丁 鹤，盖世丽，贺 飞

（哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

新工科建设是在“卓越工程师教育培养计划”的基础上提出的一项持续深化工程教育改革的重大行动计划，其时代特征鲜明，呈现多学科交叉、多主体参与的特点。为了应对新的经济挑战，高等教育院校仍需深入推进新工科建设行动方案，以培养出能治国安邦的人才和全面发展的高级专业人才为高等教育的最终目标。其中，专业教育是人才培养的基本单元，是建设高水平本科教育、培养一流人才的“四梁八柱”。为了适应新工科建设的需要，创新人才培养方式，不断深化教学改革，运用新的教学理念和教学方式十分有必要。

在高等教育教学改革进程中，案例教学法受到一线教师的关注，使其在专业课程教学实践中得到广泛应用［1-3］。案例教学法的应用不应脱离具体的教学过程和教学情境［4］，因此精心挑选教学案例，基于教学内容设置案例导入问题，将课程知识点与案例内容紧密结合，并系统梳理案例在教学实施不同阶段的任务和要点，最后评估案例教学成效，形成案例教学“设计—引入—实施—评估”的教学闭环十分关键。

“化学反应工程”是化学工程与工艺专业学生的核心必修课，课程主要研究“化学反应工程”的科学问题，并据此进行化学反应器的选型、设计及分析。基于“化学反应工程”进行案例教学法应用探索，对培养化工类高素质人才具有重要意义［5］。

一、案例教学法的分类

（一）经典案例教学法

经典案例教学法指以哈佛商学院等为代表的有统一教学规范、明确教学目标及专门案例选择的案例教学法［6］。经典案例教学法的案例教学库以真实事件为背景，经过标准化的案例写作、测试及评审后收录于教学案例资源库中。经典案例教学法要求教师注重教学过程的规范性，要求学生在课前完成充分的自我学习。

（二）项目案例教学法

项目案例教学法以问题为导向，侧重于对现实问题、具体任务提出解决方案［6］。项目案例可为实例，从解决实际问题的角度出发，项目案例教学具有手段和目的的两重性。由于实际问题通常是具体且个性化的，因此案例教学法要求教师具备扎实的行业功底和实践经验。此外，项目案例教学法将占用学生更多的课后时间，这也是解决实际问题的客观要求。

（三）传统案例教学法

传统案例教学法是基于讲授式教学，通过引入、演化、创新等过程形成的案例教学法［6］。传统案例教学法具有灵活多样的特点，更侧重于知识的传递和对课堂教学成效的综合评价。教师的教学案例选择弹性较大，所选案例的时效性、针对性、规范性及一致性给教学过程带来了挑战。

二、“化学反应工程”课程教学目标及教学痛点分析

化学反应工程是一门研究化学反应工程问题的科学，其基本任务是通过对化学反应动力学和物理传递过程的特性及其相互作用规律的研究，进行化学反应器分析、化学反应器的选型及设计计算，并提出最佳设计方案，从而使一个化学反应过程更加经济、合理地应用于工业生产中。

具体课程目标：（1）熟练掌握工业反应器宏观动力学模型及流动模型，运用化学反应过程与动量、质量、热量传递交互作用的基本规律，研究工程因素对反应结果的影响。（2）能够根据化学反应的特征及各种类型反应器的传递特征确定反应器的选型和操作条件等，应用数学模型法进行反应工程的研究和反应系统优化设计，针对化工领域的复杂工程问题明确设计需求，设计解决方案。（3）具备对反应系统进行分析与设计的能力，深刻认识各类反应器的特点和作用，掌握根据各种化学反应的特征确定反应器的类型和操作条件，能够针对化工领域的复杂工程问题设计实验方案、工艺方案和技术参数。（4）能够理解工程师对公众安全及环境保护的社会责任，能够根据各方面的有关因素提出优化设计和操作方案，通过工程放大和优化方法制定并优化工业反应及生产操作过程。

教学难点及痛点：（1）课程知识点繁杂。课程涉及多门专业课的知识，知识点多且复杂，具有较强的理论性和专业性，是对化学反应过程与动量传递、质量传递、热量传递相互作用的宏观反应过程的分析。（2）学生数学建模能力薄弱。课程需要学生具有较强的反应器数学模型建立及分析能力，具体指学生能够应用理论推演和实验研究工业反应过程的规律而建立数学模型，并结合工程实践经验进行工程分析和设计。（3）学生工程意识培养难。课程强调学生工程意识的建立，培养学生利用所学知识解决复杂工程问题的能力，如能够综合利用反应器模型模拟复杂的工业生产过程，并能够根据具体的化学生产工艺进行反应器选型及尺寸计算、操作方式及操作条件的设置。

三、案例教学法在“化学反应工程”课程中的应用探索

（一）教学设计

为了实现教学目标，使学生深刻理解反应器选型对化工生产的重要性，教师精心选择工业生产案例，有针对性地就生产案例中的反应器设计创新部分进行提炼。首先，所选生产工艺应符合当今化工行业发展绿色环保的要求，培养学生“绿色化工”环境保护和可持续发展意识。其次，所选案例应具有典型性和代表性，能从案例中提炼出一般性知识和结论。最后，所选案例应具有一定的高阶性和科研创新性，使学生对化学反应工程创新发展方向有一定的了解。最重要的是应秉承综合性的原则，考虑学生当下的学习认知度和学习能力，以及课堂讨论效果，合理选择案例教学内容。

（二）教学实施过程

形成案例教学“设计—引入—实施—评估”的教学闭环有助于提高教学效果，提高人才培养质量。其中，教学实施过程是案例教学的关键。

1.知识点学习。教师应根据教学大纲的要求将教学知识点告知学生，以“反应器选型”这一知识点为例，其包含的内容如下：（1）间歇釜式反应器。釜式反应器大都用于完全互溶的液相或呈两相的液-液相及液-固相反应物系在间歇状态下的操作。间歇反应器操作具有如下特点：一是反应器内的物料浓度达到分子尺度上的均匀，反应器内物料浓度处处相等。二是反应器内具有足够强的传热条件，反应器内各处温度相等。三是反应器内物料具有相同的反应时间。间歇及连续流动的釜式反应器广泛用于含液相反应物料的系统，如精细合成中的液相反应及液-液非均相反应，有色冶金及化学矿加工中的液-固相反应，生物反应中的微生物发酵反应，聚合物生产中的乳液及悬浮液聚合，气-液-固非催化及催化的三相反应及油脂加氢或有机物氧化的气-液相反应等过程。（2）平推流均相管式反应器。若物料在反应器内径向速度分布均匀，反应器内没有返混，这种理想流动称为平推流。管式反应器中的物系处于湍流状态，且反应器管长远大于管径时，可近似为平推流反应器。连续操作的平推流反应器特点如下：一是定态操作时，反应器的径向截面上的物料参数（浓度、温度等）沿着物料流动方向变化，与时间无关。二是物料在反应器内径向速度分布均匀，反应速率变化只限于轴向。三是反应物料在反应器内停留时间相同。（3）连续流动釜式反应器。连续流动釜式反应器在强烈搅拌的情况下可视为全混流反应器，反应物料连续地加入和流出反应器，不存在间歇操作过程中的辅助时间的问题。连续流动釜式反应器反应特征如下：一是反应物浓度处于出口状态的低浓度，反应产物浓度处于出口状态的高浓度。二是反应器内物料返混程度最大。三是反应器内的物料参数（浓度、温度等）不随时间变化。（4）固定床反应器。凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称为固定床反应器（外形、结构与填料塔类似），床层内流体流动接近于平推流。

2.案例背景分析。教师布置案例，明确案例背景，如在“反应器选型”这一知识点的教学过程中，以工业生产中微生物发酵法制备丙烯酰胺这一工艺流程的反应器选型为例，通过生产工艺改进过程中反应器选型的优化，介绍反应器选型对化工生产的重要性。

案例背景：丙烯酰胺作为一种重要的化工产品，主要用于制造水溶性聚合物——聚丙烯酰胺。20世纪70年代，用生化工程法生产丙烯酰胺逐步发展起来。1979年，日本的渡边一郎等人使用棒状杆菌属和诺卡氏菌属，在15℃以下的反应条件中生产得到的丙烯酰胺含量可达20%～30%。1985年，日本日东化学工业公司在横滨厂建成年产4000吨的丙烯酰胺装置，开始了丙烯酰胺的生化法工业生产。中国上海生物化学工程研究中心已完成了微生物催化法生产丙烯酰胺的中试研究。2000年，山东胜利油田建成并投产万吨级微生物法生产丙烯酰胺及配套聚丙烯酰胺的工业装置。

3.案例分析与讨论。针对聚丙烯酰胺的工业化过程发展史，在“反应器选型”这一知识点的教学过程中，教师与学生就以下几个问题进行了深入探讨：（1）聚丙烯酰胺工业化生产反应器选型的依据是什么？（2）目前已经实现工业化生产的聚丙烯酰胺微生物发酵法采用哪种反应器？使用不同种反应器的优缺点分别是什么？反应器的设计与应用通过哪种工程因素影响了生产工艺的收率？（3）你认为未来哪种反应器类型在工业微生物发酵法生产丙烯酰胺具有重要的价值？当前尚需解决的反应器设计问题是什么？

反应器选型：（1）间歇釜式反应器。目前工业化的丙烯酰胺微生物转化过程主要在搅拌反应罐内实现，采用间歇操作的方式。该反应方式存在细胞易破碎、生产过程不连续、产品质量不稳定、生产效率不高等问题。（2）填充床反应器。Jun Sik Hwang和Ho Nam Chang等报道了填充床采用“批式流+丙烯腈”的生产方式。该生产方式存在反应原料和生物催化剂的接触不充分、传质速率受限、反应速率低、反应放热等不利影响，该填充床的生产效率比较低。1990年，Ho Nam Chang等又开发了在分两端的固定化细胞填充床中进行批式循环流加的生产工艺。（3）密集多相流反应器。1991年，Bernet N等应用密集多相流反应器进行丙烯酰胺微生物转化过程。通过空气流动保持粒子处于流动状态，增加混合度。该生产方式具有空气流量较小、流动相内部混合均匀、固定相含量较高的优点，但空气的存在会加速腈水合酶失去活力。随后，Arnaud等人继续开发了密集两相流化技术，避免了空气的引入，实现了较高的转化率。（4）膜生物反应器。1987年，Jun Sik Hwang和Ho Nam Chang等利用双层中空纤维结构的生物反应器进行聚丙烯酰胺微生物转化过程。采用的双层中空纤维以聚酮为外层，以聚丙烯为内层。这种形式的反应器将细胞培养和酶催化反应进行了整合，实现了反应过程的连续化。此外，中空纤维反应器有效分隔了高浓度底物和酶，提高了酶的催化反应效率。

（三）课程思政

将生物技术应用于化学工业的产业被认为是21世纪最具有发展潜力的产业之一。2021年6月1日，生态环境部发布了《关于加强高耗能、高排放建设项目生态环境源头防控的指导意见》（以下简称《意见》），坚决遏制高耗能、高排放项目的盲目发展，推动了绿色转型和高质量发展［7］。《意见》的出台进一步提高了化工行业的准入门槛，要求企业加快现有项目的转型升级和淘汰，对生产技术的发展提出了更高的要求。通过反应器选型这一知识点的案例教学可以进一步培养学生的工程师意识，使本专业学生在未来从事化工生产时能够综合考虑社会、健康、安全、法律、文化及环境等因素。

（四）教学效果

学生在课前能够充分调研各种反应器类型在工业生产中的应用实例，对“反应器选型”的重要性有了一定的了解，授课过程中学生对这一部分知识点的掌握较为牢固。此外，在针对微生物发酵法生产丙烯酰胺工艺发展历程的调研过程中，学生能够横向对比多种类型反应器在实际生产过程中的优缺点，并意识到反应器选型对实际生产的影响。在教学过程中，通过生产实例教学，能够吸引学生的注意力；问题导入式的案例教学能够激发学生思考和分析问题的主动性，充分调动课堂氛围；实例教学初步培养了学生的工程意识，从课本中看到了化学生产工艺的科研创新。案例教学法在“化学反应工程”课程中的“反应器选型”这一知识点的教学应用探索初见成效。

结语

在“化学反应工程”课程的教学过程中运用案例教学法，需要授课教师精心选择案例，并设计导入问题，将教学内容与实际案例科学有效地结合起来。此外，可将案例教学与其他教学手段相结合，如新媒体教学、翻转课堂、虚拟仿真实验等，进一步提高学生自主学习和独立思考的能力，通过“理论—分析—实践—理论”的闭环教育模式提升“化学反应工程”课程的教学效果，为我国化工行业培养高素质综合型人才。