“化学工程与工艺专业实验”课程教学创新体系建设与实践

梁杰珍， 陈小鹏， 王琳琳， 韦小杰， 张友全， 童张法

(广西大学 化学化工学院，广西壮族自治区石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西 南宁 530004)

0 引 言

我校化学工程与工艺专业是根据国家教育部1996年的专业调整方案由原无机化工、有机化工、精细化工和生物化工等专业归并而成的宽口径专业，2008年根据广西能源发展的需求，又新增了能源化工专业。由于从五个专业调整为一个大专业，原来与之对应的专业实验室也要相应作出调整和合并。“化学工程与工艺专业实验”是该专业一门必修课程，教学时数为54学时。“化学工程与工艺专业实验”课程原来的实验项目是基于单元操作类型来设计[1]，存在实验项目分散、零乱的状况，无法适应21世纪化学工业“产品工程”发展的新趋势。因此必须改革“化学工程与工艺专业实验”课程的教学内容和方法，紧紧围绕“产品工程”的模式[2-5]来重组、优化专业实验项目，使“化学工程与工艺专业实验”课程教学内容环环相扣，形成一个有机整体。本课题组从2000年开始对化学工程与工艺专业实验教学内容和教学模式进行了改革和实践，根据“产品工程”新理念[6-8]和“一个平台+五个模块”为主线，构建了“化学工程与工艺专业实验”课程教学创新体系。经过12年的教学改革与实践，有了如下一些体会。

1 整体性与先进性相结合，构建专业实验“产品工程”的创新教学体系

《化学工程与工艺专业》课程由于原来面向的专业有无机化工、有机化工、精细化工、生物化工和能源化工等专业，条块分割多，缺乏整体性和先进性的规划。本课题组经过深入调查和研讨，从教学理论的高度提出了以“产品工程”的新理念来整合专业实验教学内容，紧紧围绕着“产品工程”的模式 “产品功能结构设计+原料→与处理→化学反应→精馏分离→产品分析测试+过程设计+商业计划”来重组、优化专业实验项目，使实验教学内容环环相扣，形成一个有机的整体，把全部专业实验项目组合在一起则是一个完整的产品开发过程，即所谓的“一个平台”。通过一个完整的化工产品工程的专业实验教学，从而达到培养学生整体思维方法和产品工程的创新能力。“产品工程”新概念被认为是21世纪化学工程学科发展的一个新的研究范式和新的经济增长点，2000年美国著名大学普林斯顿大学化学工程系主任Wei J 和明尼苏达大学Cusster E L[9-10]将“产品工程”定义为：设计或革新人们所需要的产品的过程，面对市场进行产品功能的创新或性能的改进，而产品的结构和性质的关系是“产品工程”研究的中心内容。本课题组依据“产品工程”新理念开展一系列的科学研究工作，而且把先进的科研内容和成果引入到化学工程与工艺专业实验教学中，调动了教师指导专业实验和学生完成专业实验项目的积极性，从而提高了专业实验的技术水平和教学质量，培养了学生“产品工程”的创新研发能力。例如开设的松脂、松香、松节油深加工系列实验，从“产品工程”的角度给学生进行了松脂主要化学成分的分析测试实验，了解松脂组成的分子结构和性能特征，提出松脂深加工产品的目标功能、经济、环境和市场等方面要求，精心设计了“松脂催化加氢联产氢化松香和高顺反比蒎烷”、“松节油体系汽液平衡”、“氢化松节油精馏”以及“松脂深加工产品分析测试”等专业实验项目，构成了一个完整的松脂深加工“产品工程”平台。在具有共性的“一个平台”基础上，根据五个专业方向的特殊性又开出了“五个模块”的选修专业实验项目以满足不同专业方向人才培养的需求。比如能源化工的 “重质油催化裂化反应-气相色谱检测实验”、“石蜡固液溶解度测定实验”和“石油油品理化性质参数综合测定实验”等。又比如生物化工的“ATP的生物合成与检测实验”和“赖氨酸的发酵生产实验”等，实现既达到了专业培养的基本要求又满足了不同专业方向的特殊性需要。根据“产品工程”新理念和“一个平台+五个模块”为主线，编写了有地方特色的“化学工程与工艺专业实验”教材，经过12年的使用和不断地修改与完善，该教材现已由国家一级出版社——化学工业出版社出版发行。

2 系统性与特殊性相结合，构建专业实验“学科交叉”的创新教学体系

化学工程与工艺专业实验原设无机化工、有机化工、精细化工、生物化工和能源化工五个方向的专业实验项目，开出的实验项目数量多，且各自独立自成体系，相互间没有任何关联，系统性与科学性的结合很少。本课题组提出了“一个平台+五个模块”的化学工程与工艺专业实验教学体系，实现了实验教学内容同一性与特殊性的相结合。所谓“一个平台”指的是学生必修具有共性的实验项目，主要包括产品工程学与工艺学方面的内容，约占总学时数的60%；“五个模块”指的是无机化工、有机化工、精细化工、生物化工和能源化工各专业方向根据自身的特殊性要求和教师恰当的科研项目开出部分选修专业实验，学生可根据自己的兴趣和爱好进行选修，所占总教学课时的40%。通过“一个平台+五个模块”的专业实验教学体系的建设，融汇贯通了五个学科的专业实验教学内容，体现了五个不同学科之间的交叉与特色，既拓宽了专业实验的教学内容又尊重了学生的个性爱好，从而激发了学生自主研究性学习的积极性和培养了多学科交叉创新的思维方法。比如2008年以来，自治区政府提出了新的重点发展“14+10”产业集群战略，在“14+10”产业集群中，石化和新能源产业群被列为广西经济与社会发展新的增长点[11]。因此我校化学工程与工艺专业新增了“能源化工”新专业方向和能源化工实验室。本课题组于2008年初开始着手研究“化学工程与工艺专业实验”课程中增设能源化工方面的教学内容，以适应培养石化和新能源人才衔接的问题。经研究确定以传统的化工实验项目为基础，增设石化资源和生物质能源等交叉学科的专业实验项目，其中有“超临界甲醇与松脂酯化-裂化反应制备生物柴油实验”、“催化柴油加氢精制脱硫实验”和“石油常减压蒸馏——油品气相色谱分析实验”等专业实验项目。由于这些实验项目和内容紧跟广西经济发展趋势，又是当今化学工艺与能源化工交叉学科研究的热门课题，有效地提高了学生专业实验学习的热情和科学探索的精神。

3 专业实验与学科发展相结合，构建专业实验“紧跟学科前沿”的创新教学体系

学科发展日新月异，专业实验教学一旦与学科发展脱节则会“落伍”，学生做起专业实验也毫无兴趣，导致专业实验教学失去“生命力”。我校化学工程与工艺专业实验室所在的学科是自治区级重点学科，拥有化学工程与技术一级学科博士授权点和一级学科硕士授权点。“化学工程与工艺专业实验”课程能够充分依托自治区重点学科、重点实验室和学位点发展来建设，获得了紧跟学科发展前沿的优势和特色，得以建成一批先进的专业实验装置[12]，不断地更新专业实验的教学内容和实验方法。比如反应-精馏一体化、激光监视-计算机在线采集数据-固液溶解度、超临界状态反应与分离和高压反应-PLC-计算机远程通讯-气相色谱在线分析等专业实验项目。使学生通过专业实验教学感受到学科发展前沿的氛围，开阔学生在化学工程与技术学科的新视野，培养学生具备学科前沿专业实验知识和创新实践的能力。

4 以专业实验项目延伸为毕业论文与设计课题，提高二者教学质量和学术水平

“化学工程与工艺专业实验”是大四上学期开设的课程，而毕业论文与设计是在大四下学期开展的教学环节。由于化学工程与工艺专业的毕业论文和设计课题基本上都是教师国家级、自治区级的科研项目或企业产品技术开发项目，大部分都是紧跟学科发展前沿的课题[13]，研究的内容复杂且难度较大，为了延长毕业论文和设计的教学时间，把专业实验与毕业环节教学有机地结合起来，促进二者相互转化和拓展，既提高了毕业论文与设计的教学质量水平又更新了专业实验装置和增添了专业实验新的教学内容。比如有位学生在进行专业实验“氢气在松脂中的高压溶解度测定”时，发现压力变化很快，人工读数误差很大，而且是高压实验，在现场读数不安全。指导教师和学生进行了深入的讨论，把专业实验的部分内容拓展为学生的毕业论文题目“高压反应实验的计算机测控系统”，该课题是国家自然科学基金资助项目。由于是在科研实际中发现的问题，学生自主研究的积极性很高，充分利用课余时间做实验，就连屏蔽电缆的采购、布线、安装等都是学生自己动手完成。该装置采用可编程程序控制器(PLC)进行温度、压力的远程采集和调节，并利用自己开发的软件，控制计算机与PLC的通讯和数据处理。又比如专业实验“超临界甲醇与松脂酯化-裂化制备生物柴油”项目拓展为毕业设计课题，学生有了自己亲自做实验的操作经验和基础数据，完成其生产工艺的计算与设计更是得心应手。通过“专业实验+毕业设计与论文”的组合，充分保障了毕业论文和设计的教学时间，学生既完成了一篇好的毕业论文又为专业实验室建成了一套现代化的先进实验装置。自2006年以来，本课题组指导学生完成的毕业设计和论文共获自治区级化学化工类优秀论文奖一等奖和二等奖共31篇，建成化学工程与工艺专业实验装置7台(套)，这些实验装置的建设成果多数发表在核心期刊《实验室研究与探索》上[14-15]，其中“超临界甲醇与松脂反应制备生物柴油实验装置[15]”发表在该刊物2012年第2期的首篇，说明该实验装置获得了同行的高度认可。

5 改革成效

经过12年深入的系统研究和不断地改革与实践，解决了化学工程与工艺专业由原来无机化工、有机化工、精细化工、生物化工和能源化工等五个独立专业合并为一个宽口径大专业的专业实验课程教学内容和教学模式问题，创建了“化学工程与工艺专业实验”课程教学创新体系，提高了专业实验的教学质量和水平，培养了学生的创新思维方法和实践动手能力。本项目主要改革成效有：

(1) 由专业实验项目拓展为学生毕业设计和论文课题，提高了专业实验与毕业环节的教学质量和学术水平。2006年以来，指导化学工程与工艺专业本科生所完成的毕业论文和设计获得自治区级优秀论文奖一等奖和二等奖31项，本科生发表学术论文34篇。

(2) 自2006年以来，化学工程与工艺专业实验教学改革成果和教学论文获得自治区级和校级等各类奖项36项，发表专业实验教学改革论文20多篇。

(3) 以化学工程与工艺专业实验室为基地，促进了专业实验室与重点实验室的一体化建设。2006年以来，建成自治区重点实验室：“广西石化资源加工及过程强化技术实验室”；国家重点实验室：“国家非粮生物质能源工程技术研究中心——热化学实验室”。

(4) 以“产品工程”和“一个平台+五个模块”为主线、实验教学与科研相结合为主要内容，新编写了有地方特色的“化学工程与工艺专业实验”教材，并由国家一级出版社——化学工业出版社出版发行。

6 结 语

以“产品工程”和“一个平台+五个模块”为主线，重组和优化化学工程与工艺专业实验项目和教学内容，紧密结合广西资源特色和优势，构建了学科交叉的化学工程与工艺专业实验创新教学体系，编写了有地方特色的“化学工程与工艺专业实验”教材；以专业实验项目延伸为本科生毕业论文和设计课题，把二者有机地结合起来共同提高教学质量，所完成的本科生毕业论文与设计课题获自治区级优秀论文和设计奖31项，学生与指导教师共同署名发表学术论文34篇，有效地提高了“化学工程与工艺专业实验”课程的教学水平。

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