分層次化工實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)體系的設(shè)計(jì)與實(shí)踐分析論文
分層次化工實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)體系的設(shè)計(jì)與實(shí)踐分析論文
化工實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)是化學(xué)工程專業(yè)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一。實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)具有獨(dú)特的教學(xué)方法和手段，在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力、創(chuàng)新意識(shí)、靈活的思維框架等方而具有重要的作用。國內(nèi)以天津大學(xué)，華東理工大學(xué)、浙江大學(xué)、北京化工大學(xué)、大連理工大學(xué)為代表的理工科高校，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程設(shè)計(jì)上結(jié)合本校的理論課程與專業(yè)特長，類型包括了物性數(shù)據(jù)測定實(shí)驗(yàn)、反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)、化工分離實(shí)驗(yàn)、化工工藝實(shí)驗(yàn)和研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)等。由于各高校具體條件的不同，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的設(shè)計(jì)略顯不同。但基本思想均緊密圍繞單元操作而展開，最主要的內(nèi)容及設(shè)備都大同小異。圍繞精餾、萃取、吸收、干燥、過濾、傳動(dòng)等基本的單元操作是化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心;熱量傳遞、動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞貫穿實(shí)踐教學(xué)體系的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程設(shè)計(jì)仍以傳統(tǒng)的單元操作為主要抓手。
2010年6月教育部“卓越工程師計(jì)劃”啟動(dòng)后，理工科類的高校都在加緊對現(xiàn)有的課程體系進(jìn)行調(diào)整或改革，由于各個(gè)高校本身的特質(zhì)不同，因而對實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐類課程改革方向各有側(cè)重。但總體而言，主要通過增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、基本單元操作的聯(lián)合、學(xué)科間知識(shí)的融合、增加工程實(shí)踐實(shí)習(xí)類實(shí)驗(yàn)和增加計(jì)算機(jī)模擬五種形式來實(shí)現(xiàn)。
一、實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)體系的整體設(shè)計(jì)
清華大學(xué)作為首批入選教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的高校，實(shí)施卓越計(jì)劃的總體思路是—繼續(xù)強(qiáng)化“厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、求創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)特色，著力提高工程教育質(zhì)量，致力于培養(yǎng)“研究型、管理型、創(chuàng)新型、國際型”等多類型的卓越工程人才。清華大學(xué)化工系將本科生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)貫穿于本科教育的全過程，根據(jù)學(xué)生在大學(xué)期間的不同階段，提出“分階段培養(yǎng)、分層次教育、多樣化發(fā)展”的工程實(shí)踐教學(xué)實(shí)施計(jì)劃，并不斷完善實(shí)踐教學(xué)體系，拓寬實(shí)踐教學(xué)范疇，整合實(shí)踐教學(xué)資源，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、工程思維、工程能力。通過整合校內(nèi)外多種資源，我系逐步推進(jìn)分層次實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)。
其中，實(shí)踐類教學(xué)內(nèi)容包括化工概念實(shí)習(xí)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)，全部依托社會(huì)教育資源，例如北京化工博物館、北京高碑店污水處理廠、燕山石化有限公司等，還包括與我系共建的4個(gè)學(xué)生實(shí)習(xí)基地，分別是中石油寧夏實(shí)習(xí)基地、寧波實(shí)習(xí)基地、神馬集團(tuán)平頂山實(shí)習(xí)基地和山東寶莫集團(tuán)實(shí)習(xí)基地。實(shí)驗(yàn)類教學(xué)內(nèi)容包括化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)和化工過程仿真，其中既有具體的實(shí)驗(yàn)操作，也涉及化工生產(chǎn)工藝的過程控制與仿真實(shí)訓(xùn)。
二、實(shí)驗(yàn)類課程建設(shè)
在學(xué)校關(guān)于工程學(xué)科人才培養(yǎng)總體思路指導(dǎo)下，我系結(jié)合化工專業(yè)特點(diǎn)及化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的定位，認(rèn)真研討化工系實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的思路，在前期工作基礎(chǔ)上對化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行整理，系統(tǒng)梳理相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容與化工專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、工程和科研的能力、本系學(xué)科方向和特色科研成果、現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計(jì)算工具應(yīng)用等要素之間的聯(lián)系，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程目標(biāo)的重新定位及教學(xué)模式的調(diào)整與改革，提出了革新升級的系統(tǒng)方案—三個(gè)層次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的規(guī)劃與建設(shè)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)以學(xué)生為主體，根據(jù)各個(gè)層次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)環(huán)節(jié)中所處的位置，我系精心設(shè)計(jì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，使其既有明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，又有很大的空間可以發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。
(一)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、動(dòng)手能力的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。本課程以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，重在培養(yǎng)學(xué)生掌握基本概念、典型單元操作過程的機(jī)理和規(guī)律，并完成實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、儀器的使用等基本訓(xùn)練。通常這種實(shí)驗(yàn)課都是老師設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生去操作、體驗(yàn)一下，很多實(shí)驗(yàn)操作是固定的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也大多是事先知道的。因此，我系對化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，從實(shí)驗(yàn)任務(wù)書的設(shè)計(jì)入手。首先，將原先的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)全部設(shè)計(jì)成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，取消原先講義中的操作步驟，取而代之的是實(shí)驗(yàn)中要使用的實(shí)驗(yàn)裝置使用方法和安全須知。其次，建立相關(guān)單元操作的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，將原先涉及同一領(lǐng)域的有關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、工業(yè)模型及真實(shí)的工業(yè)裝置上拆下來的零件，全部集中在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)來重新規(guī)劃實(shí)驗(yàn)任務(wù)，不同的實(shí)驗(yàn)裝置側(cè)重的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不同，形成實(shí)驗(yàn)組。化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由流體阻力實(shí)驗(yàn)組、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)組、精餾實(shí)驗(yàn)組、吸收實(shí)驗(yàn)組、干燥實(shí)驗(yàn)組和傳熱實(shí)驗(yàn)組共18臺(tái)套實(shí)驗(yàn)裝置組成，每個(gè)學(xué)生必須完成超過36項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。經(jīng)過這樣多角度的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，學(xué)生有效提高了對化工原理的理解和掌握水平，也鍛煉了自己的動(dòng)手操作能力。
例如:液體精餾組合實(shí)驗(yàn)通過集成多種精餾工藝過程，結(jié)合精餾設(shè)備展示平臺(tái)，構(gòu)建了多維實(shí)驗(yàn)思路與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生從傳質(zhì)的角度去理解精餾原理，以及相關(guān)各種因素是怎樣通過傳質(zhì)對過程發(fā)生影響的;同時(shí)，改變過去枯燥無味地對傳質(zhì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)描述和優(yōu)缺點(diǎn)評價(jià)，讓學(xué)生通過一些真實(shí)的、具有時(shí)代特點(diǎn)的實(shí)物展品，從其歷史的發(fā)展中去發(fā)現(xiàn)既深刻又豐富的內(nèi)涵。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自己總結(jié)了實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并自主架構(gòu)了精餾過程的知識(shí)體系。
(二)化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)不同于化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，它強(qiáng)調(diào)通過綜合運(yùn)用己經(jīng)學(xué)過的化工技術(shù)解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生針對復(fù)雜過程問題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在測定過程參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高解決工程問題的綜合能力。因此，化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)大多以完整的產(chǎn)品加工處理過程為對象，要求學(xué)生運(yùn)用基本原理，分析化工生產(chǎn)過程從原料到產(chǎn)品的整個(gè)過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量守恒、信息傳遞現(xiàn)象。化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是比較接近真實(shí)的科學(xué)研究或者工程應(yīng)用的，具有一定的知識(shí)深度和擴(kuò)展性，專業(yè)實(shí)驗(yàn)由專業(yè)基礎(chǔ)訓(xùn)練模塊、分離工程模塊、材料與環(huán)境工程模塊、生物化工模塊與反應(yīng)工程模塊組成。
化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式經(jīng)過多年的摸索與實(shí)踐，能充分發(fā)揮主動(dòng)式學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，滿足學(xué)生對專業(yè)實(shí)驗(yàn)的個(gè)性化需求。自2009年開始，實(shí)驗(yàn)中心開發(fā)了化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)二級選課系統(tǒng)，在此系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室開放式運(yùn)行機(jī)制的共同支持下，專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的組織并行兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式:一種是傳統(tǒng)模式，即學(xué)生根據(jù)自己的興趣，從現(xiàn)有的15個(gè)實(shí)驗(yàn)中選做8個(gè)。這樣選實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)性很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)之間相對獨(dú)立，滿足實(shí)驗(yàn)課程的基本教學(xué)要求。另一種就是完成專題式，學(xué)生在一開始不是選實(shí)驗(yàn)，而是選擇專題，專題下而包含若干具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如，專題1:請?jiān)O(shè)計(jì)一套日處理城市污水200噸的凈化流程與設(shè)備。專題二:請?jiān)O(shè)計(jì)一套生產(chǎn)2000噸無水乙醇的工業(yè)裝置。學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)專題后，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，然后根據(jù)方案中涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過具體實(shí)驗(yàn)來完成，最終形成的實(shí)驗(yàn)方案，并與選擇相同任務(wù)的小組進(jìn)行競賽比較。 在現(xiàn)有的兩種教學(xué)模式并行的條件下，化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)致力于創(chuàng)造有利于學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的氛圍，讓學(xué)生主動(dòng)參與，經(jīng)歷知識(shí)的形成和建構(gòu)過程。這樣，學(xué)生才能樂于探究，勤于實(shí)踐，把“要我做實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙鰧?shí)驗(yàn)”。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)都遵循以下的三項(xiàng)基本原則:
1.質(zhì)疑原則—變“機(jī)械接受”為“主動(dòng)探究”;
2.交流原則—變“個(gè)人競爭”為“集體合作”;
3.想象原則—變“單一思維”為“多向拓展”。
例如，在萃取精餾制取無水乙醇實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，參加實(shí)驗(yàn)的同學(xué)組成了“試車小組”，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱送瓿伞霸撗b置的冷態(tài)開車與正式投產(chǎn)”。實(shí)驗(yàn)過程分為兩個(gè)目標(biāo)，一是將裝置從冷態(tài)開車至穩(wěn)態(tài)，二是在穩(wěn)態(tài)操作的基礎(chǔ)之上，提高塔頂產(chǎn)品的純度，直至采出合格產(chǎn)品。
隨著化工學(xué)科的發(fā)展，化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排與設(shè)置也不是一成不變的，為此，化工實(shí)驗(yàn)中心建立了合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)入及退出機(jī)制，根據(jù)專業(yè)建設(shè)的需求，有針對性地開設(shè)或者取消實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。一方而使每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從內(nèi)容設(shè)計(jì)到與其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間的聯(lián)系都經(jīng)過精心的安排，并且緊密結(jié)合理論課程的需求;另一方而，這一更新機(jī)制、可以保持實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)符合化工系學(xué)科發(fā)展的要求。
(三)化工生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)
在化工生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)這一接近工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)流程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)中心共建成四套裝置，包括大型流化床冷模實(shí)驗(yàn)裝置、X600塔冷模實(shí)驗(yàn)裝置、帶DCS的萃取和精餾裝置、生產(chǎn)雙酚A型環(huán)氧樹脂的小試級和帶DCS控制的生產(chǎn)裝置。這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，體現(xiàn)了真正的學(xué)科交叉、煉化一體化的概念，以及化工生產(chǎn)過程與高分子材料應(yīng)用的交叉、化工生產(chǎn)與化工過程控制的交叉、化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)與化工系統(tǒng)安全的交叉等意義。
三、總結(jié)與展望
以上分階段、分層次化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)，拓寬了學(xué)生對化學(xué)工程基本理論的理解和掌握，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作能力、裝置設(shè)計(jì)能力和復(fù)雜化工過程分析判斷能力方而得到了全而訓(xùn)練和提高。由于學(xué)生是在自己動(dòng)手、動(dòng)腦過程中通過自主思考和討論獲取的知識(shí)，因而極大加深了對工程理論的理解深度和廣度，有利于合作意識(shí)的提高，有利于培養(yǎng)具有獨(dú)立創(chuàng)新意識(shí)和能力的高素質(zhì)工程技術(shù)人才和一流的科學(xué)研究人員。
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