（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(duì)新一輪的科技、產(chǎn)業(yè)革命，教育部自2017年以來(lái)發(fā)布了“新工科”研究與實(shí)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(qiáng)國(guó)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(jì)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(jì)算機(jī)輔助軟件，這對(duì)工程類學(xué)科教學(xué)提出了新需求，進(jìn)而推動(dòng)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(shí)代教育學(xué)生的一大難題。將學(xué)科競(jìng)賽與課程教學(xué)相結(jié)合無(wú)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(duì)于傳統(tǒng)的化工類工科專業(yè)來(lái)說，“新工科”可以指代在原生專業(yè)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造和變革，只要對(duì)其教學(xué)理念和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行變革，就可使得化工專業(yè)在新工科的背景下與時(shí)俱進(jìn)、創(chuàng)新發(fā)展[2]?？偠灾?，與傳統(tǒng)工科相比，新工科更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)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(jì)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(shí)際生產(chǎn)為對(duì)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(jì)與分析，以實(shí)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(gè)化工舊瓶子里慢慢添加進(jìn)去一些新東西，久而久之，就會(huì)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(jìng)賽為實(shí)踐途徑，結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到推進(jìn)教學(xué)改革、提高學(xué)生工程實(shí)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(shí)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(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析兩個(gè)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(dòng)力學(xué)（稱宏觀動(dòng)力學(xué)）的方法和基本原理，掌握理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和分析，進(jìn)一步以宏觀動(dòng)力學(xué)和理想反應(yīng)器為基礎(chǔ)，對(duì)工業(yè)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)操作條件的確定及控制、模擬放大等進(jìn)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(dòng)手操作能力。本課程以化工熱力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)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(gè)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(dòng)力學(xué)到反應(yīng)器等，都有著從實(shí)驗(yàn)研究到通過計(jì)算機(jī)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(duì)該課程的印象都是內(nèi)容模塊較多，概念復(fù)雜抽象，計(jì)算繁瑣，同時(shí)難以掌握其核心內(nèi)容。對(duì)于剛接觸專業(yè)知識(shí)的化工類學(xué)生來(lái)說，其專業(yè)背景不足，很難把所學(xué)到的理論知識(shí)與實(shí)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(shí)為主要教學(xué)內(nèi)容，這難免會(huì)使學(xué)生無(wú)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(jì)、化工工業(yè)操作等實(shí)際問題時(shí)還是無(wú)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(jì)，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(diǎn)從傳授理論知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撆c實(shí)踐相結(jié)合，在授課過程中結(jié)合化工生產(chǎn)與發(fā)展實(shí)際，與課本知識(shí)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(shí)的同時(shí)了解學(xué)科的前沿理論與化學(xué)反應(yīng)器的新進(jìn)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(jiǎn)單，授課教師可能缺乏化工實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，照著書本傳授課程基本內(nèi)容，對(duì)實(shí)際化工過程出現(xiàn)的問題不能夠進(jìn)行關(guān)聯(lián)，課程內(nèi)容相對(duì)枯燥，學(xué)生不能夠直觀地進(jìn)行理解而導(dǎo)致課程教學(xué)效果一般。理論和實(shí)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(shí)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(yàn)累積，在授課過程中引入科研和化工生產(chǎn)案例，并對(duì)其工作原理和實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中遇到的問題進(jìn)行分析，并應(yīng)用理論知識(shí)提出解決方案，不僅加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)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(jìng)賽元素等方法和手段，這樣不但能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，更重要的是使學(xué)生熟悉課程理論在實(shí)際中的應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用課程知識(shí)開展實(shí)踐，形成良好的“教”“學(xué)”互動(dòng)循環(huán)，完善課程教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)改革、教學(xué)評(píng)價(jià)和反饋的持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。

(1)加強(qiáng)科研和化工生產(chǎn)案例分析在課程中的運(yùn)用

化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)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(yàn)。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(jìn)行結(jié)合，例如，在講授獨(dú)立反應(yīng)數(shù)時(shí)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(lái)確定其獨(dú)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(shí)，可以進(jìn)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(shí)，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(shí)施和控制密切關(guān)聯(lián)。科研案例和化工生產(chǎn)案例運(yùn)用到課程教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生將課程理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐中，加強(qiáng)了學(xué)生查閱文獻(xiàn)、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(dòng)。

(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(qiáng)調(diào)化學(xué)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)以及化工過程反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作穩(wěn)定性，課程內(nèi)容傳授的基本原理，但無(wú)法讓學(xué)生有直觀的認(rèn)識(shí)。利用化工過程模擬軟件是實(shí)現(xiàn)理論和化工實(shí)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(dòng)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(shí)場(chǎng)景的模擬過程，能有效降低復(fù)雜的推導(dǎo)和計(jì)算過程，使反應(yīng)器設(shè)計(jì)和反應(yīng)過程更具體，避免理論知識(shí)傳授的抽象化，有利于加深學(xué)生對(duì)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(lái)越重視信息化和計(jì)算機(jī)技術(shù)，作為傳統(tǒng)制造業(yè)的化工更應(yīng)進(jìn)行升級(jí)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(jì)競(jìng)賽、化工實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)科類競(jìng)賽的必備技能，也是新一輪科學(xué)技術(shù)革命形勢(shì)下化工類專業(yè)學(xué)生對(duì)自身更高的專業(yè)素養(yǎng)要求。

(3)引入學(xué)科類競(jìng)賽元素，推進(jìn)課程實(shí)踐應(yīng)用

在授課過程中引入大學(xué)生化工設(shè)計(jì)、“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)等系列化工類學(xué)科競(jìng)賽，這些競(jìng)賽都能用到如化學(xué)反應(yīng)原理、化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)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(lái)動(dòng)態(tài)講解和展示，能夠很好地調(diào)動(dòng)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(jìng)賽中結(jié)合課堂所學(xué)，利用計(jì)算機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)模擬等手段，推進(jìn)課程實(shí)踐應(yīng)用。

3.化學(xué)反應(yīng)工程課程在化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的實(shí)踐

我們?cè)诨瘜W(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(shí)驗(yàn)教學(xué)、工程實(shí)習(xí)相結(jié)合等方式外，也將學(xué)科競(jìng)賽引入課堂，通過對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面的創(chuàng)新能力訓(xùn)練，完善了學(xué)生的課程知識(shí)體系。近三年來(lái)，本專業(yè)學(xué)生榮獲“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽全國(guó)一等獎(jiǎng)、大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽全國(guó)一等獎(jiǎng)、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(jìng)賽省部級(jí)以上獎(jiǎng)項(xiàng)近40項(xiàng)，專業(yè)課程在學(xué)科類競(jìng)賽中有重要的理論支持作用。

全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，增強(qiáng)大學(xué)生的工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力，化學(xué)反應(yīng)工程這門課程在設(shè)計(jì)過程中起著十分關(guān)鍵的作用。通過競(jìng)賽學(xué)生需要用到Aspen Plus、Matlab、Auto CAD等軟件[13-14]。對(duì)一個(gè)反應(yīng)流程，在學(xué)生查閱文獻(xiàn)對(duì)流程進(jìn)行利用Aspen Plus設(shè)計(jì)和搭建模型之后，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)變成了重點(diǎn)，對(duì)于反應(yīng)器設(shè)計(jì)，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(diǎn)。在設(shè)計(jì)的過程中，對(duì)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(jìn)行嚴(yán)格的控制。整個(gè)比賽中，學(xué)生需要將反應(yīng)工程中的原理和性質(zhì)運(yùn)用于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)過程中。將平時(shí)的計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)榱塑浖K的選擇。使得學(xué)生對(duì)反應(yīng)器的認(rèn)知更加形象化，有助于學(xué)生對(duì)反應(yīng)過程的理解并激發(fā)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣。

以第十四屆化工設(shè)計(jì)大賽“為某大型化工企業(yè)設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)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(shí)際搭建模型時(shí)，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(zhǎng)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(jì)等問題。學(xué)生們?cè)诨瘜W(xué)反應(yīng)工程，化工原理等學(xué)科中將涉及到的知識(shí)進(jìn)行查找，對(duì)以上參數(shù)進(jìn)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(jìng)賽，將化工熱點(diǎn)問題與課堂教學(xué)相聯(lián)系，同時(shí)讓學(xué)生將各個(gè)學(xué)科的知識(shí)聯(lián)系在了一起，讓更多的計(jì)算機(jī)知識(shí)融入反應(yīng)工程的課堂教學(xué)。

在化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽指導(dǎo)過程中，切實(shí)把化學(xué)反應(yīng)工程的課程思政內(nèi)容貫穿其中，強(qiáng)調(diào)新時(shí)代化工類學(xué)生應(yīng)有的價(jià)值觀、社會(huì)責(zé)任感和職業(yè)道德。例如，在流程方案的選擇時(shí)，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(jì)與選型時(shí)，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(jì)成本和效益時(shí)，秉承誠(chéng)實(shí)正直的品質(zhì)，確保獲取數(shù)據(jù)的來(lái)源真實(shí)且可靠。因此，在課程教學(xué)中融合設(shè)計(jì)競(jìng)賽內(nèi)容，把看似和本課程毫無(wú)關(guān)聯(lián)的社會(huì)主義核心價(jià)值觀融入到課程中，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)傳授與價(jià)值引領(lǐng)的有機(jī)統(tǒng)一，從而使學(xué)生增強(qiáng)化工專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，立足課程，培養(yǎng)踏實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)、追求卓越、心系社會(huì)的優(yōu)秀品質(zhì)，成為新時(shí)代有擔(dān)當(dāng)?shù)母呒?jí)工程技術(shù)人才。

4.結(jié)語(yǔ)

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(shí)，同時(shí)也需要學(xué)會(huì)應(yīng)用所學(xué)解決實(shí)際工業(yè)工程問題，培養(yǎng)自己動(dòng)手操作的能力和獨(dú)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(jì)大賽等競(jìng)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(dòng)理論聯(lián)系實(shí)際，而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)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(jìng)賽的作用，對(duì)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(jìng)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(yùn)用水平。通過二者的結(jié)合，對(duì)教師本身的知識(shí)儲(chǔ)備也有不斷審視的作用。工程改變世界，行動(dòng)創(chuàng)造未來(lái)。在新工科的背景下，傳統(tǒng)的教育方式已不能滿足新時(shí)代的需要。隨著工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、總體競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)賽與教學(xué)相融合，更加注重計(jì)算機(jī)軟件在課堂中的作用，更加注重以學(xué)生為中心，強(qiáng)化實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)，使教學(xué)過程不再是簡(jiǎn)單的傳授理論知識(shí)，而是訓(xùn)練學(xué)生的思維方式、分析能力以及實(shí)踐能力，讓學(xué)生不僅有能力把所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于解決現(xiàn)有的實(shí)際生活問題，還有能力學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)去解決未來(lái)發(fā)展過程中遇到的問題。新時(shí)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(shí)俱進(jìn)，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(jìng)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。