分层次化工实验与实践教学体系的设计与实践分析

　　化工实验与实践教学是化学工程专业教学的重要环节之一。实验与实践教学具有独特的教学方法和手段，在培养学生综合运用知识的能力、创新意识、灵活的思维框架等方而具有重要的作用。国内以天津大学，华东理工大学、浙江大学、北京化工大学、大连理工大学为代表的理工科高校，在实验教学课程设计上结合本校的理论课程与专业特长，类型包括了物性数据测定实验、反应工程实验、化工分离实验、化工工艺实验和研究开发实验等。由于各高校具体条件的不同，实验教学课程的设计略显不同。但基本思想均紧密围绕单元操作而展开，最主要的内容及设备都大同小异。围绕精馏、萃取、吸收、干燥、过滤、传动等基本的单元操作是化工实验教学的核心;热量传递、动量传递、质量传递贯穿实践教学体系的各个环节。因此，化工实验教学课程设计仍以传统的单元操作为主要抓手。
　　2010年6月教育部卓越工程师计划启动后，理工科类的高校都在加紧对现有的课程体系进行调整或改革，由于各个高校本身的特质不同，因而对实验与实践类课程改革方向各有侧重。但总体而言，主要通过增加实验内容、基本单元操作的联合、学科间知识的融合、增加工程实践实习类实验和增加计算机模拟五种形式来实现。
　　一、实验与实践教学体系的整体设计
　　清华大学作为首批入选教育部卓越工程师教育培养计划的高校，实施卓越计划的总体思路是继续强化厚基础、重实践、求创新的人才培养特色，着力提高工程教育质量，致力于培养研究型、管理型、创新型、国际型等多类型的卓越工程人才。清华大学化工系将本科生工程实践能力的培养贯穿于本科教育的全过程，根据学生在大学期间的不同阶段，提出分阶段培养、分层次教育、多样化发展的工程实践教学实施计划，并不断完善实践教学体系，拓宽实践教学范畴，整合实践教学资源，加强培养学生的工程意识、工程思维、工程能力。通过整合校内外多种资源，我系逐步推进分层次实验与实践教学体系建设。
　　其中，实践类教学内容包括化工概念实习、认识实习和生产实习，全部依托社会教育资源，例如北京化工博物馆、北京高碑店污水处理厂、燕山石化有限公司等，还包括与我系共建的4个学生实习基地，分别是中石油宁夏实习基地、宁波实习基地、神马集团平顶山实习基地和山东宝莫集团实习基地。实验类教学内容包括化工基础实验、化工专业实验和化工过程仿真，其中既有具体的实验操作，也涉及化工生产工艺的过程控制与仿真实训。
　　二、实验类课程建设
　　在学校关于工程学科人才培养总体思路指导下，我系结合化工专业特点及化工实验教学中心的定位，认真研讨化工系实验教学建设的思路，在前期工作基础上对化工实验教学体系进行整理，系统梳理相关实验课程内容与化工专业基础知识、工程和科研的能力、本系学科方向和特色科研成果、现代数学和计算工具应用等要素之间的联系，为实验教学内容设计、实验教学课程目标的重新定位及教学模式的调整与改革，提出了革新升级的系统方案三个层次实验平台的规划与建设。实验平台建设以学生为主体，根据各个层次实验平台在教学环节中所处的位置，我系精心设计每一个实验，使其既有明确的实验目标，又有很大的空间可以发挥学生的主观能动性。
　　(一)化工基础实验平台
　　化工基础实验属于专业基础课，是培养学生理论联系实际、动手能力的重要实践教学环节。本课程以验证型实验为主，重在培养学生掌握基本概念、典型单元操作过程的机理和规律，并完成实验操作、数据处理、仪器的使用等基本训练。通常这种实验课都是老师设计好实验过程，学生去操作、体验一下，很多实验操作是固定的，实验结果也大多是事先知道的。因此，我系对化工基础实验平台的建设，从实验任务书的设计入手。首先，将原先的实验目标全部设计成实验任务，取消原先讲义中的操作步骤，取而代之的是实验中要使用的实验装置使用方法和安全须知。其次，建立相关单元操作的教学实验室，将原先涉及同一领域的有关实验装置、实验设备、工业模型及真实的工业装置上拆下来的零件，全部集中在一个实验室内，根据实验装置的特点来重新规划实验任务，不同的实验装置侧重的实验教学内容不同，形成实验组。化工基础实验平台由流体阻力实验组、流体力学实验组、精馏实验组、吸收实验组、干燥实验组和传热实验组共18台套实验装置组成，每个学生必须完成超过36项实验任务。经过这样多角度的实验训练，学生有效提高了对化工原理的理解和掌握水平，也锻炼了自己的动手操作能力。
　　例如:液体精馏组合实验通过集成多种精馏工艺过程，结合精馏设备展示平台，构建了多维实验思路与实验教学内容，帮助学生从传质的角度去理解精馏原理，以及相关各种因素是怎样通过传质对过程发生影响的;同时，改变过去枯燥无味地对传质设备的结构描述和优缺点评价，让学生通过一些真实的、具有时代特点的实物展品，从其历史的发展中去发现既深刻又丰富的内涵。通过实验，学生自己总结了实验结论，并自主架构了精馏过程的知识体系。
　　(二)化工专业实验平台
　　化工专业实验不同于化工基础实验，它强调通过综合运用己经学过的化工技术解决实际问题的能力，培养学生针对复杂过程问题，设计实验方案，在测定过程参数的基础上，进行实际系统设计，提高解决工程问题的综合能力。因此，化工专业实验平台的设计大多以完整的产品加工处理过程为对象，要求学生运用基本原理，分析化工生产过程从原料到产品的整个过程中物质转化、能量守恒、信息传递现象。化工专业实验平台的实验内容是比较接近真实的科学研究或者工程应用的，具有一定的知识深度和扩展性，专业实验由专业基础训练模块、分离工程模块、材料与环境工程模块、生物化工模块与反应工程模块组成。
　　化工专业实验的教学模式经过多年的摸索与实践，能充分发挥主动式学习的优势，满足学生对专业实验的个性化需求。自2009年开始，实验中心开发了化工专业实验二级选课系统，在此系统与实验室开放式运行机制的共同支持下，专业实验课的组织并行两种实验教学模式:一种是传统模式，即学生根据自己的兴趣，从现有的15个实验中选做8个。这样选实验的随机性很强，实验之间相对独立，满足实验课程的基本教学要求。另一种就是完成专题式，学生在一开始不是选实验，而是选择专题，专题下而包含若干具体的实验项目。例如，专题1:请设计一套日处理城市污水200吨的净化流程与设备。专题二:请设计一套生产2000吨无水乙醇的工业装置。学生选择实验专题后，自行设计实验方案，然后根据方案中涉及的实验内容，通过具体实验来完成，最终形成的实验方案，并与选择相同任务的小组进行竞赛比较。 在现有的两种教学模式并行的条件下，化工专业实验平台致力于创造有利于学生自主实验的氛围，让学生主动参与，经历知识的形成和建构过程。这样，学生才能乐于探究，勤于实践，把要我做实验转变为我要做实验。在传统的教学模式下，每一项实验过程的设计都遵循以下的三项基本原则:
　　1.质疑原则变机械接受为主动探究
　　2.交流原则变个人竞争为集体合作
　　3.想象原则变单一思维为多向拓展。
　　例如，在萃取精馏制取无水乙醇实验的教学过程中，参加实验的同学组成了试车小组，实验目的是为了完成该装置的冷态开车与正式投产。实验过程分为两个目标，一是将装置从冷态开车至稳态，二是在稳态操作的基础之上，提高塔顶产品的纯度，直至采出合格产品。
　　随着化工学科的发展，化工专业实验内容的安排与设置也不是一成不变的，为此，化工实验中心建立了合适的实验项目进入及退出机制，根据专业建设的需求，有针对性地开设或者取消实验项目。一方而使每一个实验项目，从内容设计到与其他实验项目之间的联系都经过精心的安排，并且紧密结合理论课程的需求;另一方而，这一更新机制、可以保持实验内容的设计符合化工系学科发展的要求。
　　(三)化工生产实训平台
　　在化工生产实训这一接近工业实际生产流程的实验教学环节，实验中心共建成四套装置，包括大型流化床冷模实验装置、X600塔冷模实验装置、带DCS的萃取和精馏装置、生产双酚A型环氧树脂的小试级和带DCS控制的生产装置。这些实验教学过程，体现了真正的学科交叉、炼化一体化的概念，以及化工生产过程与高分子材料应用的交叉、化工生产与化工过程控制的交叉、化工技术经济与化工系统安全的交叉等意义。
　　三、总结与展望
　　以上分阶段、分层次化学工程实验与实践教学体系的建设，拓宽了学生对化学工程基本理论的理解和掌握，使学生在实验操作能力、装置设计能力和复杂化工过程分析判断能力方而得到了全而训练和提高。由于学生是在自己动手、动脑过程中通过自主思考和讨论获取的知识，因而极大加深了对工程理论的理解深度和广度，有利于合作意识的提高，有利于培养具有独立创新意识和能力的高素质工程技术人才和一流的科学研究人员。