工程教育认证背景下“化学反应工程”教学改革探索

陈霞，王亚琴，金杰

（安徽建筑大学材料与化学工程学院，安徽 合肥 230022）

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，2016 年6 月，我国正式加入国际上最具影响力的工程教育学位互认协议之一《华盛顿协议》，专业认证工作在我国进一步快速发展。工程教育专业认证坚持“学生中心、产出导向、质量持续改进”的理念，从学生角度出发，以工科专业毕业生需达到的既定质量标准要求为导向，确定十二点毕业出口要求，不仅强调采用各种手段分析、解决问题，还要求创新、沟通、自我学习等软素质。围绕学生毕业能力达成，各个学校均进行课程体系设计、课程教学改进、管理模式转变，以促进教育教学改革持续深化。

“化学反应工程”是化工类专业的核心专业课程，其应用遍及石油化工、煤化工、生物化工、医药等许多领域，是培养学生分析与解决工程问题能力的重要一环。其内容按照反应动力学到反应器设计的顺序，分析和研究了均相、非均相的反应动力学、各类反应器；根据各类反应器的结构和操作特点建立其数学模型（操作方程），实现反应器的优化设计和操作，以提高反应转化率和目标产物选择性的目的。该课程兼有工程“技术”与“科学”的双重特点，理论性与应用性都很强，因此课程内容繁杂，理论艰深，学生学习有一定的难度，学习积极性不高。

教学改革初期，学者多利用现代教育技术、开设双语课程、加强课程教材建设等手段对提高反应工程课程的教学效果进行了探索与实践[1-2]。后来逐步地在专业认证的带动下，围绕以学生为中心、产出导向（OBE 理念）、质量持续改进这三大理念，更多学者从激发学生学习兴趣入手，通过教学理念、教学内容和教学模式的革新以实现反应工程课程教学目标[3-5]。而基于“互联网+”发展而建立起来的一种全新的“线上+线下”混合教学形式，吸引了学者的注意。将优质线上网络资源或平台，如雨课堂、学习通、慕课、微课等引入到面对面的线下课堂教学过程中，形成相辅相成的混合教学模式，可充分应用各种先进网络教学资源，实现各类教学资源之间的合理配置，实现有限课堂教学的延伸，两者优势互补，达到以学生为中心，教师为主导，有利于学生培养自主学习探索、创新意识的精神。那么，在工程教育专业认证背景下，结合“化学反应工程”课程的工程应用特点，进行适用于地方高校的线上+线下混合式反应工程教学研究非常有必要。

1 教学理念的改变

教学理念对教学活动有着极其重要的指导意义，课程教学改革首先要在教师的教学理念上进行改革创新。在工程教育专业认证背景下，各校纷纷启动一流课程建设工作，加大网课、平台等建设，基于此，教育者进行了线上教学、线下教学和混合式教学的不同模式研究，确立起“以学生为中心，以教师为主导”“授之以鱼，不如授之于渔”的观念。在确定反应工程课程目标时，要从学生角度出发，思考“本课程教学要带给学生什么？”不能仅定位在本学科反应动力学和反应器设计知识点的掌握上，而忽略学生整体知识网络的构建及整体素质发展的要求，并且，在有限的教学过程中不能过高地估计本学科的价值，固守书本知识点，按学分来上课。目前社会知识更新换代快，应基于教学本质（培养学生思维能力）来组织教学活动，利用各类平台网课技术进行教学设计，帮助老师提升效率，帮助学生获取自主学习、自我研究和创新、知识过滤的能力，培养其团队沟通能力，即在具体与反应过程课程教授相结合时，考虑到地方院校的学情特点，混合式教学需防止出现“过空”或“过实”的情况，既不能过于寄希望于学生通过平台自主学习及线下团队案例分析讨论，又不能固守原本的单一教师线上线下“满堂灌”的教学方法，以至于偏离设想的教学理念，两者的有机结合需进行不断分析调整。

2 学情分析

2.1 学科特点

“化学反应工程”是一门极具综合理论性和工程实践性的学科，其所需的背景知识主要涉及到“高等数学”“物理化学”“化工原理”“化工热力学”等各种学科。其本身以工业反应过程为主要研究对象，以化学反应器原理为主要线索，研究过程速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响，以达到反应器的开发、设计和放大的目的。在学习过程中，由均相、非均相反应动力学到各类反应器设计计算的理论公式推导较多，计算较难；同时，反应器设计又需贴合工程实际应用，需掌握一定的工程设计、稳态操作等实践基础。

2.2 学生现状

地方型院校学生基础相对一般，虽然学生根据培养方案学过上述基础课程，但各课程知识点的综合运用能力还有待锻炼和提高，同时，学生学习中有一定的主观能动性，但在“化学反应工程”这种较为抽象并且理论性强，需要用到数学思维和工程思维的课程中则存在一定的畏难情绪，不愿积极思考问题，另外，合作学习协同性相对较差，且不具备工程实际经验。

2.3 教师情况

教学团队中大多年轻教师占比大，年轻教师一般具有较高的学历，学习能力较好，吸收新事物较快，但是存在教龄短和教学经验不足等问题，且年轻教师大多教学任务繁重，科研压力大，导致精心备课和教学研究时间欠缺，教学水平提高缓慢。另外，目前中青年教师的学习工作经历大多是从高校到高校，一线实践设计经验不足，则工程设计基础知识储备较少，课堂中关于具体实际工程经验的教学内容不能很好地体现。

2.4 辅助资源设备条件

地方型院校在网络平台、课程建设方面均投入了较大的精力，大多具备超星学习通、雨课堂等网络教学平台，教师可以实现混合式教学、形成性评价、和学生多通道互动。同时，反应工程课程具有中国大学MOOC、国家级一流课程等网络资源，例如国家级精品资源共享课程资源（如华东理工大学“化学反应工程”、大连理工大学“化学反应工程”）等，可以加以利用；而且，在网络上有各种工程设计资源可以参考借鉴。线上线下混合式教学正逐步成为教育新常态，师生接受度较高。

3 线上线下混合式教学的改进

根据地方型院校反应工程课程的学情分析，基于工程教育专业认证背景下以学生为本的教学理念，我们进行了“化学反应工程”课程线上线下混合式教学的研究探索，进行了教学目标、教学内容、教学过程设计、评价方法等改进，推动信息化条件下学生自主学习、探究学习、协作学习等教学方法改革，提高教师教学能力，以培养出基础理论扎实、创新实践能力强的应用型人才。

3.1 教学目标改进，符合毕业要求指标点

围绕学生学完本课程所希望达成的最终结果，对反应工程课程的课程目标进行修改。基于此，修改教学大纲，明确教学目标与专业认证毕业要求指标点之间的支撑关系，能达到哪些素质培养效果，是否具有达成评价的可量化性，由此反向进行之后的教学内容更新、教学方案设计和达成度评价。各课程目标间要具备能力的递进关系，例如反应工程课程主要可支撑工程知识、问题分析和设计/开发解决方案三个毕业要求：毕业要求1工程知识中，指标点1.1“能够正确运用数学、自然科学、工程基础和专业知识表述复杂化工问题”对应课程目标1 培养学生将“物理化学”“化工原理”“化工热力学”等学科知识用于“化学反应工程”的综合能力，分析反应器内流动状态等（知识应用）；之后指标点1.2“能针对一个系统或过程建立合适的数学模型，并利用恰当的边界条件求解”对应课程目标2 能建立不同类型反应器的动力学模型，对单一反应的反应速率、复合反应产物收率和选择性进行计算（建模）。毕业要求2 问题分析中，指标点2.1“能够运用相关科学原理，识别和判断复杂工程问题的关键环节和技术参数”对应课程目标3 分析化工反应过程的关键影响因素，识别和判断三传对反应的影响，如内、外扩散，热稳定性等影响（分析）；指标点2.4“能运用基本原理，借助文献研究，分析化工过程的影响因素，获得有效结论”对应课程目标4 针对工程实际需要，选择适宜的反应器类型、操作条件、加料方式等（分析）。最后，毕业要求3 设计/开发解决方案中，指标点3.2“能够针对特定需求，完成化工单元和设备的设计”对应课程目标5 能够针对反应过程特性和操作条件，进行反应器的设计计算，并进行适当优化（设计）。先描述反应动力学建模，之后分析影响因素，得到有效结论，最后对反应器进行设计和优化，符合知识、能力的逐步提高。

3.2 教学内容更新，提高学生自学有效性

依据课程目标，对教学内容进行仔细斟酌。线下可根据学生情况，选择难易适中的教材；根据每一个知识点的教学设计组织教案和多媒体课件，并转变为录屏或视频等数字化教学材料；注重相关课程的优化衔接，让“化学反应工程”知识系统化、条理化；建立完整的试题、试卷数据库等，将课程的知识目标、能力目标和育人目标进行结合。例如，鉴于目前化工类各课程各自为战、知识碎片化的现状，可在“反应动力学”讲授中和“物理化学”里对应章节联系讲解，“反应器设计”可介绍与“化工原理”所学各设备的异同点。线上平台内容除了包括上述线下内容的电子版外，可对课程中涉及到某一个知识点公式推导，或难于直观理解的知识点，诸如“多釜串联的优化”“返混”等，可将其制作为微课片段；也可制作每节课授课前的引入问题或者预习作业要求的短录屏等，授课前呈现给学生；并准备难度及工作量适合学生的以往科研、竞赛案例，综合应用化工原理、反应工程、工艺学的化工设计等知识，以大作业带提纲形式上传至网络平台；同时可准备对应反应器设计或贴近当时的实时热点问题及其他慕课或一流课程等的视频或网络链接，将最新的科研、教研成果融入课堂教学。

3.3 教学过程设计，增强学生学习兴趣

在有限的教学课时内想完成课程目标，每次课的教学设计至关重要，可从课前、课中和课后进行线上线下混合教学设计。课前通过短视频引入每次课要进行的知识点主要内容，并布置简单的预习作业，让学生在课前通过短视频，以及自己查阅的资料学习这些知识点，教师批改后进行即时反馈，让学生带着问题和思考进课堂；课中则需面对大部分学生的需求，针对不同章节，可分别采用不同的方式，例如讲釜式和管式反应器公式对比可采用传统板书推导，以便学生更深入理解公式推导的来龙去脉，使内容衔接紧密；讲授反应器的内部结构和附件等设计可结合多媒体教学等，使课程内容生动形象，让学生更加清楚地了解设计过程的各影响因素；或者通过大作业形式在课堂上让同学分组进行案例分析，以翻转课堂形式学习不同换热方式固定床反应器的设计。总之线上线下互补融合，从学生角度考虑不同知识点的吸收，消除课容量小、课时限制、学生走马观花等困难；课后则通过平台进行对应习题或单元测试，对所学知识进行实际应用，使学生的课程学习达成度完整。

3.4 完善考核手段，培养学生创新、协作意识

传统课程考核手段相对单一，70%来自最后一次课程考试，不利于学生学习的阶段性考查和持续性发展。采用线上线下相结合的混合式教学，可以改变以往的考核方式，通过课堂练习、作业、单元测验和考试等多种方式综合评价学生对课程知识的掌握情况和能力的提高程度，并将评价结果按比例进行量化统计。按照能力培养的不同方面和课程目标，本课程设计了不同类型的考查途径，例如针对课程目标2，通过作业和单元测试让学生推导建立不同尺度的反应器物料衡算方程等，并进行积分求解来考查；针对目标3～5，除了作业还可通过翻转课堂进行以往设计案例分析考查，使学生掌握反应器选型比较、设计满足要求的反应器系统和选择适宜的加料方式，掌握工业反应器评价指标优化方法。

4 结束语

基于工程教育认证的要求，结合地方院校专业特色和学生学习现状，通过线上线下混合式教学方法，优化教学内容，设计教学过程和改善考核机制，有利于提高课程教学效果，培养学生进行反应器设计和优化等实际问题的工程实践能力、创新思维与系统思维能力。再根据每个课程目标和总达成度分析，给出持续改进的措施。该教学改革取得了良好的教学效果，不过在完善学生反应器设计计算、综合应用能力提高方面还需要进一步探索。