面向创新型大工程观人才培养的多元化化工实践平台的构建

周爱东，李 磊，周 政，赵 蕾，杨红晓

（1.南京大学 化学化工学院，江苏 南京 210093；2.南京师范大学 分析测试中心，江苏 南京 210046）

工程教育萌芽于欧洲，早期工程教育起源于实科教育或专科教育。工程教育推动技术革命和产业革命，同时推动社会发生深刻变革及自身的深化发展。

1 大工程观教育的核心思想

目前，欧洲工程教育中普遍将工程项目结合到教学中的做法，对于培养学生解决实际问题的能力颇见成效。在完成项目的过程中，将课堂、书本上学到的理性知识与实习中的感性经验相互补充、相互结合，学生的沟通交流能力和共同协作精神也得到了锻炼和培养。1994年美国麻省理工学院（MIT）工学院院长乔尔·莫西斯首先提出大工程观，大工程观教育的理念就是要建立具有大工程观、大系统观、大集成观的工程教育体系。自MIT提出回归工程以来，大工程观越来越为工程教育界所认可，美国工程教育界掀起了回归工程浪潮［1］。

在我国2006年教育部战略研究重大专项课题“面向创新型国家建设的中国工程教育改革”研讨会提出：要使课程设置从单一的“工程专业课程”传授转变为“大工程观、大系统观”为指导的课程架构体系，凸显出工程教育的一种回归，回归到工程实际服务的素质要求。

大工程观的核心思想就是思维整体性与实践可行性的统一，以及工程与科学、艺术、管理、经济、环境、文化的融合［2］。大工程观理所当然地成为指导培养未来行业精英、行业领袖的高等工程教育的指南。

2 当前我国化学工程教育存在的问题

化学工业是国家的支柱产业之一，影响着国民经济的整体发展及人类社会的长远发展。我国化学工程教育经过近几十年的发展，为国家输送了大量的建设人才。一段时间以来，理科化工、化学教育走上了学科化、学术化道路，使理论与工程实践联系不够紧密，仅具有狭窄的技术知识背景的学生难以掌握现代化学工程技术。建设创新型国家，需要大力培养创新型人才。目前，我国还不是化学工程教育强国，尚不能充分提供符合社会、经济发展的合格工程人才。问题集中在：

（1）由于传统实践教学体系的主线不是“科学研究能力”的培养，因而缺少科学研究训练的有效办法和可靠的保证；

（2）定位不准确，对学生理论培养往往教条化，实践环节薄弱，科研素质和创新能力得不到有效提高，学科专业设置过窄，人文教育薄弱，学生综合素质得不到有效提升；

（3）由于化工行业的特殊性，化工类专业学生实习难，到企业实习只能看，不能动手操作，实习效果不佳；

（4）实践教学体系没有完全将课程实验、课程设计、生产实习、毕业设计和课外科技活动等有机结合，脱离社会需求，实践教学不能准确反映当前化工学科实际和最新发展动态，理论与实践脱节，很少拓展到创新、创业能力培养的环节。

化学工业人才的大工程观意识、工程素质和实践能力［3］将会直接影响化学工业的未来发展。这些问题的存在，势必影响我国的经济和社会发展，同时也制约化学高等工程教育的可持续发展。

3 构建多元化化工实践平台的背景

目前世界各国的高等教育都非常重视创新能力的培养，大学生科研项目是培养创新能力的一个平台。1969年 MIT首倡的 Undergraduate Research Opportunities Program（简称UROP，本科研究机会计划）作为一种有效尝试，经过40多年的发展与变革已成为世界诸多知名高校普遍效仿的做法［4］。

国家发展战略的核心、提高综合国力的关键是提高自主创新能力。建设创新型国家，需要大力培养创新型人才。2009年南京大学在国内率先全面实施“三三制”人才培养模式，即建立“大类培养、专业培养、多元培养”3个培养阶段和“专业学术类、交叉复合类、就业创业类”3条发展路径，拓宽学生的知识面，为学生提供个性化发展空间，促进学生个性化成才和创新能力的发展。

培育大工程观人才是化工学科教育发展的必然趋势，是培养具有较强的工程实践能力和较高人文综合素质的复合型人才的客观要求。此背景下，将化工仿真实训、科研素养训练引入到化工实践，把工程教育从过去重视工程科学转变到更多地重视工程系统及其背景上来，拓展化工仿真实训内涵，改变现场参观这一传统化工实践教学模式为“仿真实训 ＋ 现场实习 ＋ 科研素养训练”的新模式，构建多元化化工实践平台，树立大工程观，回归工程实践，培育大工程观背景下具有创新精神和创新能力的高素质未来化工行业精英、领袖。

4 构建多元化化工实践平台的实践

4.1 化工仿真实训教学

大工程观背景下，全流程级化工仿真实训采用DCS系统（与大型化工企业的控制系统相同）仿真智能化，由于模型复杂、工艺系统庞大，课堂教学存在一定难度，这部分流程级化工仿真实训采用开放式教学方法。

开放式化工仿真实训教学可改变传统的教学模式，让学习不受实验室、学时和实验项目的限制。通过对全流程级化工仿真（如：石油炼制常减压蒸馏系统）流程的深入剖析、工艺与设备的介绍，使学生建立典型工业过程的背景知识，包括工艺流程、设备、控制方案、操作参数等，透彻了解生产工艺流程的组织原则、设备内部结构、物料流动状态及作用原理、工艺条件的控制手段等更深入的内容，逼真地显现出真实生产过程（或装置）的实时动态特性，感受到现代化生产的气氛。动态仿真数学模型能模拟千变万化的工况，学生训练时不同的操作步骤、操作力度、操作时机及控制策略都可能产生不同的响应。

多变的工况为学生展开了广阔的思考空间。学生自发地展开热烈讨论，相持不下的意见能通过仿真实训见分晓。学生身临其境般地熟悉和掌握实际生产过程的操作方法以及常见事故的处理办法，优化开车、停车方案，培育学生的工程观念，最终回归工程［5］。

4.2 化工现场实习

教学过程中，学生的训练与教师的工艺流程讲解有机结合，必要时请工厂的技术人员给予点拨、实地参观学习，实现全流程级化工仿真优化开车、正常生产、安全停车等一系列环节。在此基础上拓展化工仿真实训内容，在教学中以学生为主体，以教师为主导的基于探索和研究的教学模式，加强师生间的互动交流（采用课堂设问、专题研讨、文献阅读等方式实现与学生间的交流），围绕教学的重点、难点和学生的实际情况，做到让学生带着疑问学习，主动思考。使学生了解工程的本质和特征、工程与科学技术的区别与联系、工程的技术要素和非技术要素、工程思维与科学思维、技术思维、艺术思维的区别［6－7］；认识创新在工程发展中的核心地位，培育工程思维、工程创新意识，培养大工程观。

在实践的基础上，从伦理学视角，使学生了解工程的质量、安全与风险，了解工程人才应该具备的多重责任意识，在工程运行中发生利益冲突时应该遵守的价值标准和职业操守，在工程实施中应该承担的技术责任、经济责任、法律责任和道义责任，培养学生树立正确的价值标准和职业操守［8］。

4.3 科研素养训练

化工实践课程是南京大学国家级化学实验课教学团队的核心课程之一，化工基础实验室是国家级化学实验教学示范中心的核心基础实验室之一，依托于在国内有重要影响的应用化学学科及南京大学分离工程研究中心，有一支基础知识扎实、科研实践经验丰富、年富力强、团结协作的教学科研复合型教学团队；团队成员研究成果已大规模用于石化原料和产品的分离、化工废料的回收、香料和医药化学品的精细分离，及复杂天然物质的分离过程中。教师进行科学研究能够不断地汲取该学科领域最前沿的研究成果，以最新的研究成果来丰富实践教学内容，从而激发学生从事本学科科学研究的兴趣，加强学生科研素养的训练［9］。

科研素养不仅包括科学研究的方法论原则和研究方法、研究能力，还包括研究意识、研究习惯、研究态度、心理素质等对于科学研究的情感因素，而最为重要的是以“探索求真、理性思考、严谨实证、怀疑反思”为特点的科学精神［10－11］。科研素养训练是培养创新型人才的有效方式，在化工实践平台创设一个“在研究中学习”的良好氛围，彰显研究情境，使研究无处不在、学习无处不在，如“扑面之春风”般将学生引领到科学殿堂的入口，让学生在研究和学习的过程中深刻体验科研的本质。

通过科研训练，培养学生的科研素养和科学精神，促使其成长为具备深邃的思想、渊博的知识、丰富的实践，能够触类旁通去解决实际问题的创新型人才［12］。科研素养的培养是提高学生工程实践能力和创新能力，并使其具有长期发展潜力的重要保证。

以石油炼制常减压蒸馏系统化工实践为例，依托地方石油化工行业、南京大学分离工程研究中心的工程实践优势，吸收本学科的重要进展和最新信息，不断提升化工实践课程内涵。让学生处在学科发展前沿，了解学科发展动态、方向［13］，如中国石油石化行业石油炼制技术经过多年的发展和技术积累，在加氢裂化、渣油加氢、催化裂化、加氢精制、催化重整等方面都拥有一系列自主技术，并在部分领域达到世界一流的水平。以此激发学生的行业自豪感、民族自豪感及钻研精神；在环境保护、保健、安全标准日益严格等因素的推动下，要求石油炼制企业生产环境友好产品，生产工艺中要提高工艺选择性和安全性、减少副产品和污染物质的排放，采用高效、无毒害的催化剂，节能降耗，实现清洁生产；在石油炼制技术不断发展推广的同时，国内的炼油技术仍然缺乏支持更高排放标准的清洁油品生产技术、含酸原油加工技术、重油深加工技术等许多不足，存在技术水平依然偏低等不足；石油炼制为世界创造了巨大财富的同时也存在着潜在事故风险。

对石油炼制系统事故统计分析，建立风险评价标准体系，采用风险识别、风险分析和对环境后果计算等方法进行环境风险评价，提出减少风险的事故应急措施及社会应急预案，为工程设计和环境管理提供资料和依据，以期达到降低危险。实训过程中突破常减压蒸馏系统内容的局限，广泛涉及石油炼制相关的热裂解技术、延迟焦化技术、催化裂化技术、加氢裂化技术、催化重整技术、清洁汽油生产技术等，上述内容需在实践之后为学生开设专题进行专业科研素养训练。

5 结束语

构建“仿真实训 ＋ 现场实习 ＋ 科研素养训练”系统的、完善的多元化化工实践平台，是将课堂教学与直接获取实际经验和实践能力的生产实践、技术开发、实际应用进行有机融合的开放式教育模式，在较深层次上改革了教学方法与手段。通过这个平台全方位、深层次的协同作战，潜移默化地锻炼学生的工程实践能力，培养创新意识与能力、培养实践能力与科学素养、体验科研过程；平台与时俱进，有助于培育大工程观背景下具有创新精神和创新能力的高素质化工行业精英、领袖。

正如有学生所说：“仿真实训 ＋ 现场实习 ＋ 科研素养训练的化工实践模式让我们看到了自己知识的肤浅，原来竟还有那么多东西要学。大学三年下来，我们接触的大多是理论，感觉像纸上谈兵，对学的东西到底怎样在实际中应用没有感观认识，但是经系列规范完整的化工实践后，心中真的有了一种热爱自己所学专业的冲动”。

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［3］时铭显.高等工程教育必须回归工程和实践［J］.中国高等教育，2002（22）：14－15.

［4］刘宝存.美国大学的创新人才培养与本科生科研［J］.外国教育研究，2005（12）：39－43.

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［6］卫静莉，张莹琪，宫晋英，等.多元化构建化工专业实践教学的探索与实践［J］.化工高等教育，2007（6）：71－73.

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［12］隋金玲，吴波，李合增，等.石油化工类专业企业实习教学模式的创新与实践［J］.实验技术与管理，2012，29（7）：125－128.

［13］张炳生，林西平，王正洪.石油化工工程实践教学体系的构建与实践［J］.化工高等教育，2007（3）：41－44.