化学工程与工艺专业绿色化学教学改革*

张春勇，刘维桥，舒 莉，文颖频，郑纯智

(江苏理工学院化学与环境工程学院，江苏 常州 213001)

传统化学工业生产过程中，由于受到时代、技术和理念等限制，科学家和工程师没有全面考虑化工生产过程对社会、资源、环境的破坏影响，从而造成了资源短缺以及环境恶化，造成了谈“化”色变的被动局面[1]。化学工业是国民经济的重要基础和支柱，国家综合实力和人民生活都离不开化工。光刻胶、电子工业中使用的各种功能性胶水、高端油墨、船舶油漆、航空轮胎、轴承钢等等高端化工产品都依赖进口。化学工业在部分人眼中是危险的，但如果一个国家没有化学工业的未来才更加危险。

20世纪90年代美国学者首先提出绿色化学的概念(Green Chemistry)、绿色化学十二条规则等[2]，绿色化学开始迅速蓬勃发展。绿色化学(Green Chemistry)又称为清洁化学(Clean Chemistry)或环境友好化学(Environmentally Friendly Chemistry)[3]。环境化学和工程是对污染的“末端治理”。绿色化学包含环境保护，是采用“原子经济性”(Atomeconomy)反应，从源头上、过程上防止和减少污染，采用无毒无害的原料、催化剂和溶剂，利用绿色技术、清洁生产工艺，实现“零排放”[4]。绿色化学核心思想或内涵是用化学新思想、新理论、新技术、新工艺，从源头消除污染，阻止或减少环境污染和危害。发展高质量绿色化工是我国化学工业的必然之路。

中国最早研究绿色化学的科学家有绿色化学开拓者闵恩泽院士、中国绿色化学的先驱和斗士张俐娜院士等。我国的绿色化学高等教育处于上升阶段，许多高校开设了绿色化学课程并建成国家级精品资源共享课程。但是将绿色化学教育贯穿整个专业人才培养过程的比较少见。

江苏理工学院化学工程与工艺专业将绿色化学教育贯穿整个专业教育过程，使培养的化工专业人才具有绿色发展的理念、思想和专业素养能力。

1 培养目标的确立

江苏理工学院化学工程与工艺专业立足江苏，面向全国，服务于长三角区域经济建设和大化工行业发展，以绿色化工技术与应用为主线，培养德、智、体、美、劳全面发展具有良好的职业道德和社会责任感，良好的学习能力、实践能力及创新精神，具备绿色化工实验技能、工程实践、计算机应用、科学研究与工程设计方法的基本理论和基本技能，掌握绿色化工生产工艺过程和设备的基本规律和原理，具有从事绿色化工生产的控制与管理、化工产品和过程的研究开发、化工装置与流程的设计等能力的高级应用型工程技术人才。

2 课程设置

开设绿色化学课程。教材选用高等学校十二五规划教材绿色化学[5]和中国科学技术大学研究生教材绿色化学[6]。将无机化学实验、有机化学、有机化学实验、化工工艺学、精细化工、化工设计等课程直接采用“绿色”教材，课程名称分别改为绿色无机化学实验、绿色有机化学、绿色有机化学实验、绿色化工工艺学、绿色精细化工、绿色化工过程设计。

表1 绿色化课程Table 1 Green curriculum

对于市面上无成熟教材的课程，采取部分章节穿插的方式教学。如在无机化学和物理化学中涉及电化学的知识采用绿色电化学合成[21]这本书来讲授电化学知识。专业英语课程中增设绿色化学这一章节。

3 “绿色化”教学、科研相互促进和反哺

江苏理工学院化工学院拥有江苏省电子废弃物资源循环利用重点实验室、江苏省贵金属深加工技术及应用重点建设实验室、江苏省电子废弃物资源循环工程中心、江苏省化学化工基础实验教学中心、资源循环利用江苏省实践教学示范中心、江苏理工学院持久性有机污染物(POPs)分析测试中心等。软硬件条件满足教学、科研相互促进和反哺。

教学促进科研的主要途径是通过导师制。科研反哺教学的途径主要是学术讲座、教师科研进课堂、创新性实验、毕业论文等。实际操作过程中，“绿色化”教学促进科研，“绿色化”科研反哺教学两者是相辅相成、有机融合在一起的。

导师制是新生入学时，将1～3名新生分配给具有博士学位、副教授以上的老师担任导师。导师辅导学生制定学业规划、职业规划，指导学生的学科竞赛、毕业设计和论文，学生参与导师的科研和教学过程。导师制的中心线是学生参与导师的科研，通过大一熟悉科研背景、大二进实验室、大三和大四出成果，完成学生的创新创业项目、创新性实验、毕业论文等教学过程。解决了本科生参与科研的各种弊端，如学历低、时间短、产出比低，为培养创新性人才打下了坚实基础。为了符合工程认证的要求，导师还指导学生的化工原理课程设计、绿色化工过程设计的课程大作业设计，指导学生参加全国大学生化工设计大赛。

将教师的科研成果引入课程也是科研反哺教学的最重要的手段。一是让相关研究方向的老师承担相应课程或章节的教学工作，二是将老师的科研成果转为学生的基础实验项目和创新实验项目。

4 绿色化实践教学

因为生产安全、人身安全和生产过程的制约，化工专业生产实习形式上更接近“认识”实习，学生不能参与到化工生产过程，如现场开关阀门、进卸料，DCS控制等实际操作。学生将生产实习描述为“走马观厂”，不清楚现场管线和具体设备、装置，收益甚微。因为环保、安全、效益的原因，企业对生产实习也不欢迎。针对这些弊端，对生产实习进行绿色化教学改革。采取“虚拟仿真(Virtual Reality)加可操作生产实习基地”的方法让学生在生产实习过程中，手可动、阀可开、DCS可控，实现一种“沉浸式、体验式”生产实习过程。

化学工程系建立了化工虚拟仿真实验室，拥有计算机80台、工作站2台、图形工作站2台。购买了生产实习仿真软件3套，分别是典型化工产3D虚拟现实认识实习仿真软件、丙烯酸甲脂3D虚拟现实认识实习仿真软件、甲醇工艺3D虚拟现实认识实习仿真软件。生产实习分为三周，第一周在机房操作三套工艺的DCS控制系统，完成安全教育、熟悉工艺、掌握开停车、学会工艺参数控制和故障诊断等。

单纯的仿真是远远不够了，还需要实际的和真实的下场实习。联系3家具有代表性的制药、石化、精细化工企业，用一周时间带领学生下厂实习，重点关注企业的文化、安全控制、管理架构，熟悉化工工艺流程(化工工艺流程、设备布置、管路布置)、化工设备(设备总图、装配图等)、化工机器(泵、风机、搅拌装置等)等。

有了仿真操作和认识实习，就可以动手操作，花一周时间在江苏省工程训练中心对均100吨/年苯四甲酸二酐装置进行真工艺、真设备、真场景、真操作、真系统实操训练。通过虚拟仿真加可操作生产实习基地的方式让学生有的看、有的动、有的练，切实可行地提高了学生的实训质量。

化学学科具有其自身的特点，化学是一门以实验为基础的学科。化学工程与工艺的学生要完成的实验课程有绿色无机化学实验、绿色有机化学实验、分析化学实验(化学和仪器)、物理化学实验、化工原理实验、化工专业实验等。实验过程中尽量遵循绿色化学十二条规则，防止污染物的生成，使用对人体健康和环境无毒、无害(包括极小毒性和无毒)的原料、溶剂、助剂，能耗低、催化剂绿色化，使收率最大化，产品寿命结束后可分解。除了直接开始绿色化无机化学实验和绿色化有机化学实验外，其他实验过程尽可能采用“微型化、串联循环实验”。微型化实验具有实验效果明显、药品使用量少、效率高、污染少、实验安全的优点。串联实验是将所有的实验尽可能串联起来，将某次实验的产物当做下一次实验的原材料。打破原有实验室的设置，将所有实验室统一整合为化学化工实验室，学生每次做完实验得到的产品和废液统一保存在实验室单独药品柜中，经过教师统一安排或学生设计，作为下一次实验的原料或溶剂。例如绿色有机化学实验蒸馏和沸点的测定的产物蒸馏酒精可以作为后续实验用乙醇。将有机实验后成分简单的甲醇、乙醇有机混合液作为化工原理实验精馏的原料，得到的单组分产品甲醇和乙醇又可以返回作为有机实验的原料或溶剂。有机实验后成分复杂的有机混合液作为专业实验精馏(萃取精馏、减压精馏等)的原料，这时的实验变为综合性、创新性实验，2-3人实验组要根据原料的组成、相对挥发度的大小等独立设计实验方案，得到实验指导老师审核后，再进行实验。这种方式不仅单单是节省了实验药品，还培养的学生的化学理念、理论、意识、知识和绿色创新思维、能力，同时还培养了他们的团队协作精神。由于受到专业限制，实在无法处理的“三废”，交由环境工程专业学生主导处理，作为他们的创新性实验、综合性实验或毕业论文来源。本专业学生协作，这样可以开拓学生视野，培养学生的跨领域知识融通能力和实践能力，提高创新能力。

5 结 语

绿色化学是化学工业发展的必然之路，绿色化学教育是化学工程与工艺专业高等教育的必然之路。按照绿色化学的要求，对化学工程与工业专业的人才培养目标重新定位，使培养的化工人才符合绿色化工产业的要求。除了直接开设绿色化学这门课程，对市面上有绿色教材的课程直接采取绿色化教材进行授课。对于市面上无成熟教材的课程，采取部分章节穿插的方式教学。教学、科研相互促进和反哺共同助力绿色化教学。采用“虚拟仿真加可操作生产实习基地”和“微型化、串联循环实验”绿色化实践教学，探索化学工程与工艺人才培养的全新模式。