基于CDIO理念的化学工艺实践教学的构建和探索

鲁伊恒，武成利，王金明，王 震，陈晓玲

(安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001)



基于CDIO理念的化学工艺实践教学的构建和探索

鲁伊恒，武成利，王金明，王 震，陈晓玲

(安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001)

阐述了国际CDIO工程教育模式的应用、培养大学生工程技术能力、从本校的实际出发，使得学生具备高质量创新能力和实践能力；基于化学工艺实践建设、实践内容改革和工程项目设计、培养教师工程素养、构建效果评价体系，构建了多层次的实践教学体系；包括化学工艺培养实践、化学工艺模拟、化工概念实习、化工生产实习和毕业实习，为开发学生的工程、创新和团队意识创造了条件。

CDIO；化学工艺实践教学；实践内容改革；项目设计

随着科学技术和社会经济的快速发展，对工程技术人员在化工行业产生了更高的要求。化学工艺是化学工程与技术的二级学科，是工程科学之一，实施CDIO模式是化学化工专业教学改革的大趋势[1-2]。化学工艺实践教学在化学工程与工艺专业课程体系中起重要作用，是重要的教学内容和教学手段，是培养本科生CDIO工程质量的方法之一；关于化学工艺、精细化工及其CDIO实践教学改革的论文报道较多[3-8]。化学工艺实践教学含有化学化工训练实践，化工仿真，化工感性实践，化工生产实习，课程设计，化学反应工艺实验，化工原理实验，大学生研究项目和毕业实习等。根据CDIO项目的原理，综合优秀教学资源的各个方面，构建了一个化学工艺实践教学平台。化工工艺实践教学改革不仅是提高教学质量的重要手段，也是提高学生就业能力、竞争能力和工程能力的重要措施。

1 构建多层次的化学工艺实践教学体系

基于CDIO的工程教育模式，坚持以学生为主体，教师在教学安排中发挥主导作用。设计全面的实验设置，为学生主动学习提供更多的机会和动手实践，帮助学生发展个性和创新能力。化学化工实践教学体系是基于校级化学化工实验教学示范中心和虚拟仿真实验教学中心，分层次的实践教学体系，包括课程的教学演示，化工工艺模拟操作，综合性化工工艺实践，化工设计和研究创新，这是其基本性、全面性和研究特色。化工工艺实践教学体系已在教学实践中被用于如化学化工训练实践、化工工艺仿真、化工工艺感性实践、化工生产实习、课程设计、化学反应工艺实验、化工原理实验、大学生研究项目和毕业实习，如化学工艺实践教学平台建设。

(1)基础实习：化工模拟(硫醇甲基锡稳定剂及金属皂在PVC中的加工试验、硫醇甲基锡热稳定剂的生产工艺、高分子分离膜全氟磺酸离子交换复合膜的生产工艺、3D虚拟模拟生产)、教学演示(化学工艺模拟软件、化学工艺原理、多媒体、材料图书馆)。

(2)高级实习：高级化工实习、硫醇甲基锡及金属皂稳定剂在PVC中的加工试验、全氟磺酸离子交换复合膜的生产工艺、生产工艺优化实验。

(3)研究和创新：创新化工工艺设计、生产设计、部分精细化工产品的合成技术、如月桂酸乙酸钠型咪唑啉的合成工艺、乙醛酸合成香兰素工艺、氯化蔗糖生产工艺、降血脂药氯贝丁的合成工艺、HBT-G型光致抗蚀剂的合成工艺、聚乙烯醇肉桂酸酯生产工艺、高分子金属催化剂的生产工艺、防嗮黑化妆品的生产工艺。

通过基础实践教学、如化学工艺实验、课程教学演示、化学工艺仿真操作、化学化工感性实践，学生取得了工艺装备和最基础的化学工艺控制的基本原则，培养了独立能力和自主学习能力。通过综合实践教学，如化学工艺综合实践课程设计、学生不仅取得了运用知识分析和解决问题综合能力，也增强了工程观念；该实践教学研究、如工艺项目的设计、创新和大学生研究项目，培养了学生的创新精神，最大限度地发挥了其能力和创造力，化学工艺实践教学平台。

1.1 课程教学演示

在课程教学演示中使用了仿真软件化学工艺软件实验和化学工艺装备的多媒体素材库，通过直观的仿真界面，显示了实际的教学过程，学生的注意力被吸引、学习的动机被激发。

1.2 化学工艺模拟

化学工艺模拟系统如“硫醇甲基锡热稳定剂的生产工艺实验模拟”、“全氟磺酸离子交换复合膜的制备工艺实验模拟”和“3D虚拟-硫醇甲基锡及金属皂稳定剂在PVC中的加工试验工艺模拟”。随着DCS模拟的引入，学生可以模拟工厂的流程、停车和正常运行、各种事故的处置；教师可以实时提供和修改培训内容、通过相互连接的教师界面组织考试和总结成绩；化学工艺仿真可以弥补动手能力的不足，真实再现了化学工艺和化工生产过程。

1.3 综合性化学工艺实践

多功能化工装备是为综合性化工工艺实践提供，如硫醇甲基锡热稳定剂的生产工艺反应釜、工艺流程控制设备、原料中间体及产物在线检测仪器、工艺过程优化设备。该培训项目帮助学生将基本的化学过程与工程实际相结合，建立了工程概念。又如“全氟磺酸离子交换复合膜的生产工艺”，通过在线仿真DCS控制系统，有助于学生理解反应原理、影响膜性能的因素、分析和检测仪器等工艺控制参数、如膜电导率、耐热和化学稳定性、离子交换能力等。

1.4 化学工艺设计

化工工艺设计要求学生独立完成教师指定的任务。如根据给定的“氯化蔗糖生产工艺”设计任务，教师和学生可以自由选择“蔗糖-6-酯”，“三氯蔗糖-6-酯”或“脱除酯基精制”生产单元，然后确定设计，最后设计参数，设计任务完成后，使用氯化蔗糖生产工艺装备进行优化。

1.5 创新和研究

该种类型的项目，鼓励学生自主创新，提出一些具有挑战性的问题，并参与国内和国际的创新大赛，申请并完成创新工程。如在教师的指导下，一些学生小组完成了“全氟磺酸离子交换复合膜生产工艺系统仿真开发”项目。

2 化学工艺实践教学体系的改革和实践

2.1 培训内容的改革、培育学生的工程分析能力

2.1.1 课堂教学集中学生讨论、培养学生理论与实践相结合

根据CDIO教育理念，课程的教学过程中专注于设计项目，学生根据项目开展话题讨论，讨论之后形成基本观点与所有与会者商讨同意后，小组派代表来介绍其作品项目，其他同学讨论发表意见，分析其优缺点，提出改进意见，最后汇总由教师提出。如在化学反应工艺过程中，分别在两个讨论会议功能，在“反应”和“控制”。讨论的重点放在理想装备和优惠工艺条件的设计，主题包括以下主要内容：(1)理想装备；(2)优惠工艺条件。讨论之前，学生进行分组，根据所选主题分析相关的文献综述。每组三四个学生，举办报告研讨会PPT(10分钟)。现场抽签决定哪个组和谁讨论报告，报告必须如期完成。报告完成后，将有一个五分钟的讨论，对学生的其他群体交流讨论时间问题，所有的学生都可以参加，最后由老师允许评论讲座结束后，学生必须提交研讨会PPT。通过讨论，学生的综合能力、创造能力、工程实践、团结协作能力得到加强。

2.1.2 采用三维虚拟现实仿真提高学生的学习兴趣

采用“做中学”的教学方法可以使学生形成学习和应用知识的良性互动，根据不同层次的实验课、多媒体课件、实验基础知识视频、3D虚拟现实模拟等教学工具是补充，以提高学生的学习兴趣和教学效果。与多媒体演示教学相比，三维虚拟现实仿真技术创造了学习者获得知识、技能、通过信息交互的新的“自我学习”环境。在化学工艺教学实践中，使用了“3D虚拟仿真软件，全氟磺酸离子交换复合膜生产工艺装置”仿真系统。显示三维虚拟仿真全氟磺酸离子交换复合膜生产工艺设备接口，在全氟磺酸离子交换复合膜的生产三维虚拟场景，它使学生了解反应器、设计和优化内部结构，使得复合膜具备更好的离子交换能力、耐热性和耐化学腐蚀性，培养了学生的分析问题能力，解决生产运营的各种实际问题。

2.2 使用以项目为中心的教学、培养学生的工程创新能力和团队合作

“基于项目的教育和学习”，项目设计和实施是为了培养学生的动手能力、工程能力和素质的有效途径。为了充分发挥、改善他们的主动性和创造性，培养高素质的工程技术人员，教学实践必须先进、具有代表性、方向性、必须跟上研究的最新进展，编写了具有专业特色和不断更新的教材内容，提高了学生的综合素质和能力。

将“Asplus”过程软件在教学实践过程中引入了项目设计，项目设计的主要内容是反应装置工艺设计，要求学生采用不同类型的化学测量反应装置选择的主题，连接到反应器、控制系统、检测系统、分离精制系统，学生必须完成各个步骤：选择反应器类型、设置材料参数，属性方法选择，进行收率过程计算，结果输出，项目报告。

每组学生必须完成根据项目进度的设计，以回复的形式进行验收，回复后提交项目报告，PPT需要确认。该项目的实施，使学生的反应装置设计能力，加深了对基本知识的理解、学生掌握了化工工艺设计技能的基本知识。该项目的实施、为后续课程和毕业提供了依据。

如毕业设计的主题为“全氟磺酸离子交换复合膜生产工艺”，学生决定按照基于“复合反应”， “高沸点溶剂”“成膜温度”和“成膜时间”的制作单元给定任务的设计方案，采用“全氟磺酸离子交换复合膜生产过程优化”，方案结果和设计参数可以通过实验进行优化。鼓励学生自主创新、参与创新竞争、对创新项目设计应用程序。在教师的指导下，一些学生小组完成了“全氟磺酸离子交换复合膜生产过程优化控制系统仿真开发”项目。

2.3 使用化学工艺实践教学平台、培育学生工程实践能力

CDIO是指C构思(Conceive)、D设计(Design)、I实施(Implement)、O操作(Operate)，该理论适用于化学工艺教学，如开展化学产品或工艺设计、分析、综合、评估和实施。本院化工实训基地具有多套化学实验室设备、化工过程综合实验设备、混合设备、分离设备，化学品输送装置实验平台，化工流体输送设备，化工生产过程优化实验设备和检测控制设备。如使用“化工生产过程优化实验装置”，配备GC-MS、FT-IR、XRD、TGA和CHI660E电化学工作站等检测仪器，选择具有实际背景的工业产品开发项目，在学校教师、企业经验丰富的工程技术人员指导下、由学生完成设计案例。

2.4 评价体系改革

根据CDIO教育理念，建立了一套完整的实践教学评价体系，如在化学工艺的教学实践中，构建了七个部分的综合评估：考勤、作业、研讨会、虚拟仿真、工程设计、试验和检查；具体要求和考核评分方法为：①出勤占5%，要求学生参加所有节点和登录；②作业5%，要求学生独立完成，课程前递交；③讨论10%，有两个研讨会，要求学生分组访问信息、总结、撰写报告，报告PPT；④模拟10%，有两个模拟，要求学生熟悉生产工艺、完成在线模拟测试；⑤项目设计占10%，要求学生完成分组的选择和反应计算，撰写PPT研究报告、回复、评估；⑥实验成绩10%，要求学生准备、全员参与、独立完成并提交测试报告；⑦考试占50%。

2.5 加强院系和企业之间的合作、突出教师的工程质量

本院建立了与安徽淮化集团有限公司、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长期合作关系，由教师、公司的工程师和技术人员、学生组成的团队共同来完成相关项目，确保实践教学的实施，探索了基于校企合作模式的专业实验室建设的新思路。

3 结 语

实践证明，基于CDIO工程教育理念的化学工艺实践教学具有鲜明的特色和优势，以基础实习、高级实习和创新研究为主线，围绕教学演示、工艺模拟、工艺实践和工艺设计，以开放式讨论、理论联系实践、三维仿真和项目为中心，实践平台为依托的化学工艺实践教学模式，使学生自主探索并解决问题，学生们普遍反映课程的教学效果有了很大改善，促进了化学工艺学课程实践教学质量的提高。

[1] 康全礼, 陆小华, 熊光晶. CDIO 大纲与工程创新型人才培养[J].高等教育研究学报, 2008(4): 15-18.

[2] 查建中.工程教育改革战略“CDIO”与产学合作和国际化[J].中国大学教育, 2008(5): 16-19.

[3] 鲁伊恒.精细化工工艺学课程的教学改革与实践[J].广州化工,2013,41(22):178-179.

[4] 廖文波,陈默,黄相璇,等.CDIO 模式下精细化学品工艺学课程教学改革与实践[J].广州化工,2014,42(21):193-194.

[5] 李和平主编.精细化工工艺学.3版[M].科学出版社,2014:38-39,101-103,118-119,276-278,302-305.

[6] 孙敏,朱玉蓉,杨保俊.基于CDIO 模式的化工专业实习体系的构建与实践[J].广州化工, 2013,41(17):222-223.

[7] 何广湘,靳海波,杨索和,等. 基于CDIO教育理念的化工设计课程改革与实践[J].化工高等教育, 2013(2):42-44.

[8] 姚运金,徐川,杨保俊,等.基于CDIO工程教育理念的化学工程与工艺专业培养模式研究与探索[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

安徽理工大学本科专业核心课程建设项目(No:20160013)。

鲁伊恒(1960-)，副教授，硕士生导师，主要从事精细化工领域的教学和科研。

G642，TQ03

A

1001-9677(2016)022-0185-03