化學反應(yīng)工程課堂教學方法淺析
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[摘要]化學反應(yīng)工程是化學工程與工藝專業(yè)的核心專業(yè)課程，傳統(tǒng)課堂教學側(cè)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(yù)期相差甚遠。本課程在現(xiàn)有教學體系基礎(chǔ)上，通過重構(gòu)課程知識框架、豐富課堂教學手段，結(jié)合工程案例、單元仿真、設(shè)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(zhì)。
[關(guān)鍵詞]化學反應(yīng)工程；課程設(shè)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(guān)，是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)過程主要涉及三個步驟——原料預(yù)處理、化學反應(yīng)、產(chǎn)品的分離與純化[1]。其中，化學反應(yīng)是將原料轉(zhuǎn)變?yōu)榛ぎa(chǎn)品的關(guān)鍵，是整個工業(yè)生產(chǎn)過程的核心。研究化學反應(yīng)如何在工業(yè)上實現(xiàn)的學科稱為化學反應(yīng)工程，即化學反應(yīng)工程是一門研究化學反應(yīng)工程問題的學科，它以工業(yè)反應(yīng)過程和反應(yīng)器的設(shè)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(chǔ)課程，化學反應(yīng)工程是一門以高等數(shù)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(jié)合工程實踐的研究方法[2,3]。更重要地是，化學反應(yīng)工程的研究對象——工業(yè)規(guī)模的化學反應(yīng)，其影響因素復(fù)雜多樣，對于缺乏一線實踐認知的學生群體，難以將反應(yīng)過程設(shè)計、操作優(yōu)化等實際問題的解決與理論知識聯(lián)系起來?；谏鲜鎏攸c，在新工科背景下，化學反應(yīng)工程教學既要滿足專業(yè)知識體系的基本要求，還要強調(diào)工程思維訓練，突出對解決復(fù)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(yīng)工程課堂教學現(xiàn)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(guān)鍵。常規(guī)課堂教學過程中，教師多采用多媒體(以PPT為主)結(jié)合板書的方式進行授課，整體上側(cè)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(xiàn)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。化學反應(yīng)工程融合了諸多學科知識，同時涉及較多的數(shù)學模型和工程問題，綜合性強。這對于數(shù)學基礎(chǔ)偏弱、沒有經(jīng)歷過工廠實操和工程設(shè)計的本科學生來講，常常產(chǎn)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(yù)習、課后復(fù)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(nèi)容”驅(qū)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(guān)注于數(shù)學模型的建立、設(shè)計方程的推導(dǎo)，雖然強調(diào)工程實踐能力的培養(yǎng)，但往往因為完成教學內(nèi)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(xiàn)在所學的課本對將來的工作用處不大，出現(xiàn)“高分低能”的現(xiàn)象。
2化學反應(yīng)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(shè)計和實施思路如圖1所示。
2.1梳理知識體系，授課內(nèi)容模塊化
以往教學內(nèi)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(nèi)容的把控，并且在學習過程中容易遺忘前面所學知識。根據(jù)我校學生的特點(數(shù)學基礎(chǔ)偏弱)，參考多個化學反應(yīng)工程的教材和專業(yè)書籍(以郭鍇主編的《化學反應(yīng)工程》、陳甘棠主編的《化學反應(yīng)工程》作為主要教材)，在知識體系的構(gòu)建上，強調(diào)邏輯關(guān)系，注重基礎(chǔ)知識，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生)。結(jié)合工程教育認證標準對課程的要求，將課堂教學內(nèi)容凝練為以下四大模塊(圖2)[5]：理想流動與理想反應(yīng)器、非理想流動、非均相反應(yīng)過程、工業(yè)反應(yīng)器。四個模塊內(nèi)容為遞進關(guān)系，模塊1(理想流動與理想反應(yīng)器)是本學科的基礎(chǔ)，注重解決“是什么”的問題，側(cè)重從化學反應(yīng)工程的視角闡述化學反應(yīng)動力學的基本概念和原理，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、化學反應(yīng)速率的一般表達和實驗測定方法，重點介紹三類理想反應(yīng)器的特點(物理模型)和設(shè)計過程，為整個化學反應(yīng)工程的理論學習奠定基礎(chǔ)。模塊2(非理想流動)和模塊3(非均相反應(yīng)過程)側(cè)重解決“為什么”的問題，重點講授混合過程中的停留時間分布和氣固相催化反應(yīng)過程的本征動力學和宏觀動力學問題。這三個模塊側(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、分析與開發(fā)，重點講授固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器的設(shè)計和應(yīng)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(gòu)為：從最基本的科學原理出發(fā)建立數(shù)學模型，然后逐層次加入特性化的反應(yīng)器類型、反應(yīng)動力學和非理想流動行為；最后集成上述內(nèi)容，實現(xiàn)反應(yīng)器的設(shè)計和優(yōu)化。通過內(nèi)容模塊化，學生能夠自主地進行知識點梳理和重點內(nèi)容消化，并采用思維導(dǎo)圖、邏輯線路圖等方式整理學習內(nèi)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(nèi)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(lǐng)學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，可以引入可口可樂生產(chǎn)中連續(xù)化和收率優(yōu)化問題。從而使學生在學習本課程時能有這樣的感受：化學反應(yīng)工程的知識與我們的生活、生產(chǎn)聯(lián)系是緊密的，進而消除對專業(yè)知識產(chǎn)生的枯燥感、畏懼感。這些小案例涉及的知識面廣，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，讓化學反應(yīng)工程枯燥的知識內(nèi)容貼近學生生活，減輕對于抽象理論和復(fù)雜工程問題的畏懼感，改善學生聽課的精神狀態(tài)。數(shù)字資源豐富主題，相得益彰?！盎ヂ?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(nèi)容的講解過程中，例如在講解可逆反應(yīng)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(yīng)動力學時，引入食品發(fā)酵過程反應(yīng)動力學的微視頻[6]，引導(dǎo)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(nèi)容的講解，但能夠與每章的主體內(nèi)容形成照應(yīng)，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(xiàn)，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(wǎng)絡(luò)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(shè)計強化實踐，學以致用。在化學反應(yīng)工程本科教學中，特別強調(diào)注重學生解決復(fù)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(yīng)用訓練[8]?；诖?，根據(jù)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(shè)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(diào)工程實踐的必要性。在這一環(huán)節(jié)，工程案例(或反應(yīng)器案例)的準備與引導(dǎo)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(chǔ)，圍繞工程實踐中的典型化學反應(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，作為補充內(nèi)容，案例分析時也可以與仿真實訓中反應(yīng)器操作的相關(guān)內(nèi)容進行結(jié)合。此外，化工專業(yè)每年舉辦“全國大學生化工設(shè)計大賽”的為課程教學提供了良好的案例素材。根據(jù)往屆化工設(shè)計競賽的具體反應(yīng)器的設(shè)計，引導(dǎo)學生如何利用化學反應(yīng)工程的知識設(shè)計合理的反應(yīng)器。這些工業(yè)案例以設(shè)計型問題為引領(lǐng)，討論化學反應(yīng)工程基本原理的具體應(yīng)用，能夠加深學生對理論知識在實際工程問題中應(yīng)用的理解，同時強化工程思維、提高工程設(shè)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(dǎo)學生參與“互聯(lián)網(wǎng)+化學反應(yīng)工程”課模大賽，學生選擇與化學反應(yīng)工程的理論、反應(yīng)設(shè)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(yīng)工程理論的理解和認知。
2.4挖掘價值內(nèi)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?qū)W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?；瘜W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(jù)具體的化學反應(yīng)工程教學內(nèi)容，選取與知識點相關(guān)的歷史、人物、事件等穿插進課堂，帶領(lǐng)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(jié)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?qū)W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(yīng)器，在學習反應(yīng)器類型的時候，展示相關(guān)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?qū)W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(yīng)該熟悉我國化學工程領(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(jié)論
化學反應(yīng)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(nèi)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(fù)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(jié)果的持續(xù)改進，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 石油化工學院
