基于CDIO理念的化學工藝實踐教學的構建和探索

魯伊恒，武成利，王金明，王 震，陳曉玲

(安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001)

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基于CDIO理念的化學工藝實踐教學的構建和探索

魯伊恒，武成利，王金明，王 震，陳曉玲

(安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001)

闡述了國際CDIO工程教育模式的應用、培養大學生工程技術能力、從本校的實際出發，使得學生具備高質量創新能力和實踐能力；基于化學工藝實踐建設、實踐內容改革和工程項目設計、培養教師工程素養、構建效果評價體系，構建了多層次的實踐教學體系；包括化學工藝培養實踐、化學工藝模擬、化工概念實習、化工生產實習和畢業實習，為開發學生的工程、創新和團隊意識創造了條件。

CDIO；化學工藝實踐教學；實踐內容改革；項目設計

隨著科學技術和社會經濟的快速發展，對工程技術人員在化工行業產生了更高的要求。化學工藝是化學工程與技術的二級學科，是工程科學之一，實施CDIO模式是化學化工專業教學改革的大趨勢[1-2]。化學工藝實踐教學在化學工程與工藝專業課程體系中起重要作用，是重要的教學內容和教學手段，是培養本科生CDIO工程質量的方法之一；關于化學工藝、精細化工及其CDIO實踐教學改革的論文報道較多[3-8]。化學工藝實踐教學含有化學化工訓練實踐，化工仿真，化工感性實踐，化工生產實習，課程設計，化學反應工藝實驗，化工原理實驗，大學生研究項目和畢業實習等。根據CDIO項目的原理，綜合優秀教學資源的各個方面，構建了一個化學工藝實踐教學平臺。化工工藝實踐教學改革不僅是提高教學質量的重要手段，也是提高學生就業能力、競爭能力和工程能力的重要措施。

1 構建多層次的化學工藝實踐教學體系

基于CDIO的工程教育模式，堅持以學生為主體，教師在教學安排中發揮主導作用。設計全面的實驗設置，為學生主動學習提供更多的機會和動手實踐，幫助學生發展個性和創新能力。化學化工實踐教學體系是基于校級化學化工實驗教學示范中心和虛擬仿真實驗教學中心，分層次的實踐教學體系，包括課程的教學演示，化工工藝模擬操作，綜合性化工工藝實踐，化工設計和研究創新，這是其基本性、全面性和研究特色。化工工藝實踐教學體系已在教學實踐中被用于如化學化工訓練實踐、化工工藝仿真、化工工藝感性實踐、化工生產實習、課程設計、化學反應工藝實驗、化工原理實驗、大學生研究項目和畢業實習，如化學工藝實踐教學平臺建設。

(1)基礎實習：化工模擬(硫醇甲基錫穩定劑及金屬皂在PVC中的加工試驗、硫醇甲基錫熱穩定劑的生產工藝、高分子分離膜全氟磺酸離子交換復合膜的生產工藝、3D虛擬模擬生產)、教學演示(化學工藝模擬軟件、化學工藝原理、多媒體、材料圖書館)。

(2)高級實習：高級化工實習、硫醇甲基錫及金屬皂穩定劑在PVC中的加工試驗、全氟磺酸離子交換復合膜的生產工藝、生產工藝優化實驗。

(3)研究和創新：創新化工工藝設計、生產設計、部分精細化工產品的合成技術、如月桂酸乙酸鈉型咪唑啉的合成工藝、乙醛酸合成香蘭素工藝、氯化蔗糖生產工藝、降血脂藥氯貝丁的合成工藝、HBT-G型光致抗蝕劑的合成工藝、聚乙烯醇肉桂酸酯生產工藝、高分子金屬催化劑的生產工藝、防嗮黑化妝品的生產工藝。

通過基礎實踐教學、如化學工藝實驗、課程教學演示、化學工藝仿真操作、化學化工感性實踐，學生取得了工藝裝備和最基礎的化學工藝控制的基本原則，培養了獨立能力和自主學習能力。通過綜合實踐教學，如化學工藝綜合實踐課程設計、學生不僅取得了運用知識分析和解決問題綜合能力，也增強了工程觀念；該實踐教學研究、如工藝項目的設計、創新和大學生研究項目，培養了學生的創新精神，最大限度地發揮了其能力和創造力，化學工藝實踐教學平臺。

1.1 課程教學演示

在課程教學演示中使用了仿真軟件化學工藝軟件實驗和化學工藝裝備的多媒體素材庫，通過直觀的仿真界面，顯示了實際的教學過程，學生的注意力被吸引、學習的動機被激發。

1.2 化學工藝模擬

化學工藝模擬系統如“硫醇甲基錫熱穩定劑的生產工藝實驗模擬”、“全氟磺酸離子交換復合膜的制備工藝實驗模擬”和“3D虛擬-硫醇甲基錫及金屬皂穩定劑在PVC中的加工試驗工藝模擬”。隨著DCS模擬的引入，學生可以模擬工廠的流程、停車和正常運行、各種事故的處置；教師可以實時提供和修改培訓內容、通過相互連接的教師界面組織考試和總結成績；化學工藝仿真可以彌補動手能力的不足，真實再現了化學工藝和化工生產過程。

1.3 綜合性化學工藝實踐

多功能化工裝備是為綜合性化工工藝實踐提供，如硫醇甲基錫熱穩定劑的生產工藝反應釜、工藝流程控制設備、原料中間體及產物在線檢測儀器、工藝過程優化設備。該培訓項目幫助學生將基本的化學過程與工程實際相結合，建立了工程概念。又如“全氟磺酸離子交換復合膜的生產工藝”，通過在線仿真DCS控制系統，有助于學生理解反應原理、影響膜性能的因素、分析和檢測儀器等工藝控制參數、如膜電導率、耐熱和化學穩定性、離子交換能力等。

1.4 化學工藝設計

化工工藝設計要求學生獨立完成教師指定的任務。如根據給定的“氯化蔗糖生產工藝”設計任務，教師和學生可以自由選擇“蔗糖-6-酯”，“三氯蔗糖-6-酯”或“脫除酯基精制”生產單元，然后確定設計，最后設計參數，設計任務完成后，使用氯化蔗糖生產工藝裝備進行優化。

1.5 創新和研究

該種類型的項目，鼓勵學生自主創新，提出一些具有挑戰性的問題，并參與國內和國際的創新大賽，申請并完成創新工程。如在教師的指導下，一些學生小組完成了“全氟磺酸離子交換復合膜生產工藝系統仿真開發”項目。

2 化學工藝實踐教學體系的改革和實踐

2.1 培訓內容的改革、培育學生的工程分析能力

2.1.1 課堂教學集中學生討論、培養學生理論與實踐相結合

根據CDIO教育理念，課程的教學過程中專注于設計項目，學生根據項目開展話題討論，討論之后形成基本觀點與所有與會者商討同意后，小組派代表來介紹其作品項目，其他同學討論發表意見，分析其優缺點，提出改進意見，最后匯總由教師提出。如在化學反應工藝過程中，分別在兩個討論會議功能，在“反應”和“控制”。討論的重點放在理想裝備和優惠工藝條件的設計，主題包括以下主要內容：(1)理想裝備；(2)優惠工藝條件。討論之前，學生進行分組，根據所選主題分析相關的文獻綜述。每組三四個學生，舉辦報告研討會PPT(10分鐘)。現場抽簽決定哪個組和誰討論報告，報告必須如期完成。報告完成后，將有一個五分鐘的討論，對學生的其他群體交流討論時間問題，所有的學生都可以參加，最后由老師允許評論講座結束后，學生必須提交研討會PPT。通過討論，學生的綜合能力、創造能力、工程實踐、團結協作能力得到加強。

2.1.2 采用三維虛擬現實仿真提高學生的學習興趣

采用“做中學”的教學方法可以使學生形成學習和應用知識的良性互動，根據不同層次的實驗課、多媒體課件、實驗基礎知識視頻、3D虛擬現實模擬等教學工具是補充，以提高學生的學習興趣和教學效果。與多媒體演示教學相比，三維虛擬現實仿真技術創造了學習者獲得知識、技能、通過信息交互的新的“自我學習”環境。在化學工藝教學實踐中，使用了“3D虛擬仿真軟件，全氟磺酸離子交換復合膜生產工藝裝置”仿真系統。顯示三維虛擬仿真全氟磺酸離子交換復合膜生產工藝設備接口，在全氟磺酸離子交換復合膜的生產三維虛擬場景，它使學生了解反應器、設計和優化內部結構，使得復合膜具備更好的離子交換能力、耐熱性和耐化學腐蝕性，培養了學生的分析問題能力，解決生產運營的各種實際問題。

2.2 使用以項目為中心的教學、培養學生的工程創新能力和團隊合作

“基于項目的教育和學習”，項目設計和實施是為了培養學生的動手能力、工程能力和素質的有效途徑。為了充分發揮、改善他們的主動性和創造性，培養高素質的工程技術人員，教學實踐必須先進、具有代表性、方向性、必須跟上研究的最新進展，編寫了具有專業特色和不斷更新的教材內容，提高了學生的綜合素質和能力。

將“Asplus”過程軟件在教學實踐過程中引入了項目設計，項目設計的主要內容是反應裝置工藝設計，要求學生采用不同類型的化學測量反應裝置選擇的主題，連接到反應器、控制系統、檢測系統、分離精制系統，學生必須完成各個步驟：選擇反應器類型、設置材料參數，屬性方法選擇，進行收率過程計算，結果輸出，項目報告。

每組學生必須完成根據項目進度的設計，以回復的形式進行驗收，回復后提交項目報告，PPT需要確認。該項目的實施，使學生的反應裝置設計能力，加深了對基本知識的理解、學生掌握了化工工藝設計技能的基本知識。該項目的實施、為后續課程和畢業提供了依據。

如畢業設計的主題為“全氟磺酸離子交換復合膜生產工藝”，學生決定按照基于“復合反應”， “高沸點溶劑”“成膜溫度”和“成膜時間”的制作單元給定任務的設計方案，采用“全氟磺酸離子交換復合膜生產過程優化”，方案結果和設計參數可以通過實驗進行優化。鼓勵學生自主創新、參與創新競爭、對創新項目設計應用程序。在教師的指導下，一些學生小組完成了“全氟磺酸離子交換復合膜生產過程優化控制系統仿真開發”項目。

2.3 使用化學工藝實踐教學平臺、培育學生工程實踐能力

CDIO是指C構思(Conceive)、D設計(Design)、I實施(Implement)、O操作(Operate)，該理論適用于化學工藝教學，如開展化學產品或工藝設計、分析、綜合、評估和實施。本院化工實訓基地具有多套化學實驗室設備、化工過程綜合實驗設備、混合設備、分離設備，化學品輸送裝置實驗平臺，化工流體輸送設備，化工生產過程優化實驗設備和檢測控制設備。如使用“化工生產過程優化實驗裝置”，配備GC-MS、FT-IR、XRD、TGA和CHI660E電化學工作站等檢測儀器，選擇具有實際背景的工業產品開發項目，在學校教師、企業經驗豐富的工程技術人員指導下、由學生完成設計案例。

2.4 評價體系改革

根據CDIO教育理念，建立了一套完整的實踐教學評價體系，如在化學工藝的教學實踐中，構建了七個部分的綜合評估：考勤、作業、研討會、虛擬仿真、工程設計、試驗和檢查；具體要求和考核評分方法為：①出勤占5%，要求學生參加所有節點和登錄；②作業5%，要求學生獨立完成，課程前遞交；③討論10%，有兩個研討會，要求學生分組訪問信息、總結、撰寫報告，報告PPT；④模擬10%，有兩個模擬，要求學生熟悉生產工藝、完成在線模擬測試；⑤項目設計占10%，要求學生完成分組的選擇和反應計算，撰寫PPT研究報告、回復、評估；⑥實驗成績10%，要求學生準備、全員參與、獨立完成并提交測試報告；⑦考試占50%。

2.5 加強院系和企業之間的合作、突出教師的工程質量

本院建立了與安徽淮化集團有限公司、安徽德邦化工有限公司和安徽淮河化工股份有限公司等校企長期合作關系，由教師、公司的工程師和技術人員、學生組成的團隊共同來完成相關項目，確保實踐教學的實施，探索了基于校企合作模式的專業實驗室建設的新思路。

3 結 語

實踐證明，基于CDIO工程教育理念的化學工藝實踐教學具有鮮明的特色和優勢，以基礎實習、高級實習和創新研究為主線，圍繞教學演示、工藝模擬、工藝實踐和工藝設計，以開放式討論、理論聯系實踐、三維仿真和項目為中心，實踐平臺為依托的化學工藝實踐教學模式，使學生自主探索并解決問題，學生們普遍反映課程的教學效果有了很大改善，促進了化學工藝學課程實踐教學質量的提高。

[1] 康全禮, 陸小華, 熊光晶. CDIO 大綱與工程創新型人才培養[J].高等教育研究學報, 2008(4): 15-18.

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[3] 魯伊恒.精細化工工藝學課程的教學改革與實踐[J].廣州化工,2013,41(22):178-179.

[4] 廖文波,陳默,黃相璇,等.CDIO 模式下精細化學品工藝學課程教學改革與實踐[J].廣州化工,2014,42(21):193-194.

[5] 李和平主編.精細化工工藝學.3版[M].科學出版社,2014:38-39,101-103,118-119,276-278,302-305.

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[7] 何廣湘,靳海波,楊索和,等. 基于CDIO教育理念的化工設計課程改革與實踐[J].化工高等教育, 2013(2):42-44.

[8] 姚運金,徐川,楊保俊,等.基于CDIO工程教育理念的化學工程與工藝專業培養模式研究與探索[J].化工高等教育,2014(2):18-22.

Construction and Exploration on Practice Teaching System of Chemical Process Based on CDIO

LUYi-heng,WUCheng-li,WANGJin-ming,WANGZhen,CHENXiao-ling

(School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan 232001, China)

The application of CDIO mode in international engineering education and cultivation of students engineering ability from the reality of the school were described, so that students had high-quality innovation and practical ability. Based on the practice of chemical technology construction, practice content reform and project design, training teachers’ engineering literacy, construction effect evaluation system, it constructed the multi - level practice teaching system and included the practice of chemical process cultivation, chemical process simulation, chemical concept internship, chemical production practice and graduation practice, thus created the conditions for developing students’ engineering, innovation and team consciousness.

CDIO; chemical process practice teaching; practice content reform; project design

安徽理工大學本科專業核心課程建設項目(No:20160013)。

魯伊恒(1960-)，副教授，碩士生導師，主要從事精細化工領域的教學和科研。

G642，TQ03

A

1001-9677(2016)022-0185-03