工业过程的心脏。在最近半个世纪，学者们通过大量的研究工作，从均相到非均相、从定态到非定态、从反应动力学到反应器等，都有着从实验研究到通过计算机模拟的转变，如今化学反应工程学科体系的形成，与数字化软件有着密切的联系[4-5]。传统的化学反应工程课堂教学中，大多数学生对该课程的印象都是内容模块较多，概念复杂抽象，计算繁琐，同时难以掌握其核心内容。对于刚接触专业知识的化工类学生来说，其专业背景不足，很难把所学到的理论知识与实际工业的反应流程相结合。在传统的教学方法中，以课堂讲解为主要教学方式、传授课本上的理论知识为主要教学内容，这难免会使学生无法理解，或者只是了解皮毛，当遇到反应过程工艺设计、化工工业操作等实际问题时还是无从下手[6-7]。因此，要想顺利的解决这些难题，激发学生的学习兴趣，避免教学中的枯燥，让学生能够熟悉课程原理和反应器设计，应将教学方式从“授之以鱼”转变为“授之以渔”，将教学重点从传授理论知识转变为理论与实践相结合，在授课过程中结合化工生产与发展实际，与课本知识相联系，适当引入新技术内容，如“微反应器”“膜反应器”“反应蒸馏”“反应器中的湍流现象”“纳米尺度反应过程的工程问题”等[8]，使学生在学习专业知识的同时了解学科的前沿理论与化学反应器的新进展，从而能够更好的从工程分析的角度讨论其重要工程概念，培养学生自我学习的能力[9]。

2.化学反应工程课程教学方法与手段改革

目前在众多高校中，化学反应工程的课堂授课方法较简单，授课教师可能缺乏化工实际生产经验，照着书本传授课程基本内容，对实际化工过程出现的问题不能够进行关联，课程内容相对枯燥，学生不能够直观地进行理解而导致课程教学效果一般。理论和实际的脱节使得学生的学习效率并不是很高，导致学生工程意识和创新能力不能够得到质的提升。在此情况下，应该采取“方法论”的方式，结合教师的经验累积，在授课过程中引入科研和化工生产案例，并对其工作原理和实际运转过程中遇到的问题进行分析，并应用理论知识提出解决方案，不仅加深了学生对理论知识的理解，而且有利于培养学生应用所学知识的能力。还可以通过模拟化工过程的方式辅助教学[10]以及引入化工类学科竞赛元素等方法和手段，这样不但能充分调动学生学习的兴趣提高学习的主动性，更重要的是使学生熟悉课程理论在实际中的应用，促进学生运用课程知识开展实践，形成良好的“教”“学”互动循环，完善课程教学设计、教学改革、教学评价和反馈的持续改进机制。

(1)加强科研和化工生产案例分析在课程中的运用

化学反应工程课程教学团队教师的研究主要侧重在化工工艺、工业催化、化工设备等方向，教师们均具备化工企业工作的经验。因此，在课程教学过程中，可以将较枯燥的反应工程基本原理与科研内容进行结合，例如，在讲授独立反应数时候，可以结合课题组研究的乙醇水蒸气重整反应，根据给定的反应物和多种产物分布，让学生来确定其独立反应式。另一方面，利用教师的工程背景，在讲授化工反应过程、化学反应器内容时，可以进行拓宽，直接引入化工生产案例[11]。例如在讲授气固相反应过程和反应器内容时，可以举例硫酸生产的二氧化硫氧化工段，其反应工艺参数的设定与课程中的最优温度实施和控制密切关联。科研案例和化工生产案例运用到课程教学中，引导学生将课程理论知识应用于实践中，加强了学生查阅文献、分析和解决问题的能力，因而必将提高课程的教学效果，达到良好的“教”“学”互动。

(2)引入化工过程模拟手段，辅助课程教学

化学反应工程课程强调化学热力学和动力学以及化工过程反应器的设计和操作稳定性，课程内容传授的基本原理，但无法让学生有直观的认识。利用化工过程模拟软件是实现理论和化工实际过程的重要手段[12]，能够获得在特定条件下的热力学数据、动力学模拟、化学反应器结构以及化工操作流程，尤其是考虑到“三传”影响下接近于化工真实场景的模拟过程，能有效降低复杂的推导和计算过程，使反应器设计和反应过程更具体，避免理论知识传授的抽象化，有利于加深学生对课程内容的理解和掌握，有效提升课程教学效果。此外，当今各行业越来越重视信息化和计算机技术，作为传统制造业的化工更应进行升级改造，因而在课程教学中突出化工过程模拟手段的重要性显得尤为重要，是专业学生参与化工设计竞赛、化工实验竞赛、“互联网+”创新创业学科类竞赛的必备技能，也是新一轮科学技术革命形势下化工类专业学生对自身更高的专业素养要求。

(3)引入学科类竞赛元素，推进课程实践应用

在授课过程中引入大学生化工设计、“挑战杯”“互联网+”创新创业、大学生化工实验等系列化工类学科竞赛，这些竞赛都能用到如化学反应原理、化学反应器设计与分析等课程相关内容，可以利用化工过程模拟手段来动态讲解和展示，能够很好地调动学生学习相关软件的兴趣，在很大程度上可以帮助学生理解课堂上学习到的理论。在化学反应工程教学中采用“以赛促教、以赛促学、教赛融合”的方法，从学科竞赛中结合课堂所学，利用计算机软件、计算机模拟等手段，推进课程实践应用。

3.化学反应工程课程在化工设计竞赛中的实践

我们在化学反应工程教学中，除了采用了课堂教学与专业实验教学、工程实习相结合等方式外，也将学科竞赛引入课堂，通过对学生进行全面的创新能力训练，完善了学生的课程知识体系。近三年来，本专业学生荣获“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛全国一等奖、大学生化工设计竞赛全国一等奖、互联网+大学生创新创业大赛等各类学科类竞赛省部级以上奖项近40项，专业课程在学科类竞赛中有重要的理论支持作用。

全国大学生化工设计大赛可以培养学生的创新思维和工程技能，培养团队协作精神，增强大学生的工程设计与实践能力，化学反应工程这门课程在设计过程中起着十分关键的作用。通过竞赛学生需要用到Aspen Plus、Matlab、Auto CAD等软件[13-14]。对一个反应流程，在学生查阅文献对流程进行利用Aspen Plus设计和搭建模型之后，反应器的设计变成了重点，对于反应器设计，我们关注的是选择的反应器是否更合适，是否有创新点。在设计的过程中，对于反应器的类型、催化剂的类型、不同的流型以及反应器的内部参数等，都需要进行严格的控制。整个比赛中，学生需要将反应工程中的原理和性质运用于反应器的设计过程中。将平时的计算转变为了软件模块的选择。使得学生对反应器的认知更加形象化，有助于学生对反应过程的理解并激发学生对该课程的学习兴趣。

以第十四届化工设计大赛“为某大型化工企业设计一座分厂，以碳五烷烃为原料制备非燃料用途的化工产品”为例，在教学的过程中，其中的一个方案可以选择将正戊烷通过异构化反应生成异戊烷，再生产发泡剂。在利用Aspen Plus软件对流程模拟的过程中，异构化反应使用的是列管式固定床反应器，学生在实际搭建模型时，在优化之前，反应器的恒定温度和压力较高，模拟的配置中的管数，每根管子的长度以及管直径不是很合理。在这种情况下经过校核后发现，经过反应器异戊烷的产物只有42%。解决这些问题，需考虑到以反应器为主体，精馏塔、换热器等化工单元模块和参数设置、工艺流程设计等问题。学生们在化学反应工程，化工原理等学科中将涉及到的知识进行查找，对以上参数进行了调整。在优化之后反应器异戊烷异物的产率提高了很多，改善效果显著。通过学科竞赛，将化工热点问题与课堂教学相联系，同时让学生将各个学科的知识联系在了一起，让更多的计算机知识融入反应工程的课堂教学。

在化工设计竞赛指导过程中，切实把化学反应工程的课程思政内容贯穿其中，强调新时代化工类学生应有的价值观、社会责任感和职业道德。例如，在流程方案的选择时，注重学术道德规范，尊重别人的成果，不能涉嫌抄袭和剽窃；在化学反应器设计与选型时，需要考虑法律法规、生命健康和安全环保等因素；在核算经济成本和效益时，秉承诚实正直的品质，确保获取数据的来源真实且可靠。因此，在课程教学中融合设计竞赛内容，把看似和本课程毫无关联的社会主义核心价值观融入到课程中，实现了知识传授与价值引领的有机统一，从而使学生增强化工专业的学习兴趣，立足课程，培养踏实严谨、追求卓越、心系社会的优秀品质，成为新时代有担当的高级工程技术人才。

4.结语

化学反应工程是一门重要的工程学科，学生在学习的过程中需要掌握各类反应器的工作原理以及一些相关的理论知识，同时也需要学会应用所学解决实际工业工程问题，培养自己动手操作的能力和独立解决问题的能力。在化学反应工程课程改革中引入化工设计大赛等竞赛新元素是一种新兴的教学方式，不仅能够使教学活动理论联系实际，而且对培养学生的工程实践能力和创新能力有较大帮助。在教学过程中积极发挥学科竞赛的作用，对于提高化学反应工程的教学效果可以起到事半功倍的作用。将学科竞赛引入传统教学，一方面可以提高教师自身业务水平和道德修养，另一方面还提高了教学策略的运用水平。通过二者的结合，对教师本身的知识储备也有不断审视的作用。工程改变世界，行动创造未来。在新工科的背景下，传统的教育方式已不能满足新时代的需要。随着工程实践能力、创新能力、总体竞争力的提高，我们更应该注重学科交叉，更加注重学科竞赛与教学相融合，更加注重计算机软件在课堂中的作用，更加注重以学生为中心，强化实践创新创业能力培养，使教学过程不再是简单的传授理论知识，而是训练学生的思维方式、分析能力以及实践能力，让学生不仅有能力把所学的知识应用于解决现有的实际生活问题，还有能力学习新知识、新技术去解决未来发展过程中遇到的问题。新时代背景下，高校培养人才应该注重学生综合能力和自主学习能力的提升，为了与时俱进，应该加快新教学体系的全面改革，将课堂内容与相关竞赛或实际案例相结合，注重培养学生的职业道德和职业素养，全面发展学生。