工程教育专业认证背景下的化学反应工程课程建设*

吴风收，刘根炎，罗晓刚

(武汉工程大学化工与制药学院，湖北 武汉 430205)

工程教育专业认证是国际上广泛采纳、用以保证和提高工程领域人才培养质量的一项重要措施[1]。自2006年起，我国教育部、人社部、中国工程院、中国科协相关行业管理部门联手，参照《华盛顿协议》开展了面向本科教育的工程教育专业认证试点工作[2-3]。工程教育专业认证的开展有利于加强高等工程教育与工业界的联系，促进我国工程教育的国际互认，提升我国高等工程教育的国际竞争力[4]。

制药工程是一门普通高等学校本科专业，属化工与制药类专业[5]。我校制药工程专业于2017年11月接受了工程教育认证现场考察， 并通过了认证。当前，我校制药工程专业正处于持续改进阶段，本年度内要修订和完善面向产出评价机制的制度文件、面向产出开展的评价活动、评价结果、以及依据评价结果进行持续改进等原始文件。为此，制药系教师积极探索并研究制药工程专业认证背景下各门课程的设计、构建与实施，以期更好地达成课程目标，进而支撑毕业要求，实现人才培养目标。《化学反应工程》课程是制药工程专业的一门核心课，其主要任务是使学生掌握反应动力学的基本概念，并能应用理论知识进行反应器的设计、放大与优化，从而适应科研、设计和生产实践等方面的需要。为了适应人才培养需求，笔者对《化学反应工程》课程教学大纲及课程教学内容等方面进行修订和改革，期望该课程支撑制药工程专业毕业要求能力的达成。

1 课程性质

化学反应工程是化学工程、制药工程及相关专业的主干课程，属重要的专业基础课和学位课，在整个教学体系中承担着从基础课到专业课过渡的桥梁作用。化学反应工程运用化学热力学和化学动力学的知识，结合反应器中流体流动、混合、传热和传质的传递过程，进行反应过程的解析、反应技术的开发、反应器的分析与设计，研究反应过程动态特性，实现反应过程的最佳化，从而提高化学反应的工程和工艺水平。

2 课程任务

本课程培养学生应用基础理论知识和所学的专业知识，进行反应器的设计。优化和工艺参数的选择，并能分析和解决化工和制药生产中的有关问题，适应科研、设计和生产实践等方面的需要。本课程根据化工与制药工业的生产特点，以动力学为基础，主要以四类主要的反应器及其设计过程进行讲解，使学生对制药和化工生产中常用的反应器有一个深层次的了解，为将来从事反应技术的开发、反应器的分析与设计工作奠定基础。同时，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

3 课程目标

通过本课程的理论教学，使学生具备下列知识和能力：

课程目标1：掌握间歇釜式反应器、全混流反应器和平推流反应器的设计方程。理解多釜串联模型、轴向扩散模型和离析流模型的物理含义和数学模型建立的基本思路，能根据反应器停留时间分布数据，求解模型参数。

课程目标2：能够运用化学反应工程的基本原理，并结合反应动力学和传递过程的研究，建立数学模型，从而解决工业反应开发过程中关于反应器选型、反应器操作条件优化、反应器工程放大等核心问题。

4 课程内容与学识

本课程2学分，共计32课时，结合总课时数和本专业的特点，主要进行理论课堂的讲述，具体包括以下内容：

第1章 绪论(2课时)

教学内容包括：(1)化学反应工程简介；(2)化学反应器的工程分类；(3)化学反应工程在化工过程开发中的作用；(4)反应过程的转化率、选择性和收率。

教学组织形式：课堂讲授以板书和PPT相结合，开展启发式和案例教学模式，使学生学习由浅入，循序渐进。线上学习以学生自学为主。

教学要求：(1)能力培养：要求学生掌握化学反应转化率、选择性和收率的概念和化学反应工程要解决的主要问题。理解化学反应器的三种操作方式和特点。了解化学反应器的主要类型、结构和工作原理。(2)素质培养：开阔学生视野，培养学生自主学习，将相关课程知识融会贯通的素质。

第2章 均相反应动力学(6课时)

教学内容包括：(1)反应速率、基元反应等基本概念和定义；(2) 等温恒容过程；(3)等温变容过程；(4)温度对反应速度的影响。

教学组织形式：课堂讲授以板书和PPT相结合，开展启发式和案例教学模式，使学生学习由浅入，循序渐进。线上学习以学生自学为主。

教学要求：(1)能力培养：要求学生掌握化学反应速率的定义、表示方法。弄清单一反应和复合反应的特点及区别。熟悉膨胀因子和膨胀率的定义。理解温度对反应速率的影响。了解最优温度线的意义及其表达式。(2)素质培养：培养学生专业素养以及分析与解决实际问题的能力。

第3章 间歇反应器及理想流动反应器(10课时)

教学内容包括：(1)反应器、稳态流动等的概述；(2)间歇反应器；(3)理想流动下的釜式反应器；(4)理想流动下的管式反应器；(5)反应器的性能比较。

教学组织形式：课堂讲授以板书和PPT相结合，开展启发式和案例教学模式，使学生学习由浅入，循序渐进。线上学习以学生自学为主。

教学要求：(1)能力培养：要求学生掌握等温间歇釜式反应器、连续釜式反应器和等温管式反应器的设计方程和各反应器的性能比较。熟悉空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。理解连续釜式反应器的串联和并联操作及计算方法。了解变温釜式和管式反应器的分析与计算方法。(2)素质培养：培养学生专业素养以及分析与解决实际问题的能力。

第4章 非理想流动及其反应器设计(8课时)

教学内容包括：(1)概述；(2)停留时间分布及其性质；(3)停留时间分布的测定；(4)理想流动模型；(5)非理想流动现象；(6)非理想流动模型；(7)非理想反应器的计算；(8)流体混合对反应的影响。

教学组织形式：课堂讲授以板书和PPT相结合，开展启发式和案例教学模式，使学生学习由浅入，循序渐进。线上学习以学生自学为主。

教学要求：(1)能力培养：要求学生掌握返混的概念及停留时间分布的实验测定方法。理解流动系统停留时间分布的意义及其数学表达式。理解多釜串联模型、轴向扩散模型和离析流模型的物理含义和数学模型建立的基本思路，能根据反应器停留时间分布的实验测定数据，确定模型参数。了解流体的微观混合与宏观混合，及其对流动反应器转化率的影响。(2)素质培养：培养学生专业素养以及分析与解决实际问题的能力。

第5章 气-固相催化反应器(6课时)

教学内容包括：(1)概述；(2)气固非均相催化反应本征动力学；(3)气-固非均相催化体系的宏观动力学；(4)气-固非均相催化反应器的设计

教学组织形式：课堂讲授以板书和PPT相结合，开展启发式和案例教学模式，使学生学习由浅入，循序渐进。线上学习以学生自学为主。

教学要求：(1)能力培养：要求学生掌握多相催化反应过程的步骤和判断速率控制步骤。掌握等温多孔催化剂上气相反应扩散微分方程的建立和求解方法。理解气体在多孔颗粒中的扩散类型及有效系数的概念。了解流体与催化剂颗粒外表面间的传质和传热对多相催化反应速率及选择性的影响。(2)素质培养：培养学生专业素养以及分析与解决实际问题的能力。

5 课程考核与成绩评定

成绩组成：包括平时学习态度(占比10%)、平时作业(占比20%)和期末成绩(占比70%)。

评分标准：按期末考试的参考答案评分。按百分制计分，总评时折算成70分。

(1)优秀(90-100分)标准：掌握化学反应速率、转化率、选择性、收率、膨胀因子、膨胀率、空时和空速的计算方法。掌握等温间歇釜式反应器、连续釜式反应器和等温管式反应器的设计方程。掌握全混流反应器及平推流反应器的串联和并联操作及计算方法。能熟练根据反应器停留时间分布，计算模型参数。能熟练根据多相催化反应过程的速率控制步骤，推导和求解反应动力学方程。能够运用反应工程的基本原理，考虑社会、健康、安全以及环境等因素，建立数学模型，合理进行反应器的设计。

(2)良好(80-89分)标准：较好掌握化学反应速率、转化率、选择性、收率、膨胀因子、膨胀率、空时和空速的计算方法。较好掌握等温间歇釜式反应器、连续釜式反应器和等温管式反应器的设计方程。较好掌握全混流反应器及平推流反应器的串联和并联操作及计算方法。能较熟练根据反应器停留时间分布，计算模型参数。能较熟练根据多相催化反应过程的速率控制步骤，推导和求解反应动力学方程。能够运用反应工程的基本原理，考虑社会、健康、安全以及环境等因素，建立数学模型，较合理地进行反应器的设计。

(3)中等(70-79分)标准：基本掌握化学反应速率、转化率、选择性、收率、膨胀因子、膨胀率、空时和空速的计算方法。基本掌握等温间歇釜式反应器、连续釜式反应器和等温管式反应器的设计方程。基本掌握全混流反应器及平推流反应器的串联和并联操作及计算方法。基本能根据反应器停留时间分布，计算模型参数。基本能根据多相催化反应过程的速率控制步骤，推导和求解反应动力学方程。基本能运用反应工程的基本原理，考虑社会、健康、安全以及环境等因素，建立数学模型，进行反应器的设计。

(4)合格(60-69分)标准：部分掌握化学反应速率、转化率、选择性、收率、膨胀因子、膨胀率、空时和空速的计算方法。部分掌握等温间歇釜式反应器、连续釜式反应器和等温管式反应器的设计方程。部分掌握全混流反应器及平推流反应器的串联和并联操作及计算方法。能根据反应器停留时间分布，粗略计算模型参数。能根据多相催化反应过程的速率控制步骤，对反应动力学方程进行部分推导。能运用反应工程的基本原理，考虑社会、健康、安全以及环境等因素，建立数学模型，进行反应器的简单设计。

(5)不合格(0-59分)标准：化学反应速率、转化率、选择性、收率、膨胀因子、膨胀率、空时和空速的计算方法未能完全掌握。等温间歇釜式反应器、连续釜式反应器和等温管式反应器的设计方程未能完全掌握。全混流反应器及平推流反应器的串联和并联操作及计算方法未能完全掌握。未能根据反应器停留时间分布，计算相关的模型参数。未能根据多相催化反应过程的速率控制步骤，进行反应动力学方程的推导和求解。未能运用化学反应工程的基本原理，进行反应器的合理设计。

平时学习态度：按百分制计分，总评时折算成10分。

(1)优秀(90-100分)标准：上课认真听课，积极参与课堂教学互动，完成线上资源学习90%～100%。

(2)良好(80-89分)标准：上课认真听课，参与课堂教学互动较积极，完成线上资源学习80%～89%。

(3)中等(70-79分)标准：上课听课较认真，能参与课堂教学互动，完成线上资源学习70%～79%。

(4)合格(60-69分)标准：上课听课较认真，能偶尔参与课堂教学互动，完成线上资源学习50%～69%。

(5)不合格(0-59分)标准：上课听课不认真，极少或未参与课堂教学互动，完成线上资源学习低于50%。

平时作业：按百分制计分，取几次作业的平均分，总评时折算成20分。

(1)优秀(90-100分)标准：严格按要求并及时完成；书写清晰，正确率90%以上，没有抄袭情况。

(2)良好(80-89分)标准：按要求并及时完成；书写清晰，正确率80%至89%，没有抄袭情况。

(3)中等(70-79分)标准：按要求并及时完成；或未及时完成，但补交及时，态度端正；正确率70%至79%。

(4)合格(60-69分)标准：及时完成，正确率60%至69%；或未及时完成，老师指出后改正态度端正并补充完成，且正确率高于60%。

(5)不合格(0-59分)标准：正确率低于60%，或未按要求、未及时完成，老师指出后仍不改正。

6 课程目标达成评价方式与成绩比例

表1 毕业要求达成分解

②H：高度相关；M：中度相关；L：低度相关。

7 结 语

针对《工程教育专业认证通用标准》中的毕业要求， 基于成果导向(OBE)理念的课程教学改革势在必行。本文结合《化学反应工程》教学过程中的特点和实际问题，制定出符合实际的《化学反应工程》课程教学方法和评价体系，明确了课程目标与制药工程专业毕业要求的支撑关系，为培养学生成为具备综合素质、工程实践和创新能力、团队合作的应用型人才提供指导，从而增强学生解决复杂工程问题的能力。