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化學(xué)反應(yīng)工程課堂教學(xué)方法淺析

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化學(xué)反應(yīng)工程課堂教學(xué)方法淺析

[摘要]化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心專業(yè)課程,傳統(tǒng)課堂教學(xué)側(cè)重于知識“滿堂灌”,教學(xué)方法和教學(xué)模式單一,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足,課堂氣氛沉悶,學(xué)習(xí)效果與預(yù)期相差甚遠(yuǎn)。本課程在現(xiàn)有教學(xué)體系基礎(chǔ)上,通過重構(gòu)課程知識框架、豐富課堂教學(xué)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(xué)新模式,以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)志趣、培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力、提升學(xué)生人文素質(zhì)。

[關(guān)鍵詞]化學(xué)反應(yīng)工程;課程設(shè)計;課堂教學(xué);工程實踐;案例分析

化學(xué)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(xué)反應(yīng)、產(chǎn)品的分離與純化[1]。其中,化學(xué)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(xué)反應(yīng)如何在工業(yè)上實現(xiàn)的學(xué)科稱為化學(xué)反應(yīng)工程,即化學(xué)反應(yīng)工程是一門研究化學(xué)反應(yīng)工程問題的學(xué)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(xué)工程學(xué)科的重要分支。作為大化工專業(yè)(特別是化學(xué)工程與工藝專業(yè))的核心基礎(chǔ)課程,化學(xué)反應(yīng)工程是一門以高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、物理等為先修知識、學(xué)科交叉性較強的學(xué)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(xué)反應(yīng)工程的研究對象——工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng),其影響因素復(fù)雜多樣,對于缺乏一線實踐認(rèn)知的學(xué)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(xué)反應(yīng)工程教學(xué)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(xùn)練,突出對解決復(fù)雜工程問題的能力提高,同時提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1化學(xué)反應(yīng)工程課堂教學(xué)現(xiàn)狀分析

在教學(xué)活動的三個主要環(huán)節(jié)(課前準(zhǔn)備、課堂教學(xué)、課后學(xué)習(xí))中,課堂教學(xué)活動是關(guān)鍵。常規(guī)課堂教學(xué)過程中,教師多采用多媒體(以PPT為主)結(jié)合板書的方式進(jìn)行授課,整體上側(cè)重于知識“滿堂灌”,教學(xué)方法和教學(xué)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(xué)生課堂注意力不集中,主體參與性不高?;瘜W(xué)反應(yīng)工程融合了諸多學(xué)科知識,同時涉及較多的數(shù)學(xué)模型和工程問題,綜合性強。這對于數(shù)學(xué)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(xué)生來講,常常產(chǎn)生望而生畏的感覺,剛開始就容易失去學(xué)習(xí)的信心。加上學(xué)生沒有樹立課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的學(xué)習(xí)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(xué)手段,承載了較多的知識點。教師有時為了趕教學(xué)進(jìn)度,表達(dá)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(dá)[4],面對“單向輸出”的教學(xué)方式和枯燥的理論知識,學(xué)生的積極性不高,也無法對教師拋出的理論知識進(jìn)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(xué)教師一般多關(guān)注于數(shù)學(xué)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(xué)內(nèi)容而忽略學(xué)生的主觀能力性和參與感。加之本科階段工程實訓(xùn)的機會有限,理論知識和實踐訓(xùn)練脫節(jié),往往使學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)在所學(xué)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(xué)反應(yīng)工程課堂教學(xué)改革

為了改善上述情況,提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效果,本文從以下四個方面對課堂教學(xué)方法和模式變化進(jìn)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(xué)內(nèi)容是以知識點為單元進(jìn)行課堂教學(xué),不利于學(xué)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(xué)習(xí)過程中容易遺忘前面所學(xué)知識。根據(jù)我校學(xué)生的特點(數(shù)學(xué)基礎(chǔ)偏弱),參考多個化學(xué)反應(yīng)工程的教材和專業(yè)書籍(以郭鍇主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》、陳甘棠主編的《化學(xué)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(xué)生)。結(jié)合工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對課程的要求,將課堂教學(xué)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(jìn)關(guān)系,模塊1(理想流動與理想反應(yīng)器)是本學(xué)科的基礎(chǔ),注重解決“是什么”的問題,側(cè)重從化學(xué)反應(yīng)工程的視角闡述化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)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(xué)反應(yīng)速率的一般表達(dá)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(xué)反應(yīng)工程的理論學(xué)習(xí)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(xué)和宏觀動力學(xué)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(xué)生的工程意識和能力也由“認(rèn)識問題”、“分析問題”提高到“解決問題”。課程的整個教學(xué)架構(gòu)為:從最基本的科學(xué)原理出發(fā)建立數(shù)學(xué)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(xué)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(xué)生能夠自主地進(jìn)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(xué)習(xí)內(nèi)容。

2.2豐富教學(xué)手段,教學(xué)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(xué)工程的角度帶領(lǐng)學(xué)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(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時能有這樣的感受:化學(xué)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(jìn)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(xué)反應(yīng)工程枯燥的知識內(nèi)容貼近學(xué)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(xué)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(xué)思路和輔助資源[7]。在課堂教學(xué)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(xué)生對于活化能概念的認(rèn)知;在講解不可逆反應(yīng)動力學(xué)時,引入食品發(fā)酵過程反應(yīng)動力學(xué)的微視頻[6],引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)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(rèn)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(xué)帶來新的視聽學(xué)習(xí)體驗,激發(fā)探索興趣,而且能夠拓展了學(xué)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(xué)習(xí)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(xué)以致用。在化學(xué)反應(yīng)工程本科教學(xué)中,特別強調(diào)注重學(xué)生解決復(fù)雜化學(xué)工程問題的能力訓(xùn)練,但實際情況往往是學(xué)生在學(xué)習(xí)完本課程后不知道所學(xué)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(xùn)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(jìn)行教學(xué)設(shè)計,即在重要知識點的學(xué)習(xí)上配套工程案例作為支撐,在課堂教學(xué)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(zhǔn)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(xué)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(xùn)中反應(yīng)器操作的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合。此外,化工專業(yè)每年舉辦“全國大學(xué)生化工設(shè)計大賽”的為課程教學(xué)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(xué)生如何利用化學(xué)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(xué)反應(yīng)工程基本原理的具體應(yīng)用,能夠加深學(xué)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(xué)相輔的課外活動也有效提升了學(xué)生的實踐能力。如鼓勵和指導(dǎo)學(xué)生參與“互聯(lián)網(wǎng)+化學(xué)反應(yīng)工程”課模大賽,學(xué)生選擇與化學(xué)反應(yīng)工程的理論、反應(yīng)設(shè)計、過程優(yōu)化等進(jìn)行介紹,通過進(jìn)行動態(tài)講解,將所學(xué)所想展示在作品中,有效促進(jìn)了學(xué)生對反應(yīng)工程理論的理解和認(rèn)知。

2.4挖掘價值內(nèi)涵,課堂思政同步化

課堂教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)生,使學(xué)生在汲取知識、提升專業(yè)認(rèn)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。化學(xué)工程學(xué)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(xué)反應(yīng)工程教學(xué)內(nèi)容,選取與知識點相關(guān)的歷史、人物、事件等穿插進(jìn)課堂,帶領(lǐng)學(xué)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(xué)生[9]。例如在講述固體催化劑這一知識點時,結(jié)合學(xué)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(xué)生的課堂興趣,還可以從工程倫理角度向?qū)W生灌輸化學(xué)工程師的職業(yè)倫理責(zé)任和社會擔(dān)當(dāng)。再比如,中國的化學(xué)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(jìn)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(xué)習(xí)反應(yīng)器類型的時候,展示相關(guān)的視頻,學(xué)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(xué)科發(fā)展較好的思政元素。作為化工專業(yè)學(xué)生,應(yīng)該熟悉我國化學(xué)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(xué)生能夠從中了解他們對于我國化學(xué)工業(yè)的卓越貢獻(xiàn)和愛國精神、創(chuàng)新精神,也是對自身進(jìn)步的激勵。

3結(jié)論

化學(xué)反應(yīng)工程綜合性、工程性要求較高,也是化工專業(yè)學(xué)生專業(yè)課學(xué)習(xí)過程中較難的一門課程,而課堂教學(xué)作為本科教學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜化學(xué)工程問題的綜合能力,提升學(xué)生的思想修養(yǎng)和人文情懷,最終達(dá)成全面育人。課堂教學(xué)如何細(xì)致開展以及對課堂教學(xué)評價反饋結(jié)果的持續(xù)改進(jìn),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(xué) 石油化工學(xué)院