丁 鶴，蓋世麗，賀 飛

（哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

新工科建設(shè)是在“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的基礎(chǔ)上提出的一項持續(xù)深化工程教育改革的重大行動計劃，其時代特征鮮明，呈現(xiàn)多學(xué)科交叉、多主體參與的特點。為了應(yīng)對新的經(jīng)濟挑戰(zhàn)，高等教育院校仍需深入推進(jìn)新工科建設(shè)行動方案，以培養(yǎng)出能治國安邦的人才和全面發(fā)展的高級專業(yè)人才為高等教育的最終目標(biāo)。其中，專業(yè)教育是人才培養(yǎng)的基本單元，是建設(shè)高水平本科教育、培養(yǎng)一流人才的“四梁八柱”。為了適應(yīng)新工科建設(shè)的需要，創(chuàng)新人才培養(yǎng)方式，不斷深化教學(xué)改革，運用新的教學(xué)理念和教學(xué)方式十分有必要。

在高等教育教學(xué)改革進(jìn)程中，案例教學(xué)法受到一線教師的關(guān)注，使其在專業(yè)課程教學(xué)實踐中得到廣泛應(yīng)用［1-3］。案例教學(xué)法的應(yīng)用不應(yīng)脫離具體的教學(xué)過程和教學(xué)情境［4］，因此精心挑選教學(xué)案例，基于教學(xué)內(nèi)容設(shè)置案例導(dǎo)入問題，將課程知識點與案例內(nèi)容緊密結(jié)合，并系統(tǒng)梳理案例在教學(xué)實施不同階段的任務(wù)和要點，最后評估案例教學(xué)成效，形成案例教學(xué)“設(shè)計—引入—實施—評估”的教學(xué)閉環(huán)十分關(guān)鍵。

“化學(xué)反應(yīng)工程”是化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生的核心必修課，課程主要研究“化學(xué)反應(yīng)工程”的科學(xué)問題，并據(jù)此進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)器的選型、設(shè)計及分析。基于“化學(xué)反應(yīng)工程”進(jìn)行案例教學(xué)法應(yīng)用探索，對培養(yǎng)化工類高素質(zhì)人才具有重要意義［5］。

一、案例教學(xué)法的分類

（一）經(jīng)典案例教學(xué)法

經(jīng)典案例教學(xué)法指以哈佛商學(xué)院等為代表的有統(tǒng)一教學(xué)規(guī)范、明確教學(xué)目標(biāo)及專門案例選擇的案例教學(xué)法［6］。經(jīng)典案例教學(xué)法的案例教學(xué)庫以真實事件為背景，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的案例寫作、測試及評審后收錄于教學(xué)案例資源庫中。經(jīng)典案例教學(xué)法要求教師注重教學(xué)過程的規(guī)范性，要求學(xué)生在課前完成充分的自我學(xué)習(xí)。

（二）項目案例教學(xué)法

項目案例教學(xué)法以問題為導(dǎo)向，側(cè)重于對現(xiàn)實問題、具體任務(wù)提出解決方案［6］。項目案例可為實例，從解決實際問題的角度出發(fā)，項目案例教學(xué)具有手段和目的的兩重性。由于實際問題通常是具體且個性化的，因此案例教學(xué)法要求教師具備扎實的行業(yè)功底和實踐經(jīng)驗。此外，項目案例教學(xué)法將占用學(xué)生更多的課后時間，這也是解決實際問題的客觀要求。

（三）傳統(tǒng)案例教學(xué)法

傳統(tǒng)案例教學(xué)法是基于講授式教學(xué)，通過引入、演化、創(chuàng)新等過程形成的案例教學(xué)法［6］。傳統(tǒng)案例教學(xué)法具有靈活多樣的特點，更側(cè)重于知識的傳遞和對課堂教學(xué)成效的綜合評價。教師的教學(xué)案例選擇彈性較大，所選案例的時效性、針對性、規(guī)范性及一致性給教學(xué)過程帶來了挑戰(zhàn)。

二、“化學(xué)反應(yīng)工程”課程教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)痛點分析

化學(xué)反應(yīng)工程是一門研究化學(xué)反應(yīng)工程問題的科學(xué)，其基本任務(wù)是通過對化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和物理傳遞過程的特性及其相互作用規(guī)律的研究，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)器分析、化學(xué)反應(yīng)器的選型及設(shè)計計算，并提出最佳設(shè)計方案，從而使一個化學(xué)反應(yīng)過程更加經(jīng)濟、合理地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

具體課程目標(biāo)：（1）熟練掌握工業(yè)反應(yīng)器宏觀動力學(xué)模型及流動模型，運用化學(xué)反應(yīng)過程與動量、質(zhì)量、熱量傳遞交互作用的基本規(guī)律，研究工程因素對反應(yīng)結(jié)果的影響。（2）能夠根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的特征及各種類型反應(yīng)器的傳遞特征確定反應(yīng)器的選型和操作條件等，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行反應(yīng)工程的研究和反應(yīng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，針對化工領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題明確設(shè)計需求，設(shè)計解決方案。（3）具備對反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計的能力，深刻認(rèn)識各類反應(yīng)器的特點和作用，掌握根據(jù)各種化學(xué)反應(yīng)的特征確定反應(yīng)器的類型和操作條件，能夠針對化工領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題設(shè)計實驗方案、工藝方案和技術(shù)參數(shù)。（4）能夠理解工程師對公眾安全及環(huán)境保護的社會責(zé)任，能夠根據(jù)各方面的有關(guān)因素提出優(yōu)化設(shè)計和操作方案，通過工程放大和優(yōu)化方法制定并優(yōu)化工業(yè)反應(yīng)及生產(chǎn)操作過程。

教學(xué)難點及痛點：（1）課程知識點繁雜。課程涉及多門專業(yè)課的知識，知識點多且復(fù)雜，具有較強的理論性和專業(yè)性，是對化學(xué)反應(yīng)過程與動量傳遞、質(zhì)量傳遞、熱量傳遞相互作用的宏觀反應(yīng)過程的分析。（2）學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力薄弱。課程需要學(xué)生具有較強的反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型建立及分析能力，具體指學(xué)生能夠應(yīng)用理論推演和實驗研究工業(yè)反應(yīng)過程的規(guī)律而建立數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗進(jìn)行工程分析和設(shè)計。（3）學(xué)生工程意識培養(yǎng)難。課程強調(diào)學(xué)生工程意識的建立，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題的能力，如能夠綜合利用反應(yīng)器模型模擬復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程，并能夠根據(jù)具體的化學(xué)生產(chǎn)工藝進(jìn)行反應(yīng)器選型及尺寸計算、操作方式及操作條件的設(shè)置。

三、案例教學(xué)法在“化學(xué)反應(yīng)工程”課程中的應(yīng)用探索

（一）教學(xué)設(shè)計

為了實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，使學(xué)生深刻理解反應(yīng)器選型對化工生產(chǎn)的重要性，教師精心選擇工業(yè)生產(chǎn)案例，有針對性地就生產(chǎn)案例中的反應(yīng)器設(shè)計創(chuàng)新部分進(jìn)行提煉。首先，所選生產(chǎn)工藝應(yīng)符合當(dāng)今化工行業(yè)發(fā)展綠色環(huán)保的要求，培養(yǎng)學(xué)生“綠色化工”環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展意識。其次，所選案例應(yīng)具有典型性和代表性，能從案例中提煉出一般性知識和結(jié)論。最后，所選案例應(yīng)具有一定的高階性和科研創(chuàng)新性，使學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)工程創(chuàng)新發(fā)展方向有一定的了解。最重要的是應(yīng)秉承綜合性的原則，考慮學(xué)生當(dāng)下的學(xué)習(xí)認(rèn)知度和學(xué)習(xí)能力，以及課堂討論效果，合理選擇案例教學(xué)內(nèi)容。

（二）教學(xué)實施過程

形成案例教學(xué)“設(shè)計—引入—實施—評估”的教學(xué)閉環(huán)有助于提高教學(xué)效果，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。其中，教學(xué)實施過程是案例教學(xué)的關(guān)鍵。

1.知識點學(xué)習(xí)。教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)大綱的要求將教學(xué)知識點告知學(xué)生，以“反應(yīng)器選型”這一知識點為例，其包含的內(nèi)容如下：（1）間歇釜式反應(yīng)器。釜式反應(yīng)器大都用于完全互溶的液相或呈兩相的液-液相及液-固相反應(yīng)物系在間歇狀態(tài)下的操作。間歇反應(yīng)器操作具有如下特點：一是反應(yīng)器內(nèi)的物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度處處相等。二是反應(yīng)器內(nèi)具有足夠強的傳熱條件，反應(yīng)器內(nèi)各處溫度相等。三是反應(yīng)器內(nèi)物料具有相同的反應(yīng)時間。間歇及連續(xù)流動的釜式反應(yīng)器廣泛用于含液相反應(yīng)物料的系統(tǒng)，如精細(xì)合成中的液相反應(yīng)及液-液非均相反應(yīng)，有色冶金及化學(xué)礦加工中的液-固相反應(yīng)，生物反應(yīng)中的微生物發(fā)酵反應(yīng)，聚合物生產(chǎn)中的乳液及懸浮液聚合，氣-液-固非催化及催化的三相反應(yīng)及油脂加氫或有機物氧化的氣-液相反應(yīng)等過程。（2）平推流均相管式反應(yīng)器。若物料在反應(yīng)器內(nèi)徑向速度分布均勻，反應(yīng)器內(nèi)沒有返混，這種理想流動稱為平推流。管式反應(yīng)器中的物系處于湍流狀態(tài)，且反應(yīng)器管長遠(yuǎn)大于管徑時，可近似為平推流反應(yīng)器。連續(xù)操作的平推流反應(yīng)器特點如下：一是定態(tài)操作時，反應(yīng)器的徑向截面上的物料參數(shù)（濃度、溫度等）沿著物料流動方向變化，與時間無關(guān)。二是物料在反應(yīng)器內(nèi)徑向速度分布均勻，反應(yīng)速率變化只限于軸向。三是反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間相同。（3）連續(xù)流動釜式反應(yīng)器。連續(xù)流動釜式反應(yīng)器在強烈攪拌的情況下可視為全混流反應(yīng)器，反應(yīng)物料連續(xù)地加入和流出反應(yīng)器，不存在間歇操作過程中的輔助時間的問題。連續(xù)流動釜式反應(yīng)器反應(yīng)特征如下：一是反應(yīng)物濃度處于出口狀態(tài)的低濃度，反應(yīng)產(chǎn)物濃度處于出口狀態(tài)的高濃度。二是反應(yīng)器內(nèi)物料返混程度最大。三是反應(yīng)器內(nèi)的物料參數(shù)（濃度、溫度等）不隨時間變化。（4）固定床反應(yīng)器。凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱為固定床反應(yīng)器（外形、結(jié)構(gòu)與填料塔類似），床層內(nèi)流體流動接近于平推流。

2.案例背景分析。教師布置案例，明確案例背景，如在“反應(yīng)器選型”這一知識點的教學(xué)過程中，以工業(yè)生產(chǎn)中微生物發(fā)酵法制備丙烯酰胺這一工藝流程的反應(yīng)器選型為例，通過生產(chǎn)工藝改進(jìn)過程中反應(yīng)器選型的優(yōu)化，介紹反應(yīng)器選型對化工生產(chǎn)的重要性。

案例背景：丙烯酰胺作為一種重要的化工產(chǎn)品，主要用于制造水溶性聚合物——聚丙烯酰胺。20世紀(jì)70年代，用生化工程法生產(chǎn)丙烯酰胺逐步發(fā)展起來。1979年，日本的渡邊一郎等人使用棒狀桿菌屬和諾卡氏菌屬，在15℃以下的反應(yīng)條件中生產(chǎn)得到的丙烯酰胺含量可達(dá)20%～30%。1985年，日本日東化學(xué)工業(yè)公司在橫濱廠建成年產(chǎn)4000噸的丙烯酰胺裝置，開始了丙烯酰胺的生化法工業(yè)生產(chǎn)。中國上海生物化學(xué)工程研究中心已完成了微生物催化法生產(chǎn)丙烯酰胺的中試研究。2000年，山東勝利油田建成并投產(chǎn)萬噸級微生物法生產(chǎn)丙烯酰胺及配套聚丙烯酰胺的工業(yè)裝置。

3.案例分析與討論。針對聚丙烯酰胺的工業(yè)化過程發(fā)展史，在“反應(yīng)器選型”這一知識點的教學(xué)過程中，教師與學(xué)生就以下幾個問題進(jìn)行了深入探討：（1）聚丙烯酰胺工業(yè)化生產(chǎn)反應(yīng)器選型的依據(jù)是什么？（2）目前已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的聚丙烯酰胺微生物發(fā)酵法采用哪種反應(yīng)器？使用不同種反應(yīng)器的優(yōu)缺點分別是什么？反應(yīng)器的設(shè)計與應(yīng)用通過哪種工程因素影響了生產(chǎn)工藝的收率？（3）你認(rèn)為未來哪種反應(yīng)器類型在工業(yè)微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙烯酰胺具有重要的價值？當(dāng)前尚需解決的反應(yīng)器設(shè)計問題是什么？

反應(yīng)器選型：（1）間歇釜式反應(yīng)器。目前工業(yè)化的丙烯酰胺微生物轉(zhuǎn)化過程主要在攪拌反應(yīng)罐內(nèi)實現(xiàn)，采用間歇操作的方式。該反應(yīng)方式存在細(xì)胞易破碎、生產(chǎn)過程不連續(xù)、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率不高等問題。（2）填充床反應(yīng)器。Jun Sik Hwang和Ho Nam Chang等報道了填充床采用“批式流+丙烯腈”的生產(chǎn)方式。該生產(chǎn)方式存在反應(yīng)原料和生物催化劑的接觸不充分、傳質(zhì)速率受限、反應(yīng)速率低、反應(yīng)放熱等不利影響，該填充床的生產(chǎn)效率比較低。1990年，Ho Nam Chang等又開發(fā)了在分兩端的固定化細(xì)胞填充床中進(jìn)行批式循環(huán)流加的生產(chǎn)工藝。（3）密集多相流反應(yīng)器。1991年，Bernet N等應(yīng)用密集多相流反應(yīng)器進(jìn)行丙烯酰胺微生物轉(zhuǎn)化過程。通過空氣流動保持粒子處于流動狀態(tài)，增加混合度。該生產(chǎn)方式具有空氣流量較小、流動相內(nèi)部混合均勻、固定相含量較高的優(yōu)點，但空氣的存在會加速腈水合酶失去活力。隨后，Arnaud等人繼續(xù)開發(fā)了密集兩相流化技術(shù)，避免了空氣的引入，實現(xiàn)了較高的轉(zhuǎn)化率。（4）膜生物反應(yīng)器。1987年，Jun Sik Hwang和Ho Nam Chang等利用雙層中空纖維結(jié)構(gòu)的生物反應(yīng)器進(jìn)行聚丙烯酰胺微生物轉(zhuǎn)化過程。采用的雙層中空纖維以聚酮為外層，以聚丙烯為內(nèi)層。這種形式的反應(yīng)器將細(xì)胞培養(yǎng)和酶催化反應(yīng)進(jìn)行了整合，實現(xiàn)了反應(yīng)過程的連續(xù)化。此外，中空纖維反應(yīng)器有效分隔了高濃度底物和酶，提高了酶的催化反應(yīng)效率。

（三）課程思政

將生物技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)的產(chǎn)業(yè)被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一。2021年6月1日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《關(guān)于加強高耗能、高排放建設(shè)項目生態(tài)環(huán)境源頭防控的指導(dǎo)意見》（以下簡稱《意見》），堅決遏制高耗能、高排放項目的盲目發(fā)展，推動了綠色轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展［7］?！兑庖姟返某雠_進(jìn)一步提高了化工行業(yè)的準(zhǔn)入門檻，要求企業(yè)加快現(xiàn)有項目的轉(zhuǎn)型升級和淘汰，對生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。通過反應(yīng)器選型這一知識點的案例教學(xué)可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程師意識，使本專業(yè)學(xué)生在未來從事化工生產(chǎn)時能夠綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化及環(huán)境等因素。

（四）教學(xué)效果

學(xué)生在課前能夠充分調(diào)研各種反應(yīng)器類型在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用實例，對“反應(yīng)器選型”的重要性有了一定的了解，授課過程中學(xué)生對這一部分知識點的掌握較為牢固。此外，在針對微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙烯酰胺工藝發(fā)展歷程的調(diào)研過程中，學(xué)生能夠橫向?qū)Ρ榷喾N類型反應(yīng)器在實際生產(chǎn)過程中的優(yōu)缺點，并意識到反應(yīng)器選型對實際生產(chǎn)的影響。在教學(xué)過程中，通過生產(chǎn)實例教學(xué)，能夠吸引學(xué)生的注意力；問題導(dǎo)入式的案例教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生思考和分析問題的主動性，充分調(diào)動課堂氛圍；實例教學(xué)初步培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識，從課本中看到了化學(xué)生產(chǎn)工藝的科研創(chuàng)新。案例教學(xué)法在“化學(xué)反應(yīng)工程”課程中的“反應(yīng)器選型”這一知識點的教學(xué)應(yīng)用探索初見成效。

結(jié)語

在“化學(xué)反應(yīng)工程”課程的教學(xué)過程中運用案例教學(xué)法，需要授課教師精心選擇案例，并設(shè)計導(dǎo)入問題，將教學(xué)內(nèi)容與實際案例科學(xué)有效地結(jié)合起來。此外，可將案例教學(xué)與其他教學(xué)手段相結(jié)合，如新媒體教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、虛擬仿真實驗等，進(jìn)一步提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨立思考的能力，通過“理論—分析—實踐—理論”的閉環(huán)教育模式提升“化學(xué)反應(yīng)工程”課程的教學(xué)效果，為我國化工行業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)綜合型人才。