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化学反应工程教学改革与实践

2024-05-31 24 上传者：管理员

摘要：化学反应工程课程涉及多学科知识，对学生学习基础要求较高，传统教学模式难以满足高效课堂的要求。采用线上线下混合式教学，提高学生学习积极性。改革成绩评价方式，增加过程性考核比重，学生学习成绩得到改善。理论教学与专业实验环节相结合，提升学生的综合实践能力，近三年学生在化工专业学科竞赛中获得省级以上奖项40余项。改革效果明显。

关键词：
化学反应工程
成绩评价
教学改革实践
混合式教学
过程性考核
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化学反应工程是化学工程与工艺专业的必修课程，涉及化学、化工热力学、化学动力学、流体力学、传热、传质以及优化与控制等方面的知识，主要是运用热力学、动力学以及传递过程方面的知识对反应过程进行研究，以化学反应为核心，在工业设备尺寸下研究反应器的开发与设计[1]。化学反应工程学科体系十分复杂，且与数学、物理、化学等基础学科关系密切，对学生的学习基础要求较高，而本校学生生源质量一般，导致该课程的教学难度较大[2]。传统的讲授法很难达到预期的教学效果，学生学习积极性不高，课堂效率不高。针对教学实情，必须采取科学合理的应对措施，从教学方法、考核方法等方面寻求突破，处理好教学方法与教学质量的关系。基于OBE教学理念，根据化学反应工程学科特点和化工专业培养目标，研究化学反应工程教学模式，在实践中探索高效教学模式，以促进化学反应工程课程改革与发展，切实提升该课程的教学效果。

1、教学中存在的痛点问题分析

1.1 传统教学模式无法满足高效课堂的目的

传统的教师讲授式的教学方式主要是依靠教师的口头讲解把知识传递给学生，学生的课堂参与度较低，学习过程过于依赖老师，无法展示学生在学习中的主观能动性，且师生互动及生生互动的机会较少，造成教师对学生学习情况缺乏了解，无法针对问题做出实时反馈。通过教师在课堂上的讲解，学生能够对理论知识有所掌握，但无法真正地培养工程意识和实践精神，导致学生专业性不足，无法满足工作岗位的需求，课堂教学效果与行业的就业需求不匹配[3]。

1.2 课程体系庞大，学生基础知识薄弱，学习难度较大

化学反应工程课程既以化学反应为研究对象，也面对工程实际，要求把二者有机结合构成一个课程体系，其课程内容一般包括：化学反应工程体系、化学反应速率、均相反应器设计、非理想流动、催化剂和非均相反应器设计等。其知识体系庞大，内容复杂，而本校学生基础知识薄弱，学习能力一般，给授课过程带来了极大的挑战[4]。此外，化学反应工程涉及高等数学、四大化学、大学物理、大学英语等基础课程和化工原理等专业课程，需要用数学模型法进行模拟与设计计算，难度相对较大，而学生缺少对化工过程及化工设备的认知，该课程的学习对刚接触工程学科的学生来讲挑战较大。学习中的挫败感严重打击了学生学习的积极性，最终导致学生对本课程缺少学习兴趣、学习动力不足、期末考试成绩不理想。

1.3 工程实践能力没有得到真正锻炼

随着社会的快速发展，国家对应用型化工人才的需求越来越大。结合我校培养应用型人才的教学理念，化工专业学生学习成效仅靠理论教学难以满足国家对应用型人才的要求[5]。因此，必须不断加强化学反应工程的实践教学，帮助学生进一步巩固理论知识，培养学生的动手能力和创新能力，建立化学反应工程的意识和科研意识。通过实验和实践课程的学习，可以提高学生进行实验设计和数据处理的能力，为后续的毕业设计奠定基础。然而由于化工过程的复杂性和危险性，化学反应工程类实践教学的开展难度较大[6]，难以建立校内实践基地，原因主要是化工生产装置复杂庞大、成本高、维修难，化工操作过程存在一定的危险性，用到的化工原料常具有不稳定性，对操作环境及周围环境的要求比较严格。学生到校外基地进行实践也存在一些实际问题，由于化工企业的复杂性和危险性，为了保证学生的人身安全，在实习期间一般不允许学生亲自动手操作。化工设备自动化程度高，学生根本无法亲眼看到实际工作过程，致使单纯的校外企业实践很难达到预期的效果[7]。

2、教学改革方法与途径

2.1 打破传统课堂，采用线上线下混合式教学

教师在备课过程中在泛雅平台上建立课程，充实教学资源，从基础知识到拓展应用，从能力培养到价值引领为学生提供优质的、个性化的、不受时空限制的学习资源。以学生为中心，以提升教学效果为目的，运用合适的智能化教学工具，有效开展线上线下混合式教学。线上线下混合式教学不是某一章某一节的内容采用线上，另一节的内容采用线下，这属于线上线下拼接的教学模式，而是在组织线上线下教学的时候，全过程采用课前线上-课中线下-课后线上+线下“三步走”的教学模式。课前教师在泛雅平台发布学习任务单，明确本次课的自学内容及要求。学生根据学习任务单在线上学习平台自学本节课中的基本知识、概念，将自学过程中遇到的问题在泛雅平台发布，并完成相应的测试题。教师鼓励其他学生在线答疑。教师通过泛雅网络平台的课前学习数据，了解学生对基础知识的掌握情况，为课堂答疑做准备。课中教师让学生参与式学习、研讨式学习、项目式学习等多种教学方式，打破传统课堂“填鸭式”的教学模式，优化教学过程设计。丰富学习方式，加强师生互动、生生互动，采用任务驱动法着重培养学生综合运用知识解决工程实际问题的能力。利用泛雅平台抢答、选人等功能，打破沉默课堂，促进全员参与。课后教师利用泛雅平台获得互动数据和随堂测验数据，了解学生对重难点知识的掌握情况，有针对性地布置课后拓展作业。教师对学生课前在泛雅平台上发布的问题、回帖进行反馈。教师根据授课情况查找不足、持续改进，从教学设计、指导、组织、点评、目标达成度等方面进行信息收集，形成改进意见反馈给学生，发布在线上讨论区，组织学生讨论；学生根据自身学习情况和老师的反馈意见进行总结反思，并将结果在线上讨论区发布进行分享。在授课过程中，充分利用线上成绩即时反馈功能，实行阶段性的综合评分及排名，为落后学生有针对性推送资源，形成“比、学、赶、超”的学习氛围。

2.2 建立仿真实验室，课堂教学与专业实验相结合

仿真模拟是提高学生实践能力和创新能力的一种有效手段[8]。为了进一步提升学生对于化学反应工程理论知识的理解与掌握，学院配套建立了化学反应工程虚拟仿真实验室。利用虚拟仿真软件帮助学生验证课堂上的理论知识，并且仿真实验可以保证每个学生都能切身实际地参与到实验操作中，改变了传统的教学手段，促进理论与实践相结合。根据我院化工专业的特点和学生将来的主要就业方向，目前学院开设的化学反应工程实验有：管式反应器流动特性测定实验、多釜串联反应器返混测定实验、固定流化床实验、反应精馏制甲缩醛实验等。学生通过仿真实验操作，能更直观地理解课堂上所学的相关理论知识。课堂上讲到在测定了一个系统的停留时间分布后，要想评价其返混程度，需要借助反应器模型，比如多釜串联模型。学生对本知识点的理解不够深刻，导致随堂测验成绩不理想。而在多釜串联反应器返混测定实验中，通过三釜串联反应器中停留时间分布的测定，将数据计算结果用多釜串联模型来定量描述返混程度，从而认识限制返混的措施。在仿真实验过程中，每位学生都可以在图文并茂的DCS画面和现场画面上尝试不同的工艺流程操作方式，学生很直观地观察到了实验现象，并根据实验数据得到了实验结论。进而能够很好地理解返混对反应过程的影响，了解反应器的内部结构和传热传质知识，使学生对反应器的设计、放大、优化和控制建立了必要的感性认识，理解了理论课中强调的反应器在实际工业生产过程中的重要性，且提高了学生分析和解决复杂工程问题的能力，培养了学生的工程意识，增强了对所学专业的职业认同感。另外，实验过程中培养的动手能力对学生将来的深造或就业都有积极的促进作用，实验数据处理过程促使学生计算和绘图能力得到大幅度提升，实验报告的撰写过程使得学生分析和归纳问题的能力也得到较好的培养。同时教师通过仿真软件的评分系统了解学生运用理论知识操作化工设备情况，为进一步优化改进教学设计提供参考。

2.3 注重过程性考核，使考核主体多元化

改变以往平时成绩占比30%，期末成绩占比70%的评价方式，增加过程性考核占比，构建重过程付出、重素质能力提升的课程考核方式，激发学习自觉性。具体评价方式如图1所示。从图1可以看出，改革后过程性评价成绩占比60%，终结性考核成绩占比40%。以课程标准要求为考核依据，采用灵活多样的考核方式，在设置考核方式时，理论与实践结合，以考核专业知识、能力、素质目标达成度为考核任务，同时将课程思政内容纳入考核范围。

3、教学改革成效

3.1 学生学习积极性显著提高

针对两届化学反应工程授课对象，调研教改实施前后到课率的差异性。通过考勤系统导出学生到课率数据如表1所示。从表1可以看出，学生的到课率显著提高，其中全勤学生的比例由改革前的72%增加到87%。

3.2 学生学习成绩得到改善

为进一步了解化学反应工程教学改革方法与途径在实际教学中起到的效果，又调研了教改实施前后两届学生期末考试成绩的差异性，学生成绩对比情况如表2、图2所示。从表2可以看出，改革后学生期末总成绩的及格率由改革前的76.47%增加到97.65%，平均分由改革前的68.09增加到74.94，优良率由改革前的20%增加到29.41%，最低分由改革前的44分增加到56分。从图2可以看出，改革后学生的成绩更加符合正态分布。结果表明，实施教学改革后的学生成绩明显优于改革前的学生。

图1 课程评价体系图

表1 到课率统计

图2 学生期末成绩分布直方图

表2 学生期末成绩分布

3.3 学生综合实践能力得到提高

化学反应工程教学中的仿真训练使学生加深了对反应器选型与设计的认识，增强了对实际工业生产反应过程的计算与分析能力。鼓励化工专业学生积极参加全国大学生化工设计竞赛、山东省大学生化工过程创新设计竞赛、全国大学生化工过程数字创新竞赛等，近三年来共计获省级以上奖项40余项。其中获得全国大学生化工设计竞赛国家级二等奖3项、全国大学生化工过程数字创新竞赛二等奖1项。参赛过程中反应器的选型与计算是重难点，学生基于计算机软件完成工艺设计与优化、设备设计与计算、图纸绘制等，对学生运用化学反应工程知识的训练具有非常大的帮助。通过完整严格的竞赛训练，提高了学生的创新能力，促进培养具有创新能力、工程思维能力与独立解决问题能力的应用型化工人才。

4、结论

针对化学反应工程教学过程中存在的痛点问题，从教学方法、教学实践和课程考核等方面做出改革，并付诸实施。采用线上线下混合式教学的模式，充分发挥学生在学习中的“主人翁”作用，提高学生学习的积极性，学生到课率明显提高，自主学习能力得到提升。课程考核环节增加了过程性考核的比重，避免学生期末突击，增加对平时学习过程的重视。仿真操作的练习提升了学生的综合实践能力，实现学与用的结合，构建课程教学和课程实践一体的改革方案，关注学生的创新能力和实践能力培养。经过改革，化工专业学生近三年来在学科竞赛中共计获奖40余项，取得显著的成绩。对于化学反应工程课程的教学模式仍然需要不断进行探索和改进，才能在教学条件有限、生源质量一般的条件下走出一条卓有成效的教学之路，为地方性高校培养应用型化工人才提供参考。

参考文献:

[1]翁育靖,李莹超,毕文彦,等.新工科背景下化学反应工程课程体系改革探索[J].当代化工研究,2023(13):135-137.

[2]蔡永伟,全学军,杨鑫,等.地方本科院校化学反应工程核心课程教学改革和实践探究[J].云南化工,2023,50(05):154-156.

[3]郭俊江,唐石云,葛武杰.基于地方院校探讨化学反应工程课程教学改革[J].河南化工,2023,40(04):59-61.

[4]代弢,张嫦,冉茂飞,等.基于卓越工程师计划的“化学反应工程”课程教改的初探讨[J].广东化工,2018,45(17):236-237.

[5]彭博,廖业欣,刘彭如,等.新工科背景下的化学反应工程课程教学改革[J].化工管理,2023(22):40-43.

[6]田海锋,查飞,郭效军,等.新工科背景下《化学反应工程》课程教学改革与实践[J].当代化工研究,2021(19):122-124.

[7]侯珂珂.虚拟仿真在化学化工类专业实践教学中的应用探索与研究[J].安徽化工,2015,41(03):95-96.

[8]陈艳红,石会龙,姚媛媛.化学反应工程实践教学探索[J].广州化工,2020,48(01):121-122+151.

基金资助:2022年教育部产学合作协同育人项目(220901072293150); 齐鲁理工学院2021年度教学改革研究项目(GJG202106); 齐鲁理工学院2022年教学研究项目(MJG202204);

文章来源:解娅男,宗建平,王天振,等.化学反应工程教学改革与实践[J].广东化工,2024,51(10):170-171+197.