分層次化工實驗與實踐教學體系的設計與實踐分析論文
分層次化工實驗與實踐教學體系的設計與實踐分析論文
化工實驗與實踐教學是化學工程專業教學的重要環節之一。實驗與實踐教學具有獨特的教學方法和手段，在培養學生綜合運用知識的能力、創新意識、靈活的思維框架等方而具有重要的作用。國內以天津大學，華東理工大學、浙江大學、北京化工大學、大連理工大學為代表的理工科高校，在實驗教學課程設計上結合本校的理論課程與專業特長，類型包括了物性數據測定實驗、反應工程實驗、化工分離實驗、化工工藝實驗和研究開發實驗等。由于各高校具體條件的不同，實驗教學課程的設計略顯不同。但基本思想均緊密圍繞單元操作而展開，最主要的內容及設備都大同小異。圍繞精餾、萃取、吸收、干燥、過濾、傳動等基本的單元操作是化工實驗教學的核心;熱量傳遞、動量傳遞、質量傳遞貫穿實踐教學體系的各個環節。因此，化工實驗教學課程設計仍以傳統的單元操作為主要抓手。
2010年6月教育部“卓越工程師計劃”啟動后，理工科類的高校都在加緊對現有的課程體系進行調整或改革，由于各個高校本身的特質不同，因而對實驗與實踐類課程改革方向各有側重。但總體而言，主要通過增加實驗內容、基本單元操作的聯合、學科間知識的融合、增加工程實踐實習類實驗和增加計算機模擬五種形式來實現。
一、實驗與實踐教學體系的整體設計
清華大學作為首批入選教育部“卓越工程師教育培養計劃”的高校，實施卓越計劃的總體思路是—繼續強化“厚基礎、重實踐、求創新”的人才培養特色，著力提高工程教育質量，致力于培養“研究型、管理型、創新型、國際型”等多類型的卓越工程人才。清華大學化工系將本科生工程實踐能力的培養貫穿于本科教育的全過程，根據學生在大學期間的不同階段，提出“分階段培養、分層次教育、多樣化發展”的工程實踐教學實施計劃，并不斷完善實踐教學體系，拓寬實踐教學范疇，整合實踐教學資源，加強培養學生的工程意識、工程思維、工程能力。通過整合校內外多種資源，我系逐步推進分層次實驗與實踐教學體系建設。
其中，實踐類教學內容包括化工概念實習、認識實習和生產實習，全部依托社會教育資源，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個學生實習基地，分別是中石油寧夏實習基地、寧波實習基地、神馬集團平頂山實習基地和山東寶莫集團實習基地。實驗類教學內容包括化工基礎實驗、化工專業實驗和化工過程仿真，其中既有具體的實驗操作，也涉及化工生產工藝的過程控制與仿真實訓。
二、實驗類課程建設
在學校關于工程學科人才培養總體思路指導下，我系結合化工專業特點及化工實驗教學中心的定位，認真研討化工系實驗教學建設的思路，在前期工作基礎上對化工實驗教學體系進行整理，系統梳理相關實驗課程內容與化工專業基礎知識、工程和科研的能力、本系學科方向和特色科研成果、現代數學和計算工具應用等要素之間的聯系，為實驗教學內容設計、實驗教學課程目標的重新定位及教學模式的調整與改革，提出了革新升級的系統方案—三個層次實驗平臺的規劃與建設。實驗平臺建設以學生為主體，根據各個層次實驗平臺在教學環節中所處的位置，我系精心設計每一個實驗，使其既有明確的實驗目標，又有很大的空間可以發揮學生的主觀能動性。
(一)化工基礎實驗平臺
化工基礎實驗屬于專業基礎課，是培養學生理論聯系實際、動手能力的重要實踐教學環節。本課程以驗證型實驗為主，重在培養學生掌握基本概念、典型單元操作過程的機理和規律，并完成實驗操作、數據處理、儀器的使用等基本訓練。通常這種實驗課都是老師設計好實驗過程，學生去操作、體驗一下，很多實驗操作是固定的，實驗結果也大多是事先知道的。因此，我系對化工基礎實驗平臺的建設，從實驗任務書的設計入手。首先，將原先的實驗目標全部設計成實驗任務，取消原先講義中的操作步驟，取而代之的是實驗中要使用的實驗裝置使用方法和安全須知。其次，建立相關單元操作的教學實驗室，將原先涉及同一領域的有關實驗裝置、實驗設備、工業模型及真實的工業裝置上拆下來的零件，全部集中在一個實驗室內，根據實驗裝置的特點來重新規劃實驗任務，不同的實驗裝置側重的實驗教學內容不同，形成實驗組。化工基礎實驗平臺由流體阻力實驗組、流體力學實驗組、精餾實驗組、吸收實驗組、干燥實驗組和傳熱實驗組共18臺套實驗裝置組成，每個學生必須完成超過36項實驗任務。經過這樣多角度的實驗訓練，學生有效提高了對化工原理的理解和掌握水平，也鍛煉了自己的動手操作能力。
例如:液體精餾組合實驗通過集成多種精餾工藝過程，結合精餾設備展示平臺，構建了多維實驗思路與實驗教學內容，幫助學生從傳質的角度去理解精餾原理，以及相關各種因素是怎樣通過傳質對過程發生影響的;同時，改變過去枯燥無味地對傳質設備的結構描述和優缺點評價，讓學生通過一些真實的、具有時代特點的實物展品，從其歷史的發展中去發現既深刻又豐富的內涵。通過實驗，學生自己總結了實驗結論，并自主架構了精餾過程的知識體系。
(二)化工專業實驗平臺
化工專業實驗不同于化工基礎實驗，它強調通過綜合運用己經學過的化工技術解決實際問題的能力，培養學生針對復雜過程問題，設計實驗方案，在測定過程參數的基礎上，進行實際系統設計，提高解決工程問題的綜合能力。因此，化工專業實驗平臺的設計大多以完整的產品加工處理過程為對象，要求學生運用基本原理，分析化工生產過程從原料到產品的整個過程中物質轉化、能量守恒、信息傳遞現象。化工專業實驗平臺的實驗內容是比較接近真實的科學研究或者工程應用的，具有一定的知識深度和擴展性，專業實驗由專業基礎訓練模塊、分離工程模塊、材料與環境工程模塊、生物化工模塊與反應工程模塊組成。
化工專業實驗的教學模式經過多年的摸索與實踐，能充分發揮主動式學習的優勢，滿足學生對專業實驗的個性化需求。自2009年開始，實驗中心開發了化工專業實驗二級選課系統，在此系統與實驗室開放式運行機制的共同支持下，專業實驗課的組織并行兩種實驗教學模式:一種是傳統模式，即學生根據自己的興趣，從現有的15個實驗中選做8個。這樣選實驗的隨機性很強，實驗之間相對獨立，滿足實驗課程的基本教學要求。另一種就是完成專題式，學生在一開始不是選實驗，而是選擇專題，專題下而包含若干具體的實驗項目。例如，專題1:請設計一套日處理城市污水200噸的凈化流程與設備。專題二:請設計一套生產2000噸無水乙醇的工業裝置。學生選擇實驗專題后，自行設計實驗方案，然后根據方案中涉及的實驗內容，通過具體實驗來完成，最終形成的實驗方案，并與選擇相同任務的小組進行競賽比較。 在現有的兩種教學模式并行的條件下，化工專業實驗平臺致力于創造有利于學生自主實驗的氛圍，讓學生主動參與，經歷知識的形成和建構過程。這樣，學生才能樂于探究，勤于實踐，把“要我做實驗”轉變為“我要做實驗”。在傳統的教學模式下，每一項實驗過程的設計都遵循以下的三項基本原則:
1.質疑原則—變“機械接受”為“主動探究”;
2.交流原則—變“個人競爭”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驗的教學過程中，參加實驗的同學組成了“試車小組”，實驗目的是為了完成“該裝置的冷態開車與正式投產”。實驗過程分為兩個目標，一是將裝置從冷態開車至穩態，二是在穩態操作的基礎之上，提高塔頂產品的純度，直至采出合格產品。
隨著化工學科的發展，化工專業實驗內容的安排與設置也不是一成不變的，為此，化工實驗中心建立了合適的實驗項目進入及退出機制，根據專業建設的需求，有針對性地開設或者取消實驗項目。一方而使每一個實驗項目，從內容設計到與其他實驗項目之間的聯系都經過精心的安排，并且緊密結合理論課程的需求;另一方而，這一更新機制、可以保持實驗內容的設計符合化工系學科發展的要求。
(三)化工生產實訓平臺
在化工生產實訓這一接近工業實際生產流程的實驗教學環節，實驗中心共建成四套裝置，包括大型流化床冷模實驗裝置、X600塔冷模實驗裝置、帶DCS的萃取和精餾裝置、生產雙酚A型環氧樹脂的小試級和帶DCS控制的生產裝置。這些實驗教學過程，體現了真正的學科交叉、煉化一體化的概念，以及化工生產過程與高分子材料應用的交叉、化工生產與化工過程控制的交叉、化工技術經濟與化工系統安全的交叉等意義。
三、總結與展望
以上分階段、分層次化學工程實驗與實踐教學體系的建設，拓寬了學生對化學工程基本理論的理解和掌握，使學生在實驗操作能力、裝置設計能力和復雜化工過程分析判斷能力方而得到了全而訓練和提高。由于學生是在自己動手、動腦過程中通過自主思考和討論獲取的知識，因而極大加深了對工程理論的理解深度和廣度，有利于合作意識的提高，有利于培養具有獨立創新意識和能力的高素質工程技術人才和一流的科學研究人員。
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