（上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 上海 201620）

引言

為了應(yīng)對新一輪的科技、產(chǎn)業(yè)革命，教育部自2017年以來發(fā)布了“新工科”研究與實踐的一系列文件，旨在形成具有領(lǐng)跑全球、助推高等教育強國的工程教育模式。新工科人才培養(yǎng)模式，已成為教學(xué)改革中十分醒目的關(guān)鍵詞，例如人工智能、區(qū)塊鏈、云計算和一些傳統(tǒng)工科專業(yè)的改造等，這些都離不開數(shù)字化系統(tǒng)和多重計算機輔助軟件，這對工程類學(xué)科教學(xué)提出了新需求，進而推動工程教育領(lǐng)域的改革[1]。高校如何培養(yǎng)具備更高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力的新型化工類工程技術(shù)人才，是新時代教育學(xué)生的一大難題。將學(xué)科競賽與課程教學(xué)相結(jié)合無疑不是一種創(chuàng)新式的教學(xué)模式，符合新工科教學(xué)模式的要求。對于傳統(tǒng)的化工類工科專業(yè)來說，“新工科”可以指代在原生專業(yè)基礎(chǔ)上進行升級改造和變革，只要對其教學(xué)理念和教學(xué)內(nèi)容進行變革，就可使得化工專業(yè)在新工科的背景下與時俱進、創(chuàng)新發(fā)展[2]?？偠灾?，與傳統(tǒng)工科相比，新工科更強調(diào)學(xué)科的實用性、交叉性和綜合性，較為注重電子控制、信息通訊、軟件設(shè)計等新興技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合?；瘜W(xué)反應(yīng)工程課程主要以化工實際生產(chǎn)為對象，以低能耗、低物耗、高產(chǎn)率為目標(biāo)，著重研究化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計與分析，以實際工業(yè)生產(chǎn)中的化工過程操作為拓展，是化工類專業(yè)的重要核心課程。當(dāng)前，新工科背景下化學(xué)反應(yīng)工程課程的教學(xué)研究與改革，可以充分利用現(xiàn)有的教學(xué)體系，以“老瓶裝新酒”的方式在這個化工舊瓶子里慢慢添加進去一些新東西，久而久之，就會呈現(xiàn)出新的教學(xué)風(fēng)氣。因此，為了將新工科背景下的數(shù)字化和軟件等高新技術(shù)與化學(xué)反應(yīng)工程的課堂教學(xué)相互融合[3]，我們以化工學(xué)科類競賽為實踐途徑，結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到推進教學(xué)改革、提高學(xué)生工程實踐能力的目的。

1.化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)內(nèi)容改革

化學(xué)反應(yīng)工程中的理論知識是化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程的關(guān)鍵，主要側(cè)重反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計與分析兩個方面，目的是使學(xué)生掌握研究工業(yè)規(guī)?；瘜W(xué)反應(yīng)器中化學(xué)反應(yīng)過程動力學(xué)（稱宏觀動力學(xué)）的方法和基本原理，掌握理想反應(yīng)器的設(shè)計和分析，進一步以宏觀動力學(xué)和理想反應(yīng)器為基礎(chǔ)，對工業(yè)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、最優(yōu)操作條件的確定及控制、模擬放大等進行研究，在學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)思反應(yīng)過程工藝和動手操作能力。本課程以化工熱力學(xué)、反應(yīng)動力學(xué)、化工單元操作等課程作為基礎(chǔ)，最終得以發(fā)展，也就是化工中常說的“三傳一反”中的反應(yīng)，是化學(xué)工業(yè)過程的心臟。在最近半個世紀(jì)，學(xué)者們通過大量的研究工作，從均相到非均相、從定態(tài)到非定態(tài)、從反應(yīng)動力學(xué)到反應(yīng)器等，都有著從實驗研究到通過計算機模擬的轉(zhuǎn)變，如今化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科體系的形成，與數(shù)字化軟件有著密切的聯(lián)系[4-5]。傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)工程課堂教學(xué)中，大多數(shù)學(xué)生對該課程的印象都是內(nèi)容模塊較多，概念復(fù)雜抽象，計算繁瑣，同時難以掌握其核心內(nèi)容。對于剛接觸專業(yè)知識的化工類學(xué)生來說，其專業(yè)背景不足，很難把所學(xué)到的理論知識與實際工業(yè)的反應(yīng)流程相結(jié)合。在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，以課堂講解為主要教學(xué)方式、傳授課本上的理論知識為主要教學(xué)內(nèi)容，這難免會使學(xué)生無法理解，或者只是了解皮毛，當(dāng)遇到反應(yīng)過程工藝設(shè)計、化工工業(yè)操作等實際問題時還是無從下手[6-7]。因此，要想順利的解決這些難題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，避免教學(xué)中的枯燥，讓學(xué)生能夠熟悉課程原理和反應(yīng)器設(shè)計，應(yīng)將教學(xué)方式從“授之以魚”轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆谥詽O”，將教學(xué)重點從傳授理論知識轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撆c實踐相結(jié)合，在授課過程中結(jié)合化工生產(chǎn)與發(fā)展實際，與課本知識相聯(lián)系，適當(dāng)引入新技術(shù)內(nèi)容，如“微反應(yīng)器”“膜反應(yīng)器”“反應(yīng)蒸餾”“反應(yīng)器中的湍流現(xiàn)象”“納米尺度反應(yīng)過程的工程問題”等[8]，使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時了解學(xué)科的前沿理論與化學(xué)反應(yīng)器的新進展，從而能夠更好的從工程分析的角度討論其重要工程概念，培養(yǎng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)的能力[9]。

2.化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)方法與手段改革

目前在眾多高校中，化學(xué)反應(yīng)工程的課堂授課方法較簡單，授課教師可能缺乏化工實際生產(chǎn)經(jīng)驗，照著書本傳授課程基本內(nèi)容，對實際化工過程出現(xiàn)的問題不能夠進行關(guān)聯(lián)，課程內(nèi)容相對枯燥，學(xué)生不能夠直觀地進行理解而導(dǎo)致課程教學(xué)效果一般。理論和實際的脫節(jié)使得學(xué)生的學(xué)習(xí)效率并不是很高，導(dǎo)致學(xué)生工程意識和創(chuàng)新能力不能夠得到質(zhì)的提升。在此情況下，應(yīng)該采取“方法論”的方式，結(jié)合教師的經(jīng)驗累積，在授課過程中引入科研和化工生產(chǎn)案例，并對其工作原理和實際運轉(zhuǎn)過程中遇到的問題進行分析，并應(yīng)用理論知識提出解決方案，不僅加深了學(xué)生對理論知識的理解，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識的能力。還可以通過模擬化工過程的方式輔助教學(xué)[10]以及引入化工類學(xué)科競賽元素等方法和手段，這樣不但能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣提高學(xué)習(xí)的主動性，更重要的是使學(xué)生熟悉課程理論在實際中的應(yīng)用，促進學(xué)生運用課程知識開展實踐，形成良好的“教”“學(xué)”互動循環(huán)，完善課程教學(xué)設(shè)計、教學(xué)改革、教學(xué)評價和反饋的持續(xù)改進機制。

(1)加強科研和化工生產(chǎn)案例分析在課程中的運用

化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)團隊教師的研究主要側(cè)重在化工工藝、工業(yè)催化、化工設(shè)備等方向，教師們均具備化工企業(yè)工作的經(jīng)驗。因此，在課程教學(xué)過程中，可以將較枯燥的反應(yīng)工程基本原理與科研內(nèi)容進行結(jié)合，例如，在講授獨立反應(yīng)數(shù)時候，可以結(jié)合課題組研究的乙醇水蒸氣重整反應(yīng)，根據(jù)給定的反應(yīng)物和多種產(chǎn)物分布，讓學(xué)生來確定其獨立反應(yīng)式。另一方面，利用教師的工程背景，在講授化工反應(yīng)過程、化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)容時，可以進行拓寬，直接引入化工生產(chǎn)案例[11]。例如在講授氣固相反應(yīng)過程和反應(yīng)器內(nèi)容時，可以舉例硫酸生產(chǎn)的二氧化硫氧化工段，其反應(yīng)工藝參數(shù)的設(shè)定與課程中的最優(yōu)溫度實施和控制密切關(guān)聯(lián)?？蒲邪咐突どa(chǎn)案例運用到課程教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生將課程理論知識應(yīng)用于實踐中，加強了學(xué)生查閱文獻、分析和解決問題的能力，因而必將提高課程的教學(xué)效果，達(dá)到良好的“教”“學(xué)”互動。

(2)引入化工過程模擬手段，輔助課程教學(xué)

化學(xué)反應(yīng)工程課程強調(diào)化學(xué)熱力學(xué)和動力學(xué)以及化工過程反應(yīng)器的設(shè)計和操作穩(wěn)定性，課程內(nèi)容傳授的基本原理，但無法讓學(xué)生有直觀的認(rèn)識。利用化工過程模擬軟件是實現(xiàn)理論和化工實際過程的重要手段[12]，能夠獲得在特定條件下的熱力學(xué)數(shù)據(jù)、動力學(xué)模擬、化學(xué)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)以及化工操作流程，尤其是考慮到“三傳”影響下接近于化工真實場景的模擬過程，能有效降低復(fù)雜的推導(dǎo)和計算過程，使反應(yīng)器設(shè)計和反應(yīng)過程更具體，避免理論知識傳授的抽象化，有利于加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和掌握，有效提升課程教學(xué)效果。此外，當(dāng)今各行業(yè)越來越重視信息化和計算機技術(shù)，作為傳統(tǒng)制造業(yè)的化工更應(yīng)進行升級改造，因而在課程教學(xué)中突出化工過程模擬手段的重要性顯得尤為重要，是專業(yè)學(xué)生參與化工設(shè)計競賽、化工實驗競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)科類競賽的必備技能，也是新一輪科學(xué)技術(shù)革命形勢下化工類專業(yè)學(xué)生對自身更高的專業(yè)素養(yǎng)要求。

(3)引入學(xué)科類競賽元素，推進課程實踐應(yīng)用

在授課過程中引入大學(xué)生化工設(shè)計、“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、大學(xué)生化工實驗等系列化工類學(xué)科競賽，這些競賽都能用到如化學(xué)反應(yīng)原理、化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計與分析等課程相關(guān)內(nèi)容，可以利用化工過程模擬手段來動態(tài)講解和展示，能夠很好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)軟件的興趣，在很大程度上可以幫助學(xué)生理解課堂上學(xué)習(xí)到的理論。在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中采用“以賽促教、以賽促學(xué)、教賽融合”的方法，從學(xué)科競賽中結(jié)合課堂所學(xué)，利用計算機軟件、計算機模擬等手段，推進課程實踐應(yīng)用。

3.化學(xué)反應(yīng)工程課程在化工設(shè)計競賽中的實踐

我們在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中，除了采用了課堂教學(xué)與專業(yè)實驗教學(xué)、工程實習(xí)相結(jié)合等方式外，也將學(xué)科競賽引入課堂，通過對學(xué)生進行全面的創(chuàng)新能力訓(xùn)練，完善了學(xué)生的課程知識體系。近三年來，本專業(yè)學(xué)生榮獲“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽全國一等獎、大學(xué)生化工設(shè)計競賽全國一等獎、互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等各類學(xué)科類競賽省部級以上獎項近40項，專業(yè)課程在學(xué)科類競賽中有重要的理論支持作用。

全國大學(xué)生化工設(shè)計大賽可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程技能，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神，增強大學(xué)生的工程設(shè)計與實踐能力，化學(xué)反應(yīng)工程這門課程在設(shè)計過程中起著十分關(guān)鍵的作用。通過競賽學(xué)生需要用到Aspen Plus、Matlab、Auto CAD等軟件[13-14]。對一個反應(yīng)流程，在學(xué)生查閱文獻對流程進行利用Aspen Plus設(shè)計和搭建模型之后，反應(yīng)器的設(shè)計變成了重點，對于反應(yīng)器設(shè)計，我們關(guān)注的是選擇的反應(yīng)器是否更合適，是否有創(chuàng)新點。在設(shè)計的過程中，對于反應(yīng)器的類型、催化劑的類型、不同的流型以及反應(yīng)器的內(nèi)部參數(shù)等，都需要進行嚴(yán)格的控制。整個比賽中，學(xué)生需要將反應(yīng)工程中的原理和性質(zhì)運用于反應(yīng)器的設(shè)計過程中。將平時的計算轉(zhuǎn)變?yōu)榱塑浖K的選擇。使得學(xué)生對反應(yīng)器的認(rèn)知更加形象化，有助于學(xué)生對反應(yīng)過程的理解并激發(fā)學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣。

以第十四屆化工設(shè)計大賽“為某大型化工企業(yè)設(shè)計一座分廠，以碳五烷烴為原料制備非燃料用途的化工產(chǎn)品”為例，在教學(xué)的過程中，其中的一個方案可以選擇將正戊烷通過異構(gòu)化反應(yīng)生成異戊烷，再生產(chǎn)發(fā)泡劑。在利用Aspen Plus軟件對流程模擬的過程中，異構(gòu)化反應(yīng)使用的是列管式固定床反應(yīng)器，學(xué)生在實際搭建模型時，在優(yōu)化之前，反應(yīng)器的恒定溫度和壓力較高，模擬的配置中的管數(shù)，每根管子的長度以及管直徑不是很合理。在這種情況下經(jīng)過校核后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過反應(yīng)器異戊烷的產(chǎn)物只有42%。解決這些問題，需考慮到以反應(yīng)器為主體，精餾塔、換熱器等化工單元模塊和參數(shù)設(shè)置、工藝流程設(shè)計等問題。學(xué)生們在化學(xué)反應(yīng)工程，化工原理等學(xué)科中將涉及到的知識進行查找，對以上參數(shù)進行了調(diào)整。在優(yōu)化之后反應(yīng)器異戊烷異物的產(chǎn)率提高了很多，改善效果顯著。通過學(xué)科競賽，將化工熱點問題與課堂教學(xué)相聯(lián)系，同時讓學(xué)生將各個學(xué)科的知識聯(lián)系在了一起，讓更多的計算機知識融入反應(yīng)工程的課堂教學(xué)。

在化工設(shè)計競賽指導(dǎo)過程中，切實把化學(xué)反應(yīng)工程的課程思政內(nèi)容貫穿其中，強調(diào)新時代化工類學(xué)生應(yīng)有的價值觀、社會責(zé)任感和職業(yè)道德。例如，在流程方案的選擇時，注重學(xué)術(shù)道德規(guī)范，尊重別人的成果，不能涉嫌抄襲和剽竊；在化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計與選型時，需要考慮法律法規(guī)、生命健康和安全環(huán)保等因素；在核算經(jīng)濟成本和效益時，秉承誠實正直的品質(zhì)，確保獲取數(shù)據(jù)的來源真實且可靠。因此，在課程教學(xué)中融合設(shè)計競賽內(nèi)容，把看似和本課程毫無關(guān)聯(lián)的社會主義核心價值觀融入到課程中，實現(xiàn)了知識傳授與價值引領(lǐng)的有機統(tǒng)一，從而使學(xué)生增強化工專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，立足課程，培養(yǎng)踏實嚴(yán)謹(jǐn)、追求卓越、心系社會的優(yōu)秀品質(zhì)，成為新時代有擔(dān)當(dāng)?shù)母呒壒こ碳夹g(shù)人才。

4.結(jié)語

化學(xué)反應(yīng)工程是一門重要的工程學(xué)科，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中需要掌握各類反應(yīng)器的工作原理以及一些相關(guān)的理論知識，同時也需要學(xué)會應(yīng)用所學(xué)解決實際工業(yè)工程問題，培養(yǎng)自己動手操作的能力和獨立解決問題的能力。在化學(xué)反應(yīng)工程課程改革中引入化工設(shè)計大賽等競賽新元素是一種新興的教學(xué)方式，不僅能夠使教學(xué)活動理論聯(lián)系實際，而且對培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力有較大幫助。在教學(xué)過程中積極發(fā)揮學(xué)科競賽的作用，對于提高化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)效果可以起到事半功倍的作用。將學(xué)科競賽引入傳統(tǒng)教學(xué)，一方面可以提高教師自身業(yè)務(wù)水平和道德修養(yǎng)，另一方面還提高了教學(xué)策略的運用水平。通過二者的結(jié)合，對教師本身的知識儲備也有不斷審視的作用。工程改變世界，行動創(chuàng)造未來。在新工科的背景下，傳統(tǒng)的教育方式已不能滿足新時代的需要。隨著工程實踐能力、創(chuàng)新能力、總體競爭力的提高，我們更應(yīng)該注重學(xué)科交叉，更加注重學(xué)科競賽與教學(xué)相融合，更加注重計算機軟件在課堂中的作用，更加注重以學(xué)生為中心，強化實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)，使教學(xué)過程不再是簡單的傳授理論知識，而是訓(xùn)練學(xué)生的思維方式、分析能力以及實踐能力，讓學(xué)生不僅有能力把所學(xué)的知識應(yīng)用于解決現(xiàn)有的實際生活問題，還有能力學(xué)習(xí)新知識、新技術(shù)去解決未來發(fā)展過程中遇到的問題。新時代背景下，高校培養(yǎng)人才應(yīng)該注重學(xué)生綜合能力和自主學(xué)習(xí)能力的提升，為了與時俱進，應(yīng)該加快新教學(xué)體系的全面改革，將課堂內(nèi)容與相關(guān)競賽或?qū)嶋H案例相結(jié)合，注重培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)道德和職業(yè)素養(yǎng)，全面發(fā)展學(xué)生。