彭博,廖業(yè)欣,劉彭如,薛興勇,藍(lán)平
(廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 廣西多糖材料與改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530006)
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)國家高質(zhì)量發(fā)展,對(duì)創(chuàng)新型化工人才的迫切需求越來越顯著。2015年5月國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》,其核心內(nèi)容中就有創(chuàng)新和人才,關(guān)注人才的發(fā)展推動(dòng)國家創(chuàng)新體系的建立,實(shí)現(xiàn)綠色的發(fā)展模式[1],其中涉及的十大研究領(lǐng)域中絕大部分跟化工相關(guān),可見化工專業(yè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要地位。為了推動(dòng)工程教育改革,2017年2月教育部發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展“新工科”研究與實(shí)踐的通知》,號(hào)召高等學(xué)校開展“新工科”研究,通過包括課程改革在內(nèi)的各方面的改革推動(dòng)工科教育改革[2]。2018年9月全國教育大會(huì)上,習(xí)近平總書記提出全面振興本科教育[3],本科教學(xué)在高等學(xué)校中的教育教學(xué)重視程度得到提升。面向國家重大戰(zhàn)略發(fā)展、立德樹人新要求,以學(xué)與教、實(shí)踐與創(chuàng)新為主要內(nèi)容,圍繞工程教育新的理念,構(gòu)建人才培養(yǎng)的新模式。在之后多個(gè)場(chǎng)合習(xí)近平總書記提到教育的重要使命,2020年9月11日在科學(xué)家座談會(huì)上的講話,提到加強(qiáng)創(chuàng)新人才的培養(yǎng),要把教育擺在更加重要位置,全面提高教育質(zhì)量,注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。2021年4月19日在清華大學(xué)考察時(shí)的講話提到“我國高等教育要立足中華民族偉大復(fù)興戰(zhàn)略全局和世界百年未有之大變局,心懷“國之大者”,把握大勢(shì),敢于擔(dān)當(dāng),善于作為,為服務(wù)國家富強(qiáng)、民族復(fù)興、人民幸福貢獻(xiàn)力量”。在國家大力發(fā)展教育,促進(jìn)教育改革的背景下,開展“新工科”建設(shè),應(yīng)對(duì)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的變革,推動(dòng)我國科技在全球的引領(lǐng)。化工學(xué)科對(duì)當(dāng)前疫情的防控起到重要作用,比如口罩的材料、防疫醫(yī)藥的提純和生產(chǎn)等?!半p碳”背景下,化工在降碳減排節(jié)能過程同樣能夠起到重要的作用。這些正是因?yàn)榛瘜W(xué)工程學(xué)科關(guān)聯(lián)能源、環(huán)境、生物、醫(yī)藥、冶金、材料、信息、食品等領(lǐng)域,在國民經(jīng)濟(jì)中扮演著重要的角色。因此,開展化工教育的改革成為教育改革的重要一部分,通過改革適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展要求已是刻不容緩。
化學(xué)工程以化學(xué)學(xué)科為核心,涉及內(nèi)容與熱力學(xué)、流體力學(xué)等形成交叉,集成物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的分離-反應(yīng)-分離等單元功能[4]。反應(yīng)過程和反應(yīng)場(chǎng)所是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵所在。而化學(xué)反應(yīng)工程正是圍繞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理和設(shè)計(jì)反應(yīng)器的學(xué)科。化學(xué)反應(yīng)工程目前是化工專業(yè)學(xué)生的核心專業(yè)課。該課程以高等數(shù)學(xué)、四大化學(xué)、大學(xué)物理、大學(xué)英語等基礎(chǔ)課程和化工原理等專業(yè)基礎(chǔ)課為基礎(chǔ),后續(xù)支持化工過程分析與合成、工業(yè)催化、化工設(shè)計(jì)、化工環(huán)保等課程的學(xué)習(xí)[5]。本論文的探索正是在“新工科”背景下圍繞學(xué)生為中心而開展。
化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)傳統(tǒng)的方式課堂PPT授課、平時(shí)課后作業(yè)、期末考試,這種授課方式一方面依賴授課教師具備豐富的化學(xué)反應(yīng)工程經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)手段,能夠在課堂中把握教學(xué)的重點(diǎn)難點(diǎn),能夠在課程講授中充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性;另一方面依賴學(xué)生具備自主學(xué)習(xí)、課前預(yù)習(xí)課下復(fù)習(xí)和積極請(qǐng)教老師的主動(dòng)性。如果在著名高校教師實(shí)力雄厚,學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力強(qiáng),這樣的教學(xué)能取得較好的學(xué)習(xí)成效。然而,對(duì)于眾多的地方高校,授課教師多數(shù)沒有很多的工程經(jīng)驗(yàn),甚至一些教師的研究方向不涉及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器,自然對(duì)課程的理解不全面;地方高校的學(xué)生基礎(chǔ)相對(duì)薄弱,特別是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)弱,導(dǎo)致學(xué)習(xí)起來難度大。從廣西民族大學(xué)化學(xué)工程與工藝的學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)工程課程過程反饋說明化學(xué)反應(yīng)工程理解難、公式多,在平時(shí)的測(cè)驗(yàn)考試體現(xiàn)出來學(xué)生答不到要點(diǎn)、甚至部分學(xué)生面對(duì)綜合性試題無從下手等突出的問題。針對(duì)這些問題,必然需要改變傳統(tǒng)的課程教學(xué)方式,堅(jiān)持OBE理念[6],培養(yǎng)具有扎實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)的化工人才。以廣西民族大學(xué)為例,具體途徑如下:
講課中將課程的基本概念、基本原理結(jié)合反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理,首選從基本的概念入手,將概念的工程意義闡述清楚,再此基礎(chǔ)上再闡明基本的原理。將反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型與基本原理之間的關(guān)系作為重點(diǎn),弱化數(shù)學(xué)計(jì)算內(nèi)容,減少學(xué)生接受新知識(shí)的困難。將反應(yīng)器的模型推導(dǎo)過程作為重點(diǎn)內(nèi)容,以此為例,講述利用物料衡算的方法如何得到不同反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程,以此改變學(xué)生對(duì)課程公式多的印象,從基本方法入手,得到需要使用的數(shù)學(xué)模型方程?;瘜W(xué)反應(yīng)工程課程的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、物料返混、復(fù)合反應(yīng)選擇率與收率、反應(yīng)過程中的熱量與質(zhì)量傳遞、反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性、催化劑工程等基本原理、基本概念與間歇反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器、全混流反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)和緊密聯(lián)系為課程的重點(diǎn)內(nèi)容[7]。廣西民族大學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)采用朱炳辰主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》第五版,該教材編寫內(nèi)容豐富,對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程的重點(diǎn)內(nèi)容講述詳細(xì),既有利于教師講授具體的知識(shí)點(diǎn)又降低了學(xué)生自學(xué)的理解難度。同時(shí),輔助使用許志美主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》,結(jié)合該教材圍繞化工工程教育編寫的角度,在授課中側(cè)重反應(yīng)器與化學(xué)反應(yīng)結(jié)合的講解方法,更容易讓學(xué)生理解反應(yīng)器。多個(gè)教材結(jié)合的方法能夠提升課程內(nèi)容更加系統(tǒng),有助于降低課程學(xué)習(xí)的難度。目前,課程設(shè)置56學(xué)時(shí),難以面面俱到講完全部的內(nèi)容,所以突出重點(diǎn)內(nèi)容,同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)其他內(nèi)容。該教材強(qiáng)調(diào)方法論,有利于主講教師結(jié)合科研實(shí)踐將抽象復(fù)雜的研究方法以案例的形式具體化,讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)問題的解決過程到工程問題的實(shí)施再到產(chǎn)品工程,展現(xiàn)學(xué)習(xí)的知識(shí)學(xué)有所用,激發(fā)學(xué)生的思考。
引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作,課程講授中布置學(xué)生開展分組調(diào)研課程的內(nèi)容,并進(jìn)行答辯。學(xué)生通過積極準(zhǔn)備課程答辯,能夠深入思考所學(xué)知識(shí),展示團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,表達(dá)能力。學(xué)生大三下學(xué)期學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)工程課,選題范圍在朱炳辰主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》第五版內(nèi),每組2~4人,時(shí)間控制在6~8分鐘之內(nèi)。課程講授對(duì)象的翻轉(zhuǎn),讓學(xué)生能夠更加深刻地學(xué)習(xí)知識(shí)。經(jīng)歷課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)討論,提高學(xué)生總結(jié)和表達(dá)能力,針對(duì)大四上學(xué)期是學(xué)生找工作的關(guān)鍵時(shí)間,對(duì)于本專業(yè)的核心課程的深入理解,有助于在面試環(huán)節(jié)更好地展示自己的專業(yè)素養(yǎng)。對(duì)于考研的學(xué)生,在大四下學(xué)期研究生錄取復(fù)試過程中面試環(huán)節(jié)更是要展示過硬的專業(yè)知識(shí)。規(guī)定范圍的時(shí)間內(nèi)凝練出本專業(yè)的核心內(nèi)容,充分訓(xùn)練學(xué)生過硬的專業(yè)素養(yǎng)。因此,通過課程答辯能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程的理解,加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的深入思考。
隨著學(xué)習(xí)的深入,學(xué)生到了大三下學(xué)期已經(jīng)學(xué)習(xí)了很多專業(yè)課程,除了化學(xué)反應(yīng)工程外,還學(xué)習(xí)了化工原理、化工熱力學(xué)、化工設(shè)計(jì)、分離工程等。對(duì)于本專業(yè)的認(rèn)識(shí)怎樣?對(duì)于本課程的理解怎樣?這些都是化工專業(yè)高等教育的核心關(guān)注點(diǎn)。學(xué)習(xí)的關(guān)鍵在于思考和總結(jié),培養(yǎng)學(xué)生具備思考的習(xí)慣和總結(jié)的能力成為創(chuàng)新教育的關(guān)鍵問題。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)總結(jié)已經(jīng)學(xué)過的知識(shí),理清每個(gè)課程眾多知識(shí)點(diǎn)構(gòu)成的課程體系,明析多個(gè)課程交織的專業(yè)知識(shí)網(wǎng)絡(luò),凝練專業(yè)知識(shí)的表達(dá),同時(shí)認(rèn)識(shí)自身的知識(shí)儲(chǔ)備量并及時(shí)彌補(bǔ)學(xué)習(xí)。論文撰寫過程查閱文獻(xiàn)資料,訓(xùn)練學(xué)生對(duì)信息的識(shí)別能力和文獻(xiàn)檢索能力。立足規(guī)范、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到理工科的科學(xué)特點(diǎn),培養(yǎng)理性科學(xué)思維,提高對(duì)知識(shí)、問題的分析總結(jié)能力。
化學(xué)反應(yīng)工程起源從20世紀(jì)20年代合成氨技術(shù)發(fā)明和應(yīng)用到現(xiàn)在百年的歷程中仍在不斷地發(fā)展。面對(duì)當(dāng)今資源、能源、環(huán)境等重大問題,使用經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)工程知識(shí)解決困擾人類生存發(fā)展的問題,已經(jīng)是當(dāng)代化工人應(yīng)當(dāng)勇于承擔(dān)起的責(zé)任。由于學(xué)科的快速發(fā)展,教材的編寫無法時(shí)時(shí)跟進(jìn)最新的科技前沿。催化反應(yīng)作為化學(xué)反應(yīng)工程重要的內(nèi)容,也是當(dāng)今世界研究熱門的領(lǐng)域,補(bǔ)充講述催化科學(xué)前沿,讓學(xué)生了解目前的三大催化挑戰(zhàn):發(fā)展催化以解決能源和化工生產(chǎn)中的突出問題、發(fā)展催化以通向清潔和可持續(xù)的未來、應(yīng)對(duì)催化的復(fù)雜性[8]。概述催化反應(yīng)過程前沿研究,主要是技術(shù)耦合,例如催化精餾[9]、膜催化[10]等。講新型的催化反應(yīng)器,拓展學(xué)生對(duì)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的認(rèn)知,例如駱廣生教授的微通道反應(yīng)器[11]、陳建峰院士的超重力反應(yīng)器[12]等。通過前沿的研究,拓展學(xué)生的視野,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)工程的重大研究意義,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)同感和為學(xué)生注入源源不斷的學(xué)習(xí)動(dòng)力。工程科學(xué)教育,需要讓學(xué)生多接觸真實(shí)的反應(yīng)情況、真實(shí)的應(yīng)用條件、真實(shí)的生產(chǎn)工況,這樣在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題,帶著問題進(jìn)入課程的學(xué)習(xí)能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程的深入理解。在日后的工作崗位,面對(duì)工廠的生產(chǎn)問題能夠提出可行的解決方案,培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的工程師。
工科學(xué)生所學(xué)知識(shí)最終的落腳是要解決復(fù)雜的工程問題,學(xué)習(xí)成效僅靠課程教學(xué)不能滿足國家對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的要求[12]。因此,實(shí)踐教學(xué)成為需要不斷加強(qiáng)的一環(huán)。化學(xué)反應(yīng)工程的實(shí)踐教學(xué)主要內(nèi)容:化學(xué)反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)、化工實(shí)習(xí)和包含大學(xué)生“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽、全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽、“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等學(xué)科賽事。利用實(shí)踐教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生利用已經(jīng)學(xué)過的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)知識(shí),去解決實(shí)際面臨的工程問題。通過學(xué)生自主思考、動(dòng)手操作、獨(dú)立發(fā)現(xiàn)分析解決問題,系統(tǒng)地掌握化學(xué)反應(yīng)工程課程的知識(shí),形成實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
在化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)驗(yàn)中為學(xué)生開設(shè)5個(gè)涉及到化學(xué)反應(yīng)工程類的專業(yè)實(shí)驗(yàn):多釜串并聯(lián)返混、單釜和管式反應(yīng)器性能測(cè)、乙醇?xì)庀嗝撍埔蚁庖汗塘骰残阅軠y(cè)定和內(nèi)循環(huán)無梯度反應(yīng)器中宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定。化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)驗(yàn)和化學(xué)反應(yīng)工程屬于兩個(gè)獨(dú)立的課程,存在內(nèi)在緊密的聯(lián)系。因此,調(diào)整培養(yǎng)方案在授課學(xué)期為學(xué)生開設(shè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn),構(gòu)建“理論-實(shí)踐”結(jié)合的綜合授課方案。實(shí)驗(yàn)的授課同樣改變以往的單一模式,借助現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)施設(shè)計(jì)式實(shí)驗(yàn)教學(xué),通過項(xiàng)目式開展實(shí)驗(yàn)授課。具體的實(shí)驗(yàn)授課流程:首先讓學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)講義、實(shí)驗(yàn)小組討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程,之后實(shí)驗(yàn)小組確定實(shí)驗(yàn)方案,指導(dǎo)教師審核實(shí)驗(yàn)方案,為實(shí)驗(yàn)小組準(zhǔn)備需要的儀器藥品并強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程的安全問題。通過實(shí)驗(yàn)方案審核后,實(shí)驗(yàn)小組開始分工實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄處理。指導(dǎo)教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)小組的實(shí)驗(yàn)過程結(jié)果給出指導(dǎo)意見。最后實(shí)驗(yàn)小組根據(jù)指導(dǎo)意見及時(shí)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn),并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的自主設(shè)計(jì)、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力以及對(duì)數(shù)據(jù)處理和編寫報(bào)告的寫作技能。
引導(dǎo)學(xué)生參加全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽、“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等,廣西民族大學(xué)化工專業(yè)學(xué)生近三年來,共計(jì)獲獎(jiǎng)/立項(xiàng)72項(xiàng)。通過完整嚴(yán)格的競(jìng)賽訓(xùn)練,提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。其中獲得全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國家級(jí)銅獎(jiǎng)1項(xiàng)、“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽廣西壯族自治區(qū)級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目國家級(jí)立項(xiàng)4項(xiàng)。學(xué)生在參加各類競(jìng)賽的過程中能學(xué)到Aspen Plus、Atuo CAD等專業(yè)軟件,熟悉文獻(xiàn)檢索,學(xué)會(huì)作品展示等?;ぴO(shè)計(jì)大賽中,反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),反應(yīng)器的選型、催化劑的類型、物料的種類等綜合考慮,突出創(chuàng)新性,對(duì)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)工程知識(shí)的訓(xùn)練具有非常大的幫助。眾多參賽學(xué)生反饋參加過競(jìng)賽后,對(duì)化工專業(yè)的認(rèn)識(shí)加深了,同時(shí)學(xué)會(huì)了運(yùn)用所學(xué)知識(shí)。
化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程學(xué)科中重要的一門課程,要求學(xué)生掌握化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究和反應(yīng)器設(shè)計(jì),特別是能夠在研究化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合適的反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的量產(chǎn),結(jié)合化工原理、分離工程、熱力學(xué)、傳遞工程原理等課程的內(nèi)容,學(xué)會(huì)應(yīng)用所學(xué)解決工業(yè)生產(chǎn)中的工程問題。授課過程中注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、善于分析總結(jié)的能力。在課程改革中突出重點(diǎn)內(nèi)容、引入課程的前沿研究、增加課程答辯和課程論文的方式優(yōu)化課程教學(xué),根據(jù)課程授課的需要,調(diào)整培養(yǎng)方案,構(gòu)建“理論-實(shí)踐”結(jié)合的教學(xué)方案。將化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)驗(yàn)、化工專業(yè)競(jìng)賽的課程實(shí)踐與化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)學(xué)與用的結(jié)合,綜合訓(xùn)練學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力和工程實(shí)踐能力,培養(yǎng)創(chuàng)新能力,對(duì)提升教學(xué)成效非常有益。當(dāng)前新工科建設(shè)要求下,改革化學(xué)反應(yīng)工程課程,從學(xué)生面臨的現(xiàn)實(shí)問題出發(fā),構(gòu)建課程教學(xué)和課程實(shí)踐一體的改革方案,關(guān)注學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng),為打造高水平本科教育具有十分重要的意義。經(jīng)過改革,廣西民族大學(xué)化工專業(yè)學(xué)生近三年來,共計(jì)獲獎(jiǎng)/立項(xiàng)72項(xiàng),取得顯著的成績(jī)。隨著時(shí)代發(fā)展,教育改革需要持續(xù)跟進(jìn),對(duì)于不斷出現(xiàn)的新問題,值得一起努力探索解決方案,通過不斷地課程改革推進(jìn)新工科建設(shè),努力發(fā)展高水平本科教育,服務(wù)國家創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略。