適應(yīng)“三三制”培養(yǎng)模式的化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

周愛(ài)東

摘要：在南京大學(xué)全面施行“三三制”本科教學(xué)改革背景下，在國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心及國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)中，著力構(gòu)建一支富有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的教學(xué)科研復(fù)合型化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)放化工仿真實(shí)訓(xùn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行工程模擬，提升學(xué)生科研素養(yǎng)，打造精品教材，為培養(yǎng)行業(yè)未來(lái)領(lǐng)軍人物和創(chuàng)新人才夯實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；團(tuán)隊(duì)建設(shè)；仿真培訓(xùn)；工程模擬；科研素養(yǎng)

在“通識(shí)教育與個(gè)性化培養(yǎng)融通”的理念基礎(chǔ)上，2009年南京大學(xué)開(kāi)啟了“三三制”本科教學(xué)改革。2014年“三三制”教學(xué)改革取得標(biāo)志性成果，以學(xué)生發(fā)展為中心的“三三制”本科人才培養(yǎng)體系構(gòu)建與實(shí)施項(xiàng)目榮獲高等教育國(guó)家級(jí)教學(xué)成果特等獎(jiǎng)。

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)等專(zhuān)業(yè)的核心專(zhuān)業(yè)課，是培養(yǎng)化工科學(xué)研究和工程技術(shù)人才過(guò)程中一個(gè)重要的工程教育環(huán)節(jié)，與化工原理、反應(yīng)工程、化工專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)、化工設(shè)計(jì)等課程緊密銜接，并構(gòu)成有機(jī)的整體，具有較強(qiáng)的工程特點(diǎn)。在“三三制”人才培養(yǎng)模式的指導(dǎo)下，化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和個(gè)性化發(fā)展為核心，結(jié)合本學(xué)科特色，構(gòu)建符合學(xué)生個(gè)性化、多元化發(fā)展的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在日益重視培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、綜合素質(zhì)的新形勢(shì)下，合理規(guī)劃、調(diào)整化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容和模式，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力有非常重要的意義。

一、教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)是教育改革與發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，直接關(guān)系到“三三制”人才培養(yǎng)模式的具體執(zhí)行力。我校化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是首批國(guó)家級(jí)示范中心，化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程是國(guó)家級(jí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的核心專(zhuān)業(yè)課程之一。團(tuán)隊(duì)成員從事綠色化工過(guò)程的理論探索、傳質(zhì)與分離元件的開(kāi)發(fā)、天然產(chǎn)物的綠色深加工、工程設(shè)計(jì)等方面的科學(xué)研究，開(kāi)創(chuàng)的“超級(jí)浮閥塔板等新技術(shù)研發(fā)及其在工業(yè)節(jié)能減排方面的應(yīng)用”項(xiàng)目獲得2011年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，“先進(jìn)塔器分離技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用”項(xiàng)目獲得2015年度中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)，成果已大規(guī)模應(yīng)用于石化原料和產(chǎn)品的分離、天然物質(zhì)的提取深加工，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，并在AIChEJ，CES，IECR等國(guó)際化工頂級(jí)期刊發(fā)表100余篇科研論文。強(qiáng)大的科研力量為基礎(chǔ)教學(xué)提供有力的支撐，團(tuán)隊(duì)積極開(kāi)展教學(xué)研究工作，近5年來(lái)主持或作為骨干成員承擔(dān)十余項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省級(jí)、校級(jí)教學(xué)改革課題，在一流核心期刊上發(fā)表多篇教學(xué)研究論文。

二、化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)改革舉措

在完成流體流動(dòng)、傳熱、精餾、吸收、過(guò)濾、干燥、萃取、停留時(shí)間分布等經(jīng)典化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，我們采取了如下舉措。

1.開(kāi)放化工仿真實(shí)訓(xùn)

現(xiàn)代化的化學(xué)工業(yè)規(guī)模龐大、工藝流程復(fù)雜，所需檢測(cè)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)繁多，全部或部分工段采用在線控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)?；せA(chǔ)實(shí)驗(yàn)需要適應(yīng)現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的新情況，采用開(kāi)放式化工仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式引領(lǐng)大工程觀背景下化學(xué)工業(yè)人才培養(yǎng)。

通過(guò)對(duì)催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)、石油煉制常減壓系統(tǒng)、30萬(wàn)噸合成氨裝置等全流程級(jí)化工仿真工藝流程的深入剖析，設(shè)備功能、設(shè)計(jì)參數(shù)、操作參數(shù)、工藝指標(biāo)、安全生產(chǎn)的介紹，再現(xiàn)真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程的全工況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性，有助于學(xué)生建立和儲(chǔ)備典型過(guò)程工程的背景知識(shí)，包括工藝流程、設(shè)備設(shè)計(jì)思路、操作工藝參數(shù)、自動(dòng)控制方案等，透徹了解生產(chǎn)工藝流程的組織原則、設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物料流動(dòng)狀態(tài)及物料發(fā)生物理化學(xué)變化的原理、工藝條件的控制手段、系統(tǒng)工程等更深入的內(nèi)容。動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型的突出優(yōu)勢(shì)在于將模擬千變?nèi)f化的工況變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，開(kāi)放化工仿真實(shí)訓(xùn)提供了創(chuàng)造性地進(jìn)行操作控制方案探索的可能。以30萬(wàn)噸合成氨裝置生產(chǎn)工藝流程動(dòng)態(tài)仿真模擬為例，工藝涵蓋天然氣轉(zhuǎn)化、脫碳、氨合成、冷凍及氨回收、氫回收5個(gè)工序，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)反應(yīng)合成氨各操作點(diǎn)參數(shù)（如：液位、溫度、壓力、流量、物料反應(yīng)變化、目標(biāo)產(chǎn)物質(zhì)量控制、自動(dòng)控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)）隨負(fù)荷變化而響應(yīng)的動(dòng)態(tài)效果，仿真實(shí)訓(xùn)的仿真操作員在邏輯程序組態(tài)、操作方式、畫(huà)面形式、趨勢(shì)功能、事故追蹤、CRT報(bào)警形式、工程統(tǒng)計(jì)等各方面與生產(chǎn)實(shí)際中控室系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)手操對(duì)象一致，全部控制操作、邏輯保護(hù)、控制邏輯與實(shí)際裝置完全相同。開(kāi)放仿真實(shí)訓(xùn)中，貫穿系統(tǒng)觀點(diǎn)和全局優(yōu)化的思想進(jìn)行流程級(jí)仿真工藝流程系統(tǒng)的操作，遵循安全操作規(guī)程和貼切工程實(shí)際的操作規(guī)范，實(shí)現(xiàn)安全高效地開(kāi)車(chē)、運(yùn)行、停車(chē)（含緊急停車(chē)），深入了解過(guò)程工程的工藝及控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，嫻熟高效識(shí)別和校正提前設(shè)置的設(shè)備故障，掌握常見(jiàn)事故的應(yīng)急處理預(yù)案，在潛移默化中培育對(duì)復(fù)雜化工過(guò)程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的分析和決策能力，生產(chǎn)的組織、協(xié)調(diào)、管理能力。領(lǐng)略現(xiàn)代化工大生產(chǎn)的安全氛圍、創(chuàng)新氛圍、文化氛圍，培育學(xué)生的大工程觀，回歸工程實(shí)踐。

2.引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行工程模擬

隨著計(jì)算技術(shù)和化工過(guò)程系統(tǒng)模型化技術(shù)的發(fā)展，化工過(guò)程模擬可以用于完成化工過(guò)程及設(shè)備的數(shù)據(jù)計(jì)算、工藝設(shè)計(jì)、操作模擬、優(yōu)化分析、故障診斷、工藝改造和綜合評(píng)價(jià)等多種任務(wù)，可以節(jié)約大量實(shí)驗(yàn)成本、時(shí)間，加快推進(jìn)新產(chǎn)品和新工藝的開(kāi)發(fā)過(guò)程。現(xiàn)階段，化學(xué)工業(yè)逐漸趨向大型化、集中化和連續(xù)化發(fā)展，尤其在當(dāng)今資源短缺、能源緊張的形勢(shì)下，對(duì)綠色化工、節(jié)能減排以及環(huán)境友好等方面提出了更高的要求。如何充分利用化工過(guò)程模擬技術(shù)并采用最優(yōu)化的工藝方案，最大限度地提高生產(chǎn)效率，是工業(yè)上亟待解決的問(wèn)題。

Aspen Plus應(yīng)運(yùn)而生，它是一款功能強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)大型通用流程模擬軟件，用戶遍及世界各大化工、石化生產(chǎn)廠家、著名工程公司。教學(xué)團(tuán)隊(duì)適時(shí)將Aspen Plus模擬軟件引入化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)出一系列工程生產(chǎn)任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生完成。如：基于Aspen Plus的乙腈-水共沸體系的精餾模擬與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)采用雙塔串聯(lián)變壓精餾工藝，具體工藝為：原料經(jīng)換熱器加壓預(yù)熱后送入T101精餾塔，采用高壓操作，T101塔釜獲得較純的乙腈產(chǎn)品，塔頂為乙腈一水共沸物，該共沸物送入T102精餾塔，T102塔為低壓精餾塔，由于壓強(qiáng)變化導(dǎo)致乙腈-水共沸物組成發(fā)生改變，T102塔底獲得含微量乙腈的廢水，可送去廢水處理，而含較多乙腈的塔頂共沸物則經(jīng)過(guò)泵加壓后作為循環(huán)流股送回T101塔與原料混合，以回收其中的乙腈。通過(guò)繪制擬二元?dú)庖浩胶庀鄨D，確定雙塔連續(xù)萃取精餾的工藝流程，并利用靈敏度分析考查萃取精餾塔的全塔理論板數(shù)、原料進(jìn)料位置、回流比、塔頂/釜熱負(fù)荷、操作壓力等因素對(duì)分離效果的影響。模擬與優(yōu)化結(jié)果為乙腈水共沸體系分離過(guò)程的設(shè)計(jì)和操作提供了依據(jù)。

3.提升學(xué)生科研素養(yǎng)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行研究型教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行研究型學(xué)習(xí)。積極進(jìn)行科學(xué)研究的團(tuán)隊(duì)，在教學(xué)中可以得心應(yīng)手地用科研所必要的實(shí)踐精神和創(chuàng)造精神感染學(xué)生。學(xué)生備受鼓舞，得到啟迪，很大程度上得益于團(tuán)隊(duì)為學(xué)生樹(shù)立起成功的榜樣。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)行科學(xué)研究能夠不斷地汲取該學(xué)科領(lǐng)域最前沿的研究成果，并用最新的研究成果和學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)來(lái)豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)發(fā)出若干設(shè)計(jì)和研究型化工綜合實(shí)驗(yàn)，包括：CO₂，在氨基功能離子液體的吸收/解吸實(shí)驗(yàn)、超濾一納濾一反滲透組合膜處理大豆乳清廢水、超臨界CO₂，萃取玫瑰精油、氣液循環(huán)噴射反應(yīng)器性能測(cè)試、塔器性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)、方形水槽內(nèi)流場(chǎng)特性的PIV分析。這些實(shí)驗(yàn)不再是局限在對(duì)課本理論知識(shí)的驗(yàn)證，而是與工程實(shí)際生產(chǎn)、學(xué)科前沿?zé)狳c(diǎn)緊密結(jié)合，有利于拓寬學(xué)生的視野，樹(shù)立創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)學(xué)生從事本學(xué)科科學(xué)研究的興趣，加強(qiáng)學(xué)生科研素養(yǎng)的訓(xùn)練。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中創(chuàng)設(shè)一個(gè)“在研究中學(xué)習(xí)”的氛圍，營(yíng)造研究情境，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)科學(xué)殿堂、親歷科學(xué)實(shí)踐、體驗(yàn)科學(xué)魅力，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化基本技能訓(xùn)練、突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)、達(dá)到科學(xué)素養(yǎng)提升之目標(biāo)，促進(jìn)人才成長(zhǎng)。

三、打造精品教材

高等學(xué)校實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新，勢(shì)必要進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和課程體系的改革，與教學(xué)內(nèi)容改革密切相關(guān)的一個(gè)重要方面就是建材建設(shè)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要突破口是瞄準(zhǔn)學(xué)科發(fā)展前沿，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，開(kāi)設(shè)與學(xué)科前沿密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富教學(xué)資源。高水平的實(shí)驗(yàn)教材可以?xún)?yōu)化學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)，需要適時(shí)更新實(shí)驗(yàn)教材。為適應(yīng)“三三制”教學(xué)改革及人才培養(yǎng)的需要，以化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)為班底，組建一支本學(xué)科專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有深厚學(xué)術(shù)造詣，長(zhǎng)期在教學(xué)、科研一線潛心研究的7人博士團(tuán)隊(duì)編寫(xiě)《化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》教材，邀請(qǐng)學(xué)科帶頭人張志炳教授擔(dān)任教材主審，教材于2016年1月在高等教育出版社出版，受到諸多兄弟院校師生及廣大讀者廣泛關(guān)注。教材凝練了化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)，在講清基本原理和方法的同時(shí)，闡明實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力。將課程內(nèi)容分為基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)誤差分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、化工數(shù)據(jù)的采集與控制技術(shù)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、化工仿真與過(guò)程模擬等六個(gè)知識(shí)模塊進(jìn)行深入淺出講解，體現(xiàn)了知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)與延伸，并且滲透學(xué)科前沿進(jìn)展。教材適應(yīng)“雙一流建設(shè)”重大戰(zhàn)略決策、南京大學(xué)“三三制”本科教學(xué)改革第二階段要求，秉承著名化學(xué)家戴安邦先生倡導(dǎo)的“全面的化學(xué)教育和實(shí)驗(yàn)室教學(xué)”理念，有力促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提高。