案例库建设及案例教学探索与实践——以化学工程专业学位研究生培养为例

张莉梅 谭芸妃 魏顺安 刘作华 秦莉晓 董立春

(重庆大学 化学化工学院，重庆 401331)

案例教学是以学生为中心、以案例为基础，通过呈现案例情境，将实际问题与理论研究相结合，引导学生发现问题、分析问题、解决问题，从而掌握理论、形成观点、提高学生运用理论解决实际问题的一种教学方式，是高校培养具有较强理论能力与应用能力的专业高级人才的有效途径之一[1，2]。案例教学应用于高校教育始于19世纪70年代的哈佛大学法学院，百余年来，该种教学方法几经完善和修正，已成为世界各知名高校的一种重要教学方法[3]。

教育部《关于加强专业学位研究生案例教学和联合培养基地建设的意见》(教研〔2015〕1号)中，明确了加强案例教学的重要意义，强调案例教学是强化专业学位研究生实践能力培养，促进教学与实践有机融合的重要途径。全日制专业硕士以培养应用型人才为主，其中，学生专业能力的培养是通过结合知识学习和实践锻炼，从而最终培养学生解决实际专业问题的能力[4，5]。案例教学可以将理论知识与实际问题有机地联系起来，是培养应用型人才的重要途径之一[6]。

重庆大学化学化工学院一直立足于“新工科教育”人才培养模式教育理念，在教学方法改革中，力求改变传统的填鸭式教学模式，实施启发式讲授的教学方法，积极探讨新的教学方法与人才培养模式[7-9]。通过对课程的教学目标、教学资源、教学方法进行一体化设计，对化学工程专业学位研究生开展案例库建设及案例教学实践，推动了学生工程实践能力的提升，对保证复合型、应用型化工人才培养目标的实现起到了明显的促进作用。

1 案例库建设的实用价值

1.1 推进教学改革，促进教学与实践有机融合

案例库的建设，可以将零散的教学案例资源整合，为核心课程的教学形成资料齐全、使用便捷的教学案例。同时案例教学以实际工程问题为导向，通过典型而生动的个案描述引导学生运用所学知识分析、讨论，使学生在具体的问题情境中积极思考，主动探索，培养学生分析、解决问题的能力[10]。

1.2 提高教学的针对性和实效性

传统的教学方式以教师讲授为中心，教学模式单一[11]。在能力培养方面，对专业实践环节重视不够；在教学内容方面，多强调理论知识，联结知识与实际应用不够。案例教学以学生为中心，其案例内容可实时更新，通过分析本专业或行业的实际生产问题或普遍存在的技术瓶颈，引导学生发现问题、分析问题、解决问题，从而掌握理论知识并提高解决实际问题的能力[12]。借助于案例资源库平台，教师可以不断更新教学内容，有针对性的讲解重要的知识点，提高教学的针对性和实效性。

1.3 拓展学生自主学习空间，改变学习模式

案例教学是以案例作为教学材料，结合教学主题，通过讨论、问答等师生互动的教学环节，让学生了解与教学主题相关的概念或理论，并培养学生分析实际问题的能力。因此，借助于案例库中丰富的案例资源，可以搭建“以学习为中心”的个性化学习环境，以案例教学为基础，提取企业生产过程实践问题个案，打造学生可以自主学习的实际案例，建立开放性的学习平台，通过这种在线学习的方式，培养学生自主获取知识和资源的能力[13]。

2 案例库建设

2.1 编写案例的基本原则

案例库主要由企业生产实践的案例组成，所呈现的是生产实践中的现实问题或技术改革方案、措施等，选取原则包括关联性、典型性、真实性。

2.1.1 关联性

案例库中的案例都必须与化学工程专业学位研究生专业核心课程相关，体现化工专业的特色。

2.1.2 典型性

案例就是典型材料，任何一个案例的选取都要具有一定代表性，能反映本专业的典型特征和普遍存在的问题。入库的案例越是典型，借鉴的普遍意义也就越大；反之，借鉴意义就会受到很大限制。通过典型案例教学，启发学生建立一套分析问题、解决问题的思维方式，使他们能够站在一个较高的视野和角度来看待问题。因此，入库的案例应最大限度体现培养、发展学生这些能力的需要。

2.1.3 真实性

入库的案例必须是客观真实的，即要求每个案例所描述的事件确有其事，不是随意杜撰的，不能随意改变事实真相[14]。但为了增强可读性和可讲性，提高案例教学和学习的效果，可以使用一些特别的撰写或描写手法，将有关内容进行一定的加工，以激发学生的兴趣。

2.2 案例收集

案例的选择是确保案例库质量的关键环节，而化工专业涉及面广、问题繁杂且素材丰富。为了确保案例库的质量，案例收集时要明确覆盖化工领域专业学位研究生培养方案的各核心课程，以教学团队和企业的联合科研成果为最佳选择。通过实实在在的校企合作项目，结合教师和企业人员的合作科研成果，可增强教学案例的实用性。案例库的建设也可以根据实际需要，收集相关企业生产过程中的实际问题，通过对这些问题的分析、研究，提出切实有效的解决方案，但需要教师精心筛选，因为其中某些问题比较复杂，教师们可以选择几个典型的案例一起探讨[15]。

2.3 案例制作

案例库中案例制作流程主要包括：背景资料、课堂讨论、初稿撰写、案例教学、案例总结等方面。

2.3.1 案例背景

介绍案例目前的情况，包括所采用的工艺技术、设备等，着重介绍生产中遇到的技术瓶颈，针对案例涉及的相关知识点进行讲解，必要时指出解决问题的关键，适当引导学生用所学知识解决实际生产问题。例如：如何分离乙醇和水的混合物，得到纯乙醇？由于乙醇和水会形成共沸物，常规精馏无法实现，据此教师可根据《化工原理》课程中教授的共沸精馏，引导学生考虑使用该方法解决乙醇和水的分离问题，但对于共沸剂的选择、用量、精馏塔的操作等问题都需要学生自己解决。

2.3.2 案例讨论

学生以小组为单位(每组3～5人)，针对案例涉及的生产实际问题，收集相关资料，结合所学的理论知识，提出切实可行的、尽可能详细的解决方案，接着以小组为单位进行课堂展示和讨论，精选出具有代表性的方案。

2.3.3 案例撰写

尽管案例项目的主体内容是由企业生产实践案例组成，呈现生产实践中的现实问题或技术改革方案、措施等，但案例的撰写并非是照搬企业的生产环节或某些生产实践中的问题，而更多地是要把这些实践问题与化工专业所学的知识体系建立联系。因此，要求案例开发者(教师)须对这些事实性案例的理论基础进行剖析，通过合理的分析与设计，使案例跟化工专业硕士研究生所学的知识体系建立联系，撰写案例初稿。

2.3.4 案例教学

化工领域专业学位硕士研究生大都是“从学校到学校”的应届生，具备较扎实的理论知识，但缺乏生产实践经验。因此，在进行案例教学时要重点引导学生如何把真实案例与化工专业所学的核心知识体系建立联系，促进知识与技能的有机融合。

2.3.5 案例总结

根据案例教学的效果(教学反馈)，收集教学过程中的不足，在原案例初稿内容的基础上更改、提炼润色，使案例更具体、内容更饱满。

3 案例教学实践

以相关企业生产实践中遇到的真实问题为个案，让学生进行探究与分析，并提出切实可行的解决方案，从而激发学生兴趣，提高学生运用理论解决实际问题的能力。

3.1 案例库建设情况

重庆大学化学工程专业学位研究生初步建设的案例库覆盖化工领域专业学位研究生培养方案的的核心课程，包括以《高等化学反应工程》、《高等化工热力学》、《工业催化原理》三个课程的知识点为内容的基础案例，以《分离工程》课程中综合利用传递、热力学知识为内容的综合案例，以《化工过程开发与合成》课程中讲述产品和技术从小试到中试为内容的系统案例。案例库建设情况如图1。

图1 专业学位研究生案例库建设情况

3.2 案例教学实施实例

以“对硝基苯加氢制对氨基苯酚母液循环利用工艺开发”案例为例，详细介绍案例教学的实施过程，主要包括三步：提出问题、分析问题、引导学生解决问题。

3.2.1 提出问题

在开展案例教学之前，案例开发者根据案例教学要求，提出工业案例问题，以实际工业生产问题切入，江苏某公司以乙醇为溶剂，采用对硝基苯酚催化加氢工艺生产对氨基苯酚(PAP)，反应过后采用结晶-过滤工艺得到PAP产品，得到的结晶母液有接近一半的量去氢化釜套用，还有接近一半的量去精馏系统回收乙醇和PAP。公司现有工艺只能回收母液中50%左右的PAP，且杂质含量较多，质量不达标；另一方面，由于PAP在高温下易分解结碳，在精馏塔底会产生大量的结焦状炭渣，只能当做固废采用装袋运走或锅炉燃烧的形式处理。此工艺一方面降低了资源综合利用效率、提高了生产成本，另一方面产生了固废污染和明显的环保压力。

3.2.2 分析问题

选择工业生产实际问题切入，江苏某公司采用对硝基苯酚催化加氢生产对氨基苯酚(PAP)(使用的溶剂为68%乙醇、32%水)，随着反应的进行，反应产生的水以及洗涤加入的水使溶剂中水的比例增加，反应结束结晶分离出PAP后，其母液的组成为：乙醇58%、水39%、PAP 3%。公司正常生产时，每天能产生277.5～305.25 m3的加氢母液，采用传统的精馏方法，因水和乙醇形成共沸物，高浓度乙醇从塔顶流出(乙醇浓度>80%)，塔底为含有PAP(部分PAP结晶析出经过滤得到产品)、少量乙醇的废水溶液，因该部分水不能完全回用，因此该工艺产生大量含有低浓度PAP的废水，另一方面因母液在精馏塔中的停留时间很长，造成PAP在塔底分解结焦，产生的炭渣一般采取装袋运走或锅炉燃烧的形式处理。此工艺一方面降低了资源综合利用效率、提高了生产成本，另一方面产生了潜在的污染和明显的环保压力。

3.2.3 引导学生解决问题

教师针对PAP母液处理的技术瓶颈，对解决案例问题所需要的理论知识(蒸发、精馏、换热)进行讲解，并引导学生分析企业的实际问题，需要改进工艺的关键在于：1)让更多的水在蒸发塔顶流出，此部分水因不含PAP，只是水和乙醇的混合物，因此可通过精馏分离得到较纯净的水，易于处理达标；2)减少母液在蒸发、精馏过程中高温处理的停留时间，防止其结焦。

接下来安排学生以小组为单位进行课后资料收集、案例讨论及课堂展示。老师结合学生的方案，通过合理的分析与设计，撰写案例初稿，初稿中可以提出这样的解决方案：通过分析和模拟计算，采用并流降膜蒸发器可以有效的解决上述工业问题，一方面使大量水从塔顶采出(汽相组成为大量水、少量乙醇和少量PAP)，汽相气体进入自回流洗涤塔，降膜蒸发器液相组成为22%的乙醇和少量PAP；自回流洗涤塔塔顶出料含乙醇73%，不含PAP，该股物料再进入乙醇精馏塔，塔底出料为24%的乙醇和少量PAP；乙醇精馏塔塔顶出料为91%的乙醇，塔底出料为排放水(不含乙醇和PAP)，降膜蒸发器液相组成、自回流洗涤塔塔底出料、乙醇精馏塔塔顶出料混合之后作为原料液(含68%的乙醇)循环使用；另一方面，采用并流降膜蒸发器可以减少母液高温处理停留时间，防止PAP分解结焦。回收流程示意图如图2所示。

图2 PAP母液回收流程示意图

按初稿给出的解决方案，老师在教学环节详细讲解Aspen计算流程(含物流数据、控制方案)、三废情况、设备情况等。

3.3 案例教学成效

案例教学前学生对对硝基苯加氢制对氨基苯酚工艺存在的PAP回收率低、废水量大的问题无从下手，无法理论联系实际，工程应用能力不足。开展案例教学后，通过老师一步步引导，学生抓住了解决PAP母液资源综合利用的关键环节，加深了对理论知识的理解，掌握了解决工程实际问题的研究思路和方法，为今后的工程实践打下基础。

4 结语

本文结合化学工程专业学位研究生培养实际需求，进行了专业学位化学工程专业学位研究生案例教学案例库建设，并开展了案例教学法的具体实践。开展化学工程专业学位研究生教学案例库建设，有利于提高案例教学的水平和质量，切实保证应用型人才培养目标的实现，进而使本专业更好地服务于社会发展。