“化學工程與工藝專業實驗”課程教學創新體系建設與實踐

梁杰珍， 陳小鵬， 王琳琳， 韋小杰， 張友全， 童張法

(廣西大學 化學化工學院，廣西壯族自治區石化資源加工及過程強化技術重點實驗室，廣西 南寧 530004)

0 引 言

我校化學工程與工藝專業是根據國家教育部1996年的專業調整方案由原無機化工、有機化工、精細化工和生物化工等專業歸并而成的寬口徑專業，2008年根據廣西能源發展的需求，又新增了能源化工專業。由于從五個專業調整為一個大專業，原來與之對應的專業實驗室也要相應作出調整和合并。“化學工程與工藝專業實驗”是該專業一門必修課程，教學時數為54學時。“化學工程與工藝專業實驗”課程原來的實驗項目是基于單元操作類型來設計[1]，存在實驗項目分散、零亂的狀況，無法適應21世紀化學工業“產品工程”發展的新趨勢。因此必須改革“化學工程與工藝專業實驗”課程的教學內容和方法，緊緊圍繞“產品工程”的模式[2-5]來重組、優化專業實驗項目，使“化學工程與工藝專業實驗”課程教學內容環環相扣，形成一個有機整體。本課題組從2000年開始對化學工程與工藝專業實驗教學內容和教學模式進行了改革和實踐，根據“產品工程”新理念[6-8]和“一個平臺+五個模塊”為主線，構建了“化學工程與工藝專業實驗”課程教學創新體系。經過12年的教學改革與實踐，有了如下一些體會。

1 整體性與先進性相結合，構建專業實驗“產品工程”的創新教學體系

《化學工程與工藝專業》課程由于原來面向的專業有無機化工、有機化工、精細化工、生物化工和能源化工等專業，條塊分割多，缺乏整體性和先進性的規劃。本課題組經過深入調查和研討，從教學理論的高度提出了以“產品工程”的新理念來整合專業實驗教學內容，緊緊圍繞著“產品工程”的模式 “產品功能結構設計+原料→與處理→化學反應→精餾分離→產品分析測試+過程設計+商業計劃”來重組、優化專業實驗項目，使實驗教學內容環環相扣，形成一個有機的整體，把全部專業實驗項目組合在一起則是一個完整的產品開發過程，即所謂的“一個平臺”。通過一個完整的化工產品工程的專業實驗教學，從而達到培養學生整體思維方法和產品工程的創新能力。“產品工程”新概念被認為是21世紀化學工程學科發展的一個新的研究范式和新的經濟增長點，2000年美國著名大學普林斯頓大學化學工程系主任Wei J 和明尼蘇達大學Cusster E L[9-10]將“產品工程”定義為：設計或革新人們所需要的產品的過程，面對市場進行產品功能的創新或性能的改進，而產品的結構和性質的關系是“產品工程”研究的中心內容。本課題組依據“產品工程”新理念開展一系列的科學研究工作，而且把先進的科研內容和成果引入到化學工程與工藝專業實驗教學中，調動了教師指導專業實驗和學生完成專業實驗項目的積極性，從而提高了專業實驗的技術水平和教學質量，培養了學生“產品工程”的創新研發能力。例如開設的松脂、松香、松節油深加工系列實驗，從“產品工程”的角度給學生進行了松脂主要化學成分的分析測試實驗，了解松脂組成的分子結構和性能特征，提出松脂深加工產品的目標功能、經濟、環境和市場等方面要求，精心設計了“松脂催化加氫聯產氫化松香和高順反比蒎烷”、“松節油體系汽液平衡”、“氫化松節油精餾”以及“松脂深加工產品分析測試”等專業實驗項目，構成了一個完整的松脂深加工“產品工程”平臺。在具有共性的“一個平臺”基礎上，根據五個專業方向的特殊性又開出了“五個模塊”的選修專業實驗項目以滿足不同專業方向人才培養的需求。比如能源化工的 “重質油催化裂化反應-氣相色譜檢測實驗”、“石蠟固液溶解度測定實驗”和“石油油品理化性質參數綜合測定實驗”等。又比如生物化工的“ATP的生物合成與檢測實驗”和“賴氨酸的發酵生產實驗”等，實現既達到了專業培養的基本要求又滿足了不同專業方向的特殊性需要。根據“產品工程”新理念和“一個平臺+五個模塊”為主線，編寫了有地方特色的“化學工程與工藝專業實驗”教材，經過12年的使用和不斷地修改與完善，該教材現已由國家一級出版社——化學工業出版社出版發行。

2 系統性與特殊性相結合，構建專業實驗“學科交叉”的創新教學體系

化學工程與工藝專業實驗原設無機化工、有機化工、精細化工、生物化工和能源化工五個方向的專業實驗項目，開出的實驗項目數量多，且各自獨立自成體系，相互間沒有任何關聯，系統性與科學性的結合很少。本課題組提出了“一個平臺+五個模塊”的化學工程與工藝專業實驗教學體系，實現了實驗教學內容同一性與特殊性的相結合。所謂“一個平臺”指的是學生必修具有共性的實驗項目，主要包括產品工程學與工藝學方面的內容，約占總學時數的60%；“五個模塊”指的是無機化工、有機化工、精細化工、生物化工和能源化工各專業方向根據自身的特殊性要求和教師恰當的科研項目開出部分選修專業實驗，學生可根據自己的興趣和愛好進行選修，所占總教學課時的40%。通過“一個平臺+五個模塊”的專業實驗教學體系的建設，融匯貫通了五個學科的專業實驗教學內容，體現了五個不同學科之間的交叉與特色，既拓寬了專業實驗的教學內容又尊重了學生的個性愛好，從而激發了學生自主研究性學習的積極性和培養了多學科交叉創新的思維方法。比如2008年以來，自治區政府提出了新的重點發展“14+10”產業集群戰略，在“14+10”產業集群中，石化和新能源產業群被列為廣西經濟與社會發展新的增長點[11]。因此我校化學工程與工藝專業新增了“能源化工”新專業方向和能源化工實驗室。本課題組于2008年初開始著手研究“化學工程與工藝專業實驗”課程中增設能源化工方面的教學內容，以適應培養石化和新能源人才銜接的問題。經研究確定以傳統的化工實驗項目為基礎，增設石化資源和生物質能源等交叉學科的專業實驗項目，其中有“超臨界甲醇與松脂酯化-裂化反應制備生物柴油實驗”、“催化柴油加氫精制脫硫實驗”和“石油常減壓蒸餾——油品氣相色譜分析實驗”等專業實驗項目。由于這些實驗項目和內容緊跟廣西經濟發展趨勢，又是當今化學工藝與能源化工交叉學科研究的熱門課題，有效地提高了學生專業實驗學習的熱情和科學探索的精神。

3 專業實驗與學科發展相結合，構建專業實驗“緊跟學科前沿”的創新教學體系

學科發展日新月異，專業實驗教學一旦與學科發展脫節則會“落伍”，學生做起專業實驗也毫無興趣，導致專業實驗教學失去“生命力”。我校化學工程與工藝專業實驗室所在的學科是自治區級重點學科，擁有化學工程與技術一級學科博士授權點和一級學科碩士授權點。“化學工程與工藝專業實驗”課程能夠充分依托自治區重點學科、重點實驗室和學位點發展來建設，獲得了緊跟學科發展前沿的優勢和特色，得以建成一批先進的專業實驗裝置[12]，不斷地更新專業實驗的教學內容和實驗方法。比如反應-精餾一體化、激光監視-計算機在線采集數據-固液溶解度、超臨界狀態反應與分離和高壓反應-PLC-計算機遠程通訊-氣相色譜在線分析等專業實驗項目。使學生通過專業實驗教學感受到學科發展前沿的氛圍，開闊學生在化學工程與技術學科的新視野，培養學生具備學科前沿專業實驗知識和創新實踐的能力。

4 以專業實驗項目延伸為畢業論文與設計課題，提高二者教學質量和學術水平

“化學工程與工藝專業實驗”是大四上學期開設的課程，而畢業論文與設計是在大四下學期開展的教學環節。由于化學工程與工藝專業的畢業論文和設計課題基本上都是教師國家級、自治區級的科研項目或企業產品技術開發項目，大部分都是緊跟學科發展前沿的課題[13]，研究的內容復雜且難度較大，為了延長畢業論文和設計的教學時間，把專業實驗與畢業環節教學有機地結合起來，促進二者相互轉化和拓展，既提高了畢業論文與設計的教學質量水平又更新了專業實驗裝置和增添了專業實驗新的教學內容。比如有位學生在進行專業實驗“氫氣在松脂中的高壓溶解度測定”時，發現壓力變化很快，人工讀數誤差很大，而且是高壓實驗，在現場讀數不安全。指導教師和學生進行了深入的討論，把專業實驗的部分內容拓展為學生的畢業論文題目“高壓反應實驗的計算機測控系統”，該課題是國家自然科學基金資助項目。由于是在科研實際中發現的問題，學生自主研究的積極性很高，充分利用課余時間做實驗，就連屏蔽電纜的采購、布線、安裝等都是學生自己動手完成。該裝置采用可編程程序控制器(PLC)進行溫度、壓力的遠程采集和調節，并利用自己開發的軟件，控制計算機與PLC的通訊和數據處理。又比如專業實驗“超臨界甲醇與松脂酯化-裂化制備生物柴油”項目拓展為畢業設計課題，學生有了自己親自做實驗的操作經驗和基礎數據，完成其生產工藝的計算與設計更是得心應手。通過“專業實驗+畢業設計與論文”的組合，充分保障了畢業論文和設計的教學時間，學生既完成了一篇好的畢業論文又為專業實驗室建成了一套現代化的先進實驗裝置。自2006年以來，本課題組指導學生完成的畢業設計和論文共獲自治區級化學化工類優秀論文獎一等獎和二等獎共31篇，建成化學工程與工藝專業實驗裝置7臺(套)，這些實驗裝置的建設成果多數發表在核心期刊《實驗室研究與探索》上[14-15]，其中“超臨界甲醇與松脂反應制備生物柴油實驗裝置[15]”發表在該刊物2012年第2期的首篇，說明該實驗裝置獲得了同行的高度認可。

5 改革成效

經過12年深入的系統研究和不斷地改革與實踐，解決了化學工程與工藝專業由原來無機化工、有機化工、精細化工、生物化工和能源化工等五個獨立專業合并為一個寬口徑大專業的專業實驗課程教學內容和教學模式問題，創建了“化學工程與工藝專業實驗”課程教學創新體系，提高了專業實驗的教學質量和水平，培養了學生的創新思維方法和實踐動手能力。本項目主要改革成效有：

(1) 由專業實驗項目拓展為學生畢業設計和論文課題，提高了專業實驗與畢業環節的教學質量和學術水平。2006年以來，指導化學工程與工藝專業本科生所完成的畢業論文和設計獲得自治區級優秀論文獎一等獎和二等獎31項，本科生發表學術論文34篇。

(2) 自2006年以來，化學工程與工藝專業實驗教學改革成果和教學論文獲得自治區級和校級等各類獎項36項，發表專業實驗教學改革論文20多篇。

(3) 以化學工程與工藝專業實驗室為基地，促進了專業實驗室與重點實驗室的一體化建設。2006年以來，建成自治區重點實驗室：“廣西石化資源加工及過程強化技術實驗室”；國家重點實驗室：“國家非糧生物質能源工程技術研究中心——熱化學實驗室”。

(4) 以“產品工程”和“一個平臺+五個模塊”為主線、實驗教學與科研相結合為主要內容，新編寫了有地方特色的“化學工程與工藝專業實驗”教材，并由國家一級出版社——化學工業出版社出版發行。

6 結 語

以“產品工程”和“一個平臺+五個模塊”為主線，重組和優化化學工程與工藝專業實驗項目和教學內容，緊密結合廣西資源特色和優勢，構建了學科交叉的化學工程與工藝專業實驗創新教學體系，編寫了有地方特色的“化學工程與工藝專業實驗”教材；以專業實驗項目延伸為本科生畢業論文和設計課題，把二者有機地結合起來共同提高教學質量，所完成的本科生畢業論文與設計課題獲自治區級優秀論文和設計獎31項，學生與指導教師共同署名發表學術論文34篇，有效地提高了“化學工程與工藝專業實驗”課程的教學水平。

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