《特殊蒸餾與液液萃取》課程建設、教學方法改革實踐與探索

雷志剛　代成娜

摘要：《特殊蒸餾與液液萃取》課程課題體系內涵豐富，與多門學科互相交叉滲透，教學內容與本專業多數研究生未來所從事的科研和工作密切相關，是攻讀化學工程方向研究生的一門核心課程。隨著現代化工分離技術的不斷發展，教學內容和教學方法必須與時俱進、及時最新，做出相應的調整。期望研究生通過本課程的學習在培養創新意識和創新能力、提高綜合素質方面能夠取得有益的收獲。

關鍵詞：特殊蒸餾；萃取；課程建設；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）27-0146-03

北京化工大學是一所以化工為主、工科實力雄厚、富有特色的多科性研究型大學。近期學校提出了建設世界一流大學和一流學科（“雙一流”）的重大戰略目標，核心任務是培養具有歷史使命感和社會責任感、富有創新精神和實踐能力的各類創新型、應用型、復合型優秀人才，人才培養質量已經成為評價“雙一流”建設水平的重要指標。研究生是研究型大學科研的主要力量，人才培養同樣也要強調研究生教育。研究生教材建設和教學方法改革的目標是要強化研究生創新意識和創新能力的提高，為其后續幾年的實驗室科研工作打下堅實基礎。眾所周知，化工是北京化工大學的重點學科和專業。單元操作是化學工程的基本要素，而在眾多單元操作之中，特殊蒸餾與液液萃取是應用最廣、能耗最高的單元操作，其一個微小的技術進步就有可能帶來巨大的經濟效益，因而在提高化工生產過程的經濟效益和社會效益中起著舉足輕重的作用。因此，作者從2007年起開始講授的《特殊蒸餾與液液萃取》課程是攻讀化學工程方向研究生的一門核心課程，且與多數研究生未來所從事的科研活動密切相關。選修該課程的研究生人數每年接近100人，一直是一門深受研究生歡迎的專業課程。

一、課程建設與改革的依據和主要思路

教學內容和教學方法直接反映教學目的和人才培養的目標。[1，2]《特殊蒸餾與液液萃取》課程具有內容豐富、理論深刻、實踐性強、與多門學科互相交叉滲透的特點，必須結合專業特色認真挑選教材及授課內容。但是，作者在多年的教學實踐中發現，現有的教材體系存在如下缺點。

第一，教材內容陳舊、重復，甚至有少量錯誤，部分內容不符合北京化工大學化工學科發展目標和現階段國內外的研究特色。為實現北京化工大學成為國內高水平研究型大學的奮斗目標，現有的教材必須改革，以適應現代化工科技發展的要求。

第二，教材文字刻板、可讀性差，缺少一些色彩鮮艷的圖片以及介紹化工新技術與新理論產生的案例。需要通過生動的案例教學，激發研究生的創新意識。另一方面，教學方法也存在形式單一的缺點，主要是采用傳統的“以教為主”的“灌輸式”教學和卷面考試方法，難以體現本課程培養創新型、研究型人才的目標。

二、更新、充實課程內容，及時把最新的專業知識傳達給學生

在特殊蒸餾與液液萃取領域，與本課程同類的國外經典教材是：Seader，J.D.；Henley，E.J.；Roper，D.K.Separation Process Principles （3rd）；Wiley：New York，2010. 但是這本教材的大部分內容依然陳舊、沒有充分考慮本領域的國際學術前沿和當前的研究熱點，例如離子液體分離過程及其預測型分子熱力學理論等。在近10年化工主流國際期刊發表的學術論文中，與離子液體相關的論文占比最大。因此，在課堂教學過程中，作者還結合自己的科研實際情況，穿插介紹離子液體特殊蒸餾與特殊吸收新技術、用整體式結構化催化劑與反應器的反應/分離耦合新技術及其相應的預測型熱力學新理論的研究進展。如此，學生在進入第二、第三學年的課題研究階段對一些新的學術術語不至于感到很陌生。特別地，介紹在化學工程領域科學發現的故事和科學家（特別是中國本土科學家）的科研經歷，使學生在學習理論知識的同時感受科學家追求真理的精神，感受化工改變人類生活的巨大力量，熱愛自己所選擇的化工事業——化育天工。

作者目前更新的該課程教學大綱框架如圖1所示。

該課程體系涉及從微觀尺度到系統尺度，順應當今“分子化學工程與過程強化”的要求。與之相配套的教學參考書和重要論文見文獻，[3-8]其中文獻[4]是第1部中國學者在Elsevier B.V.出版的化工類英文專著。2007年，作者受邀參與編寫了“歐洲過程強化路線圖”（European Roadmap For Process Intensification）技術報告之中的“萃取蒸餾”和“吸附蒸餾”2個特殊蒸餾技術。10年之后（2017年），作者又對這些過程強化技術進行了更新（http：//www.rvo.nl/sites/default/files/bijlagen/European_Roadmap_Process_Intensification.pdf）。將這些最新、實用的化工技術及時傳授給研究生，使其在以后的科研和工作中受益。

三、教學方法改革

第一，改變傳統由教師講述的滿堂灌的教學方法。研究生自由提取課堂內容的一個片段（如一種新型分離技術或新理論）進行深入學習，并形成一份PPT形式的專題報告，自己上臺講解（5—10min），其他同學則提問互動，激發了學習的主動性和積極性，從“要我學”到“我要學”轉變。

第二，充分利用現代信息技術，建立班級微信群，適應“互聯網+”時代，線上線下相互銜接。

第三，邀請校外專家講課并介紹最新的學科發展動態和其自身的實踐經歷，豐富了教學內容。作者曾經邀請國際知名化工專家Prof.Andreas Klamt來北京化工大學面對面地向研究生講授COSMO-RS預測型熱力學模型的基礎理論以及現場演示如何在COSMOtherm軟件上實現COSMO-RS計算。研究生自帶筆記本電腦、免費安裝軟件，Prof.Andreas Klamt則在現場手把手傳授如何進行操作。隨后的反饋意見表明：這堂課在研究生當中產生了強烈的共鳴，因為他們感受到了在學術大師親自指點下在課堂上就學會了一門學習和工作技能。

第四，利用作者主持召開本領域國際、國內學術會議的機會，組織研究生參加或旁聽這些會議，與專家面對面交流，激發研究生的學習熱情。2016年5月，作者主持召開了第5屆國際化工分離技術大會（ICSTC-5）。參加本次大會的代表有中國、美國、俄羅斯等國際高校、研究機構以及化工企業的70多名學者和技術人員，同時作者還要求選修《特殊蒸餾與液液萃取》課程的研究生也參與其中（免交會議注冊費）。來自國際上的專家及學者針對科學技術的重大課題或前沿領域提出了最新的綠色分離技術，展示了當前國際及國內的分離技術發展最新研究成果。作者藉此機會開辟第二課堂，以最低成本實現了研究生參與國際學術交流，提升了研究生的綜合素質和創新能力。

第五，不僅在課堂上講解特殊蒸餾與液液萃取的基本原理與新技術，而且還帶領研究生參觀申請人團隊的實驗室，從抽象到具體，認識和使用相關的實驗裝置，使他們盡快地熟悉科研工作。2015年，作者研發了一種新型的、短平快的離子液體氣體干燥實驗裝置（ZL 201510191695.0）。本學科的研究生和本科生均可自由安排時間來實驗室操作，體驗新型分離技術在實現過程強化和節能減排方面所發揮出的巨大作用。

四、考核評定方法改革

改變“一考定終身”的單一考評方式，加大平時成績的權重，平時成績根據課堂出勤率、在課堂上的表現情況（回答問題等）、平時作業完成情況、國際和國內學術會議的參與程度而定，最終考核成績的評定是由平時成績+課程報告+卷面理論考試三方面成績的加權平均。在課程報告方面，不僅可選擇追蹤一種自己感興趣的特殊蒸餾、液液萃取、超臨界萃取或其他化工過程強化新理論、新技術和新裝備，而且還可選擇編寫平衡分離過程的計算程序（計算機語言不限，但應包括題目、每行解釋語句、每步計算結果和說明等），這樣有助于研究生深刻地理解各類化工流程模擬軟件的求解過程。在卷面理論考試方面，經常出現關于采用夾點技術計算換熱網絡的最小加熱公用工程和最小冷卻公用工程的計算題目。目的是使研究生通過本課程的學習至少掌握一種實用的化工節能減排技術，未來具有獨立從事相關工作的能力。此外，還側重考察研究生分析和解決實際工程問題的能力。例如，設計一個采用特殊蒸餾方法分離工業C4混合物（包括丁烷、丁烯和丁二烯等）的工藝流程。

五、結論

蒸餾、吸收和萃取依然是現代化學工程單元操作的主體。從平衡分離過程的本質來看，狹義的特殊蒸餾是指針對相對揮發度α<1.2的液體混合物需通過添加第三組分（溶劑或分離劑）以提高被分離組分相對揮發度的蒸餾過程（如萃取蒸餾、恒沸蒸餾等）；而廣義的特殊蒸餾是指添加的第三組分不局限于液體溶劑，也可以是催化劑（如催化蒸餾）、吸附劑（如吸附蒸餾）或特殊裝備（如分子蒸餾、熱泵蒸餾）等。該課題體系內涵豐富，從如下幾方面進行了課程建設和教學新模式的探索。

第一，更新、充實課程內容，把最新的專業知識及時傳達給學生。

第二，教學方法多樣化，即二個轉變：“以教為主”向“以學為主”轉變、“課堂為主”向“課內外結合”轉變。

第三，考核評定方法多樣化，即一個轉變：“結果評價為主”向“結果和過程評價結合”轉變，加大平時成績的權重。

參考文獻：

[1]趙云霞，白佳海，周燕.《材料科學基礎》課程教學改革探索[J].教育教學論壇，2017，（39）：112-113.

[2]劉麗來，丁慧賢，劉翀，宋微娜，董永利.化學與化工類專業儀器分析實驗教學改革的探索[J].教育教學論壇，2016，（51）：95-96.

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[8]楊祖榮，劉麗英，劉偉.化工原理（第三版）[M].北京：化學工業出版社，2014.