魯伊恒，武成利，王金明，王 震，陳曉玲

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

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基于CDIO理念的化學(xué)工藝實踐教學(xué)的構(gòu)建和探索

魯伊恒，武成利，王金明，王 震，陳曉玲

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

闡述了國際CDIO工程教育模式的應(yīng)用、培養(yǎng)大學(xué)生工程技術(shù)能力、從本校的實際出發(fā)，使得學(xué)生具備高質(zhì)量創(chuàng)新能力和實踐能力；基于化學(xué)工藝實踐建設(shè)、實踐內(nèi)容改革和工程項目設(shè)計、培養(yǎng)教師工程素養(yǎng)、構(gòu)建效果評價體系，構(gòu)建了多層次的實踐教學(xué)體系；包括化學(xué)工藝培養(yǎng)實踐、化學(xué)工藝模擬、化工概念實習(xí)、化工生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)，為開發(fā)學(xué)生的工程、創(chuàng)新和團(tuán)隊意識創(chuàng)造了條件。

CDIO；化學(xué)工藝實踐教學(xué)；實踐內(nèi)容改革；項目設(shè)計

隨著科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對工程技術(shù)人員在化工行業(yè)產(chǎn)生了更高的要求。化學(xué)工藝是化學(xué)工程與技術(shù)的二級學(xué)科，是工程科學(xué)之一，實施CDIO模式是化學(xué)化工專業(yè)教學(xué)改革的大趨勢[1-2]。化學(xué)工藝實踐教學(xué)在化學(xué)工程與工藝專業(yè)課程體系中起重要作用，是重要的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，是培養(yǎng)本科生CDIO工程質(zhì)量的方法之一；關(guān)于化學(xué)工藝、精細(xì)化工及其CDIO實踐教學(xué)改革的論文報道較多[3-8]。化學(xué)工藝實踐教學(xué)含有化學(xué)化工訓(xùn)練實踐，化工仿真，化工感性實踐，化工生產(chǎn)實習(xí)，課程設(shè)計，化學(xué)反應(yīng)工藝實驗，化工原理實驗，大學(xué)生研究項目和畢業(yè)實習(xí)等。根據(jù)CDIO項目的原理，綜合優(yōu)秀教學(xué)資源的各個方面，構(gòu)建了一個化學(xué)工藝實踐教學(xué)平臺?；すに噷嵺`教學(xué)改革不僅是提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，也是提高學(xué)生就業(yè)能力、競爭能力和工程能力的重要措施。

1 構(gòu)建多層次的化學(xué)工藝實踐教學(xué)體系

基于CDIO的工程教育模式，堅持以學(xué)生為主體，教師在教學(xué)安排中發(fā)揮主導(dǎo)作用。設(shè)計全面的實驗設(shè)置，為學(xué)生主動學(xué)習(xí)提供更多的機(jī)會和動手實踐，幫助學(xué)生發(fā)展個性和創(chuàng)新能力?；瘜W(xué)化工實踐教學(xué)體系是基于校級化學(xué)化工實驗教學(xué)示范中心和虛擬仿真實驗教學(xué)中心，分層次的實踐教學(xué)體系，包括課程的教學(xué)演示，化工工藝模擬操作，綜合性化工工藝實踐，化工設(shè)計和研究創(chuàng)新，這是其基本性、全面性和研究特色?；すに噷嵺`教學(xué)體系已在教學(xué)實踐中被用于如化學(xué)化工訓(xùn)練實踐、化工工藝仿真、化工工藝感性實踐、化工生產(chǎn)實習(xí)、課程設(shè)計、化學(xué)反應(yīng)工藝實驗、化工原理實驗、大學(xué)生研究項目和畢業(yè)實習(xí)，如化學(xué)工藝實踐教學(xué)平臺建設(shè)。

(1)基礎(chǔ)實習(xí)：化工模擬(硫醇甲基錫穩(wěn)定劑及金屬皂在PVC中的加工試驗、硫醇甲基錫熱穩(wěn)定劑的生產(chǎn)工藝、高分子分離膜全氟磺酸離子交換復(fù)合膜的生產(chǎn)工藝、3D虛擬模擬生產(chǎn))、教學(xué)演示(化學(xué)工藝模擬軟件、化學(xué)工藝原理、多媒體、材料圖書館)。

(2)高級實習(xí)：高級化工實習(xí)、硫醇甲基錫及金屬皂穩(wěn)定劑在PVC中的加工試驗、全氟磺酸離子交換復(fù)合膜的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)工藝優(yōu)化實驗。

(3)研究和創(chuàng)新：創(chuàng)新化工工藝設(shè)計、生產(chǎn)設(shè)計、部分精細(xì)化工產(chǎn)品的合成技術(shù)、如月桂酸乙酸鈉型咪唑啉的合成工藝、乙醛酸合成香蘭素工藝、氯化蔗糖生產(chǎn)工藝、降血脂藥氯貝丁的合成工藝、HBT-G型光致抗蝕劑的合成工藝、聚乙烯醇肉桂酸酯生產(chǎn)工藝、高分子金屬催化劑的生產(chǎn)工藝、防嗮黑化妝品的生產(chǎn)工藝。

通過基礎(chǔ)實踐教學(xué)、如化學(xué)工藝實驗、課程教學(xué)演示、化學(xué)工藝仿真操作、化學(xué)化工感性實踐，學(xué)生取得了工藝裝備和最基礎(chǔ)的化學(xué)工藝控制的基本原則，培養(yǎng)了獨立能力和自主學(xué)習(xí)能力。通過綜合實踐教學(xué)，如化學(xué)工藝綜合實踐課程設(shè)計、學(xué)生不僅取得了運用知識分析和解決問題綜合能力，也增強(qiáng)了工程觀念；該實踐教學(xué)研究、如工藝項目的設(shè)計、創(chuàng)新和大學(xué)生研究項目，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神，最大限度地發(fā)揮了其能力和創(chuàng)造力，化學(xué)工藝實踐教學(xué)平臺。

1.1 課程教學(xué)演示

在課程教學(xué)演示中使用了仿真軟件化學(xué)工藝軟件實驗和化學(xué)工藝裝備的多媒體素材庫，通過直觀的仿真界面，顯示了實際的教學(xué)過程，學(xué)生的注意力被吸引、學(xué)習(xí)的動機(jī)被激發(fā)。

1.2 化學(xué)工藝模擬

化學(xué)工藝模擬系統(tǒng)如“硫醇甲基錫熱穩(wěn)定劑的生產(chǎn)工藝實驗?zāi)M”、“全氟磺酸離子交換復(fù)合膜的制備工藝實驗?zāi)M”和“3D虛擬-硫醇甲基錫及金屬皂穩(wěn)定劑在PVC中的加工試驗工藝模擬”。隨著DCS模擬的引入，學(xué)生可以模擬工廠的流程、停車和正常運行、各種事故的處置；教師可以實時提供和修改培訓(xùn)內(nèi)容、通過相互連接的教師界面組織考試和總結(jié)成績；化學(xué)工藝仿真可以彌補(bǔ)動手能力的不足，真實再現(xiàn)了化學(xué)工藝和化工生產(chǎn)過程。

1.3 綜合性化學(xué)工藝實踐

多功能化工裝備是為綜合性化工工藝實踐提供，如硫醇甲基錫熱穩(wěn)定劑的生產(chǎn)工藝反應(yīng)釜、工藝流程控制設(shè)備、原料中間體及產(chǎn)物在線檢測儀器、工藝過程優(yōu)化設(shè)備。該培訓(xùn)項目幫助學(xué)生將基本的化學(xué)過程與工程實際相結(jié)合，建立了工程概念。又如“全氟磺酸離子交換復(fù)合膜的生產(chǎn)工藝”，通過在線仿真DCS控制系統(tǒng)，有助于學(xué)生理解反應(yīng)原理、影響膜性能的因素、分析和檢測儀器等工藝控制參數(shù)、如膜電導(dǎo)率、耐熱和化學(xué)穩(wěn)定性、離子交換能力等。

1.4 化學(xué)工藝設(shè)計

化工工藝設(shè)計要求學(xué)生獨立完成教師指定的任務(wù)。如根據(jù)給定的“氯化蔗糖生產(chǎn)工藝”設(shè)計任務(wù)，教師和學(xué)生可以自由選擇“蔗糖-6-酯”，“三氯蔗糖-6-酯”或“脫除酯基精制”生產(chǎn)單元，然后確定設(shè)計，最后設(shè)計參數(shù)，設(shè)計任務(wù)完成后，使用氯化蔗糖生產(chǎn)工藝裝備進(jìn)行優(yōu)化。

1.5 創(chuàng)新和研究

該種類型的項目，鼓勵學(xué)生自主創(chuàng)新，提出一些具有挑戰(zhàn)性的問題，并參與國內(nèi)和國際的創(chuàng)新大賽，申請并完成創(chuàng)新工程。如在教師的指導(dǎo)下，一些學(xué)生小組完成了“全氟磺酸離子交換復(fù)合膜生產(chǎn)工藝系統(tǒng)仿真開發(fā)”項目。

2 化學(xué)工藝實踐教學(xué)體系的改革和實踐

2.1 培訓(xùn)內(nèi)容的改革、培育學(xué)生的工程分析能力

2.1.1 課堂教學(xué)集中學(xué)生討論、培養(yǎng)學(xué)生理論與實踐相結(jié)合

根據(jù)CDIO教育理念，課程的教學(xué)過程中專注于設(shè)計項目，學(xué)生根據(jù)項目開展話題討論，討論之后形成基本觀點與所有與會者商討同意后，小組派代表來介紹其作品項目，其他同學(xué)討論發(fā)表意見，分析其優(yōu)缺點，提出改進(jìn)意見，最后匯總由教師提出。如在化學(xué)反應(yīng)工藝過程中，分別在兩個討論會議功能，在“反應(yīng)”和“控制”。討論的重點放在理想裝備和優(yōu)惠工藝條件的設(shè)計，主題包括以下主要內(nèi)容：(1)理想裝備；(2)優(yōu)惠工藝條件。討論之前，學(xué)生進(jìn)行分組，根據(jù)所選主題分析相關(guān)的文獻(xiàn)綜述。每組三四個學(xué)生，舉辦報告研討會PPT(10分鐘)?，F(xiàn)場抽簽決定哪個組和誰討論報告，報告必須如期完成。報告完成后，將有一個五分鐘的討論，對學(xué)生的其他群體交流討論時間問題，所有的學(xué)生都可以參加，最后由老師允許評論講座結(jié)束后，學(xué)生必須提交研討會PPT。通過討論，學(xué)生的綜合能力、創(chuàng)造能力、工程實踐、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力得到加強(qiáng)。

2.1.2 采用三維虛擬現(xiàn)實仿真提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

采用“做中學(xué)”的教學(xué)方法可以使學(xué)生形成學(xué)習(xí)和應(yīng)用知識的良性互動，根據(jù)不同層次的實驗課、多媒體課件、實驗基礎(chǔ)知識視頻、3D虛擬現(xiàn)實模擬等教學(xué)工具是補(bǔ)充，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。與多媒體演示教學(xué)相比，三維虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)創(chuàng)造了學(xué)習(xí)者獲得知識、技能、通過信息交互的新的“自我學(xué)習(xí)”環(huán)境。在化學(xué)工藝教學(xué)實踐中，使用了“3D虛擬仿真軟件，全氟磺酸離子交換復(fù)合膜生產(chǎn)工藝裝置”仿真系統(tǒng)。顯示三維虛擬仿真全氟磺酸離子交換復(fù)合膜生產(chǎn)工藝設(shè)備接口，在全氟磺酸離子交換復(fù)合膜的生產(chǎn)三維虛擬場景，它使學(xué)生了解反應(yīng)器、設(shè)計和優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合膜具備更好的離子交換能力、耐熱性和耐化學(xué)腐蝕性，培養(yǎng)了學(xué)生的分析問題能力，解決生產(chǎn)運營的各種實際問題。

2.2 使用以項目為中心的教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作

“基于項目的教育和學(xué)習(xí)”，項目設(shè)計和實施是為了培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、工程能力和素質(zhì)的有效途徑。為了充分發(fā)揮、改善他們的主動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)高素質(zhì)的工程技術(shù)人員，教學(xué)實踐必須先進(jìn)、具有代表性、方向性、必須跟上研究的最新進(jìn)展，編寫了具有專業(yè)特色和不斷更新的教材內(nèi)容，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。

將“Asplus”過程軟件在教學(xué)實踐過程中引入了項目設(shè)計，項目設(shè)計的主要內(nèi)容是反應(yīng)裝置工藝設(shè)計，要求學(xué)生采用不同類型的化學(xué)測量反應(yīng)裝置選擇的主題，連接到反應(yīng)器、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、分離精制系統(tǒng)，學(xué)生必須完成各個步驟：選擇反應(yīng)器類型、設(shè)置材料參數(shù)，屬性方法選擇，進(jìn)行收率過程計算，結(jié)果輸出，項目報告。

每組學(xué)生必須完成根據(jù)項目進(jìn)度的設(shè)計，以回復(fù)的形式進(jìn)行驗收，回復(fù)后提交項目報告，PPT需要確認(rèn)。該項目的實施，使學(xué)生的反應(yīng)裝置設(shè)計能力，加深了對基本知識的理解、學(xué)生掌握了化工工藝設(shè)計技能的基本知識。該項目的實施、為后續(xù)課程和畢業(yè)提供了依據(jù)。

如畢業(yè)設(shè)計的主題為“全氟磺酸離子交換復(fù)合膜生產(chǎn)工藝”，學(xué)生決定按照基于“復(fù)合反應(yīng)”， “高沸點溶劑”“成膜溫度”和“成膜時間”的制作單元給定任務(wù)的設(shè)計方案，采用“全氟磺酸離子交換復(fù)合膜生產(chǎn)過程優(yōu)化”，方案結(jié)果和設(shè)計參數(shù)可以通過實驗進(jìn)行優(yōu)化。鼓勵學(xué)生自主創(chuàng)新、參與創(chuàng)新競爭、對創(chuàng)新項目設(shè)計應(yīng)用程序。在教師的指導(dǎo)下，一些學(xué)生小組完成了“全氟磺酸離子交換復(fù)合膜生產(chǎn)過程優(yōu)化控制系統(tǒng)仿真開發(fā)”項目。

2.3 使用化學(xué)工藝實踐教學(xué)平臺、培育學(xué)生工程實踐能力

CDIO是指C構(gòu)思(Conceive)、D設(shè)計(Design)、I實施(Implement)、O操作(Operate)，該理論適用于化學(xué)工藝教學(xué)，如開展化學(xué)產(chǎn)品或工藝設(shè)計、分析、綜合、評估和實施。本院化工實訓(xùn)基地具有多套化學(xué)實驗室設(shè)備、化工過程綜合實驗設(shè)備、混合設(shè)備、分離設(shè)備，化學(xué)品輸送裝置實驗平臺，化工流體輸送設(shè)備，化工生產(chǎn)過程優(yōu)化實驗設(shè)備和檢測控制設(shè)備。如使用“化工生產(chǎn)過程優(yōu)化實驗裝置”，配備GC-MS、FT-IR、XRD、TGA和CHI660E電化學(xué)工作站等檢測儀器，選擇具有實際背景的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)項目，在學(xué)校教師、企業(yè)經(jīng)驗豐富的工程技術(shù)人員指導(dǎo)下、由學(xué)生完成設(shè)計案例。

2.4 評價體系改革

根據(jù)CDIO教育理念，建立了一套完整的實踐教學(xué)評價體系，如在化學(xué)工藝的教學(xué)實踐中，構(gòu)建了七個部分的綜合評估：考勤、作業(yè)、研討會、虛擬仿真、工程設(shè)計、試驗和檢查；具體要求和考核評分方法為：①出勤占5%，要求學(xué)生參加所有節(jié)點和登錄；②作業(yè)5%，要求學(xué)生獨立完成，課程前遞交；③討論10%，有兩個研討會，要求學(xué)生分組訪問信息、總結(jié)、撰寫報告，報告PPT；④模擬10%，有兩個模擬，要求學(xué)生熟悉生產(chǎn)工藝、完成在線模擬測試；⑤項目設(shè)計占10%，要求學(xué)生完成分組的選擇和反應(yīng)計算，撰寫PPT研究報告、回復(fù)、評估；⑥實驗成績10%，要求學(xué)生準(zhǔn)備、全員參與、獨立完成并提交測試報告；⑦考試占50%。

2.5 加強(qiáng)院系和企業(yè)之間的合作、突出教師的工程質(zhì)量

本院建立了與安徽淮化集團(tuán)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長期合作關(guān)系，由教師、公司的工程師和技術(shù)人員、學(xué)生組成的團(tuán)隊共同來完成相關(guān)項目，確保實踐教學(xué)的實施，探索了基于校企合作模式的專業(yè)實驗室建設(shè)的新思路。

3 結(jié) 語

實踐證明，基于CDIO工程教育理念的化學(xué)工藝實踐教學(xué)具有鮮明的特色和優(yōu)勢，以基礎(chǔ)實習(xí)、高級實習(xí)和創(chuàng)新研究為主線，圍繞教學(xué)演示、工藝模擬、工藝實踐和工藝設(shè)計，以開放式討論、理論聯(lián)系實踐、三維仿真和項目為中心，實踐平臺為依托的化學(xué)工藝實踐教學(xué)模式，使學(xué)生自主探索并解決問題，學(xué)生們普遍反映課程的教學(xué)效果有了很大改善，促進(jìn)了化學(xué)工藝學(xué)課程實踐教學(xué)質(zhì)量的提高。

[1] 康全禮, 陸小華, 熊光晶. CDIO 大綱與工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].高等教育研究學(xué)報, 2008(4): 15-18.

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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

安徽理工大學(xué)本科專業(yè)核心課程建設(shè)項目(No:20160013)。

魯伊恒(1960-)，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事精細(xì)化工領(lǐng)域的教學(xué)和科研。

G642，TQ03

A

1001-9677(2016)022-0185-03