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能源化工专业人才培养体系研究

[摘要]化学反应动力学和反应器的设计是能源化工的基础,因此反应工程作为能源化工专业的核心课程,其教学质量的提高对能源化工创新人才的培养起到积极作用。本文总结目前教学过程中的不足,从专业人才培养、案例教学方法、思维导图、计算机技术等方面进行讨论,探索了教学改革方式,以达到满足培养新时代下能源化工行业对人才的要求。

[关键词]反应工程;能源化工;教学改革;案例教学;教学方法

新能源产业是国家“十三五”期间重点发展的战略新兴产业,随着我国产业结构的变化,以光电转化、生物质绿色技术为代表的新型化工行业对传统专业提出了更高的需求。能源化工专业是常州大学结合石油石化行业特色与优势,顺应长三角地区能源人才的需求而建立的新专业,旨在培养具备在新能源行业从事可再生能源利用以及能源高效转化等科学研究、生产设计和技术管理的工程人才。能源化工专业是基础化工拓展的新专业,部分能化专业的学生对本专业的认知程度不够,归属感不强,定位不准确,导致学习反应工程等专业基础课程时缺少积极性。此外,少数学生因为数学基础较为薄弱,在运用数学模型解决复杂工程问题时容易对反应工程失去学习兴趣,学习效果不佳。因此,需要通过一些教学改革提高学生的学习热情和积极主动性。

1重视能源化工专业人才培养体系建立

能源化工专业需要立足地方,培养掌握化工和能源转化与利用的基础知识、基本理论和基本技能,在教学过程中培养学生良好的科学素养、宽广的国际视野、扎实的理论知识。在课堂上引入太阳能、电能、生物质能等能源行业的前沿动态,尤其是国内外热点能源问题,例如二氧化碳气体排放问题,如何转化高效转化二氧化碳等温室气体,通过具体工业案例,将反应工程的方法和知识融于其中,使学生认识到解决能源化工问题的方法,增强学生的专业归属感。通过介绍反应工程的发展历程对能源化工的重大贡献,使学生理解本专业对社会发展的重要意义。通过与学生分享科研经历、教学会议心得,使学生认识到反应工程与能源化工的重要关系,提高学生对本专业的认知程度并进一步激发学生的求知欲望。

2改进反应工程的案例教学方法

反应工程涉及多门工程学的核心内容,这对于大多数没有实际工程经验的学生来说学习难度较大,面对这种情况案例教学法应运而生,案例教学法就是从化工实践和教师的课题中选取合适的案例,进行专题讨论,必要时教师可配合多媒体向学生生动展示化学反应工程在化工生产中的实际应用,用来充分调动学生学习的积极性,培养学生的工程分析能力,提高学生的创新能力。例如,在气固相催化反应这一章节,引导学生思考反应器设计和优化问题,并鼓励学生通过运用现代工具例如计算机编程解决复杂反应器设计中涉及的数学问题。以年产5万吨邻苯二甲酸酐生产的项目为例,根据催化反应特点选择反应器类型,选择适宜的催化剂,计算催化剂床层高度等等。此外,还可建立相应的反应器模型,对操作条件、流动状态、反应器结构等参数进行优化。通过理论联系实际的方法,开阔学生眼界,把课程内容和复杂工程问题联系起来,摆脱课本上枯燥的学习模式。通过案例教学法,启发学生的思维,强化学生对知识点的理解和关联,调动学生积极性。学生通过独立思考提出解决问题的方案,与实际生产中的方法进行比较,引导学生建立学以致用的理念。此外,还可以邀请熟悉案例的资深化工工程师为学生进行讲解,增加学生对案例了解,从而使学生们更加熟悉理解这门核心课程。转变传统只注重课本知识讲授的教学观念,除了传统基本概念的讲授,将思想政治教育和科研前沿案例融入教学,扩展知识点的发展历程,讲授学科名人名事填补课堂间隙,提高学生学习的内在驱动力。在教学环节中,教师的活动根据学生在教学中的“成绩”,采用问题式学习的教学方法,以简单工程问题启发学生,提高自身的学习热情,引导学生思考并讨论实际性的问题,建立科学思维,让学生对课堂所学知识具有较为直观的认识;然后对学生讨论的结果进行点评和总结,例如我们从能源化工角度出发,如何让学生理解流化床提高化学气相沉积的反应效率,首先让学生先了解化学气相沉积技术的发展水平,然后结合基本原理进行优化与完善。通过提问的方式让学生充分理解和掌握课程的重点内容,帮助学生搭建反应工程的知识体系,加深理解。在教学过程,采用以学生为主体的教学模式,优化传统教学环节,帮助学生自主建构知识体系。在学习环节中,合理运用线上线下混合式教学方法。通过线上课程资源,让学生充分预习知识;课堂上,教师讲授和提问知识点;教师布置课堂作业以及思想政治作业题,学生可以通过查阅相关资料完成作业,并对所学的知识有深刻的理解与应用。采用“介绍复杂工程问题-学生提问-老师讲授知识-师生互动-课堂作业-讲解习题-反馈-优化教学”的教学方法,改进教学思路,利用翻转课堂的模式,认识到学生掌握知识的程度,实现有针对性的查漏补缺。通过分析学生的学习成果,跟踪学生对知识点的掌握情况。根据课前线上教学平台中学生的预习情况,得出评价结果。课中根据学生的讨论、发言和提问等表现做出评价,引导学生积极思考,及时发现学生对知识点理解不透而影响后续内容的学习。在习题课堂上,重点讲授学生习题中的易错点,纠正学生对知识点理解和应用的偏差。

3通过思维导图提高学习效率

按照传统的学习方法,学生们大多是被动的接受知识。反应工程的理论内容相对独立,且涉及到庞大的数值计算,会造成学生的学习困难。造成教学过程矛盾重重,教学效率极其低下。思维导图是英国著名教育家东尼提出,通过思维导图法将各个知识点串联起来,能够进行深入探索和讲解,同时对课堂内容做适当的延展,抛出问题来引导学生转变思维方式,而不是传统的被动去接受知识。而思维导图方法的好处在学习反应工程这门课中体现的就更加明显,通过对知识系统化、条理化的梳理,层层递进地展现知识体系的逻辑框架,有效避免落入理解片面的误区。以“均相反应动力学”为例,以“反应速率”、“动力学方程”、“数据处理”为主要节点,逻辑顺序按照反应工程知识的认知规律展开,每一堂课又根据知识内涵展开。其中“动力学方程”又是反应动力学的基础,思维导图将这些独立的知识点关联起来,向学生清晰地展示出这一章的框架,条理清晰。反应工程课程涉及大量的数学推导和工程实践方面有关的问题,由于通过思维导图的学习方法,将零散知识点进行关联拓展、深入挖掘、实现学生对知识点的快速梳理,提高课堂质量,提升学生的创新思维。

4计算机技术引导反应工程新的学习方法

由于反应工程具有很强的理论性和实践性,所以它在能源化工中占有非常重要的地位。但因为其理论内容相对独立,又涉及到庞大的数值计算,所以大部分学生在学习过程中都会感到困难。随着计算机技术的飞速发展,利用现代工具进行教学具有明显的优越性。在反应工程的课堂上,现代工具主要指的是计算机技术,其中虚拟仿真实验软件和流程模拟软件Aspen让学生感到兴趣,有兴趣就会有动力,它们是反应工程教学的重要补充,具有直观性、操作性、安全性的特点,让学生看到与书本不同的知识,训练学生的全面技能,完善学生的知识储备。虽然不是真正的动手,但也一定程度上弥补了书本的不足,学生们可以自主完成书本内容,从而具备完备的知识体系,因此化工虚拟仿真实验可以提高学生的学习兴趣。利用现代计算机技术代替传统教学方法,学生通过自主学习,完成对关键知识点的学习。学生在仿真系统中上级操作,过程中系统会对操作结果自动评分,完成操作后可以提交虚拟实验仿真报告,提高学习效率。Aspen是非常实用的流程模拟软件,通过利用模块化方式,对化工生产中反应、混合、流动状态、分离、换热等单元操作进行模拟计算,学生利用Aspen软件搭建的反应体系模型,增强操作的灵活性,加强对反应工程知识点的巩固。通过计算机软件应用于反应工程教学,解决了复杂的数学问题,使得反应过程变得更加形象化,提升学生对知识的理解并激发学生学习兴趣。计算机技术的发展,不仅拓宽了学生的视野,理顺了知识体系,并且培养了综合设计和创新能力,且通过虚实结合,才有效提高了真实实验效率和结果最优化。

5结语

反应工程是能源化工专业非常重要的核心课程,本文从专业人才培养、案例教学方法、思维导图、计算机技术四个方面进行改革:明确专业方向定位,清晰课程知识体系,加强体系内各部分内容的联系,使学生深入浅出的掌握课程体系知识;基于本课程具有较大的难度,灵活使用计算机等现代工具,加强信息技术与反应工程课程的紧密联系,培养学生解决复杂工程问题的能力;同时采用多种教学手段提高学生的学习效率,通过师生共同努力,解决课程中的重点、难点相关知识,激发学生的学习热情,有被动学习变为主动学习,鼓励学生自我管理的能力;结合虚拟仿真,在原有的知识的基础上进行一定程度的延伸,促进基础理论知识和工业实践的结合。

参考文献

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作者:梁倩 李忠玉 单位:常州大学石油化工学院

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