化學工程與工藝專業(yè)化學教學改革探析

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摘要:“綠水青山就是金山銀山”，在資源萎縮、環(huán)境惡化的今天，走“綠色化”是化學工業(yè)的必然之路，綠色化學教學改革也是化學工程與工藝專業(yè)能長期發(fā)展的必然之路。化學工程與工藝專業(yè)人才是中國化學工業(yè)的中堅力量。將綠色化學教育貫穿于化學工程與工藝整個人才培養(yǎng)方案中，對培養(yǎng)目標、課程設置、教科研、實踐教學進行綠色化教學改革。培養(yǎng)學生的綠色化學理念、理論、意識、知識和綠色創(chuàng)新思維、能力，為中國化學工業(yè)培養(yǎng)高質(zhì)量的“綠色”創(chuàng)新人才。

關鍵詞:綠色化學;化學工程與工藝;教學改革

傳統(tǒng)化學工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于受到時代、技術和理念等限制，科學家和工程師沒有全面考慮化工生產(chǎn)過程對社會、資源、環(huán)境的破壞影響，從而造成了資源短缺以及環(huán)境惡化，造成了談“化”色變的被動局面［1］?；瘜W工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎和支柱，國家綜合實力和人民生活都離不開化工。光刻膠、電子工業(yè)中使用的各種功能性膠水、高端油墨、船舶油漆、航空輪胎、軸承鋼等等高端化工產(chǎn)品都依賴進口?；瘜W工業(yè)在部分人眼中是危險的，但如果一個國家沒有化學工業(yè)的未來才更加危險。20世紀90年代美國學者首先提出綠色化學的概念(GreenChemistry)、綠色化學十二條規(guī)則等［2］，綠色化學開始迅速蓬勃發(fā)展。綠色化學(GreenChemistry)又稱為清潔化學(CleanChemistry)或環(huán)境友好化學(EnvironmentallyFriendlyChemistry)［3］。環(huán)境化學和工程是對污染的“末端治理”。綠色化學包含環(huán)境保護，是采用“原子經(jīng)濟性”(Atomeconomy)反應，從源頭上、過程上防止和減少污染，采用無毒無害的原料、催化劑和溶劑，利用綠色技術、清潔生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)“零排放”［4］。綠色化學核心思想或內(nèi)涵是用化學新思想、新理論、新技術、新工藝，從源頭消除污染，阻止或減少環(huán)境污染和危害。發(fā)展高質(zhì)量綠色化工是我國化學工業(yè)的必然之路。中國最早研究綠色化學的科學家有綠色化學開拓者閔恩澤院士、中國綠色化學的先驅(qū)和斗士張俐娜院士等。我國的綠色化學高等教育處于上升階段，許多高校開設了綠色化學課程并建成國家級精品資源共享課程。但是將綠色化學教育貫穿整個專業(yè)人才培養(yǎng)過程的比較少見。江蘇理工學院化學工程與工藝專業(yè)將綠色化學教育貫穿整個專業(yè)教育過程，使培養(yǎng)的化工專業(yè)人才具有綠色發(fā)展的理念、思想和專業(yè)素養(yǎng)能力。

1培養(yǎng)目標的確立

江蘇理工學院化學工程與工藝專業(yè)立足江蘇，面向全國，服務于長三角區(qū)域經(jīng)濟建設和大化工行業(yè)發(fā)展，以綠色化工技術與應用為主線，培養(yǎng)德、智、體、美、勞全面發(fā)展具有良好的職業(yè)道德和社會責任感，良好的學習能力、實踐能力及創(chuàng)新精神，具備綠色化工實驗技能、工程實踐、計算機應用、科學研究與工程設計方法的基本理論和基本技能，掌握綠色化工生產(chǎn)工藝過程和設備的基本規(guī)律和原理，具有從事綠色化工生產(chǎn)的控制與管理、化工產(chǎn)品和過程的研究開發(fā)、化工裝置與流程的設計等能力的高級應用型工程技術人才。

2課程設置

開設綠色化學課程。教材選用高等學校十二五規(guī)劃教材綠色化學［5］和中國科學技術大學研究生教材綠色化學［6］。將無機化學實驗、有機化學、有機化學實驗、化工工藝學、精細化工、化工設計等課程直接采用“綠色”教材，課程名稱分別改為綠色無機化學實驗、綠色有機化學、綠色有機化學實驗、綠色化工工藝學、綠色精細化工、綠色化工過程設計。對于市面上無成熟教材的課程，采取部分章節(jié)穿插的方式教學。如在無機化學和物理化學中涉及電化學的知識采用綠色電化學合成［21］這本書來講授電化學知識。專業(yè)英語課程中增設綠色化學這一章節(jié)。

3“綠色化”教學、科研相互促進和反哺

江蘇理工學院化工學院擁有江蘇省電子廢棄物資源循環(huán)利用重點實驗室、江蘇省貴金屬深加工技術及應用重點建設實驗室、江蘇省電子廢棄物資源循環(huán)工程中心、江蘇省化學化工基礎實驗教學中心、資源循環(huán)利用江蘇省實踐教學示范中心、江蘇理工學院持久性有機污染物(POPs)分析測試中心等。軟硬件條件滿足教學、科研相互促進和反哺。教學促進科研的主要途徑是通過導師制?？蒲蟹床附虒W的途徑主要是學術講座、教師科研進課堂、創(chuàng)新性實驗、畢業(yè)論文等。實際操作過程中，“綠色化”教學促進科研，“綠色化”科研反哺教學兩者是相輔相成、有機融合在一起的。導師制是新生入學時，將1～3名新生分配給具有博士學位、副教授以上的老師擔任導師。導師輔導學生制定學業(yè)規(guī)劃、職業(yè)規(guī)劃，指導學生的學科競賽、畢業(yè)設計和論文，學生參與導師的科研和教學過程。導師制的中心線是學生參與導師的科研，通過大一熟悉科研背景、大二進實驗室、大三和大四出成果，完成學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、創(chuàng)新性實驗、畢業(yè)論文等教學過程。解決了本科生參與科研的各種弊端，如學歷低、時間短、產(chǎn)出比低，為培養(yǎng)創(chuàng)新性人才打下了堅實基礎。為了符合工程認證的要求，導師還指導學生的化工原理課程設計、綠色化工過程設計的課程大作業(yè)設計，指導學生參加全國大學生化工設計大賽。將教師的科研成果引入課程也是科研反哺教學的最重要的手段。一是讓相關研究方向的老師承擔相應課程或章節(jié)的教學工作，二是將老師的科研成果轉為學生的基礎實驗項目和創(chuàng)新實驗項目。

4綠色化實踐教學

因為生產(chǎn)安全、人身安全和生產(chǎn)過程的制約，化工專業(yè)生產(chǎn)實習形式上更接近“認識”實習，學生不能參與到化工生產(chǎn)過程，如現(xiàn)場開關閥門、進卸料，DCS控制等實際操作。學生將生產(chǎn)實習描述為“走馬觀廠”，不清楚現(xiàn)場管線和具體設備、裝置，收益甚微。因為環(huán)保、安全、效益的原因，企業(yè)對生產(chǎn)實習也不歡迎。針對這些弊端，對生產(chǎn)實習進行綠色化教學改革。采取“虛擬仿真(VirtualReality)加可操作生產(chǎn)實習基地”的方法讓學生在生產(chǎn)實習過程中，手可動、閥可開、DCS可控，實現(xiàn)一種“沉浸式、體驗式”生產(chǎn)實習過程?；瘜W工程系建立了化工虛擬仿真實驗室，擁有計算機80臺、工作站2臺、圖形工作站2臺。購買了生產(chǎn)實習仿真軟件3套，分別是典型化工產(chǎn)3D虛擬現(xiàn)實認識實習仿真軟件、丙烯酸甲脂3D虛擬現(xiàn)實認識實習仿真軟件、甲醇工藝3D虛擬現(xiàn)實認識實習仿真軟件。生產(chǎn)實習分為三周，第一周在機房操作三套工藝的DCS控制系統(tǒng)，完成安全教育、熟悉工藝、掌握開停車、學會工藝參數(shù)控制和故障診斷等。單純的仿真是遠遠不夠了，還需要實際的和真實的下場實習。聯(lián)系3家具有代表性的制藥、石化、精細化工企業(yè)，用一周時間帶領學生下廠實習，重點關注企業(yè)的文化、安全控制、管理架構，熟悉化工工藝流程(化工工藝流程、設備布置、管路布置)、化工設備(設備總圖、裝配圖等)、化工機器(泵、風機、攪拌裝置等)等。有了仿真操作和認識實習，就可以動手操作，花一周時間在江蘇省工程訓練中心對均100噸/年苯四甲酸二酐裝置進行真工藝、真設備、真場景、真操作、真系統(tǒng)實操訓練。通過虛擬仿真加可操作生產(chǎn)實習基地的方式讓學生有的看、有的動、有的練，切實可行地提高了學生的實訓質(zhì)量?；瘜W學科具有其自身的特點，化學是一門以實驗為基礎的學科?；瘜W工程與工藝的學生要完成的實驗課程有綠色無機化學實驗、綠色有機化學實驗、分析化學實驗(化學和儀器)、物理化學實驗、化工原理實驗、化工專業(yè)實驗等。實驗過程中盡量遵循綠色化學十二條規(guī)則，防止污染物的生成，使用對人體健康和環(huán)境無毒、無害(包括極小毒性和無毒)的原料、溶劑、助劑，能耗低、催化劑綠色化，使收率最大化，產(chǎn)品壽命結束后可分解。除了直接開始綠色化無機化學實驗和綠色化有機化學實驗外，其他實驗過程盡可能采用“微型化、串聯(lián)循環(huán)實驗”。微型化實驗具有實驗效果明顯、藥品使用量少、效率高、污染少、實驗安全的優(yōu)點。串聯(lián)實驗是將所有的實驗盡可能串聯(lián)起來，將某次實驗的產(chǎn)物當做下一次實驗的原材料。打破原有實驗室的設置，將所有實驗室統(tǒng)一整合為化學化工實驗室，學生每次做完實驗得到的產(chǎn)品和廢液統(tǒng)一保存在實驗室單獨藥品柜中，經(jīng)過教師統(tǒng)一安排或?qū)W生設計，作為下一次實驗的原料或溶劑。例如綠色有機化學實驗蒸餾和沸點的測定的產(chǎn)物蒸餾酒精可以作為后續(xù)實驗用乙醇。將有機實驗后成分簡單的甲醇、乙醇有機混合液作為化工原理實驗精餾的原料，得到的單組分產(chǎn)品甲醇和乙醇又可以返回作為有機實驗的原料或溶劑。有機實驗后成分復雜的有機混合液作為專業(yè)實驗精餾(萃取精餾、減壓精餾等)的原料，這時的實驗變?yōu)榫C合性、創(chuàng)新性實驗，2－3人實驗組要根據(jù)原料的組成、相對揮發(fā)度的大小等獨立設計實驗方案，得到實驗指導老師審核后，再進行實驗。這種方式不僅單單是節(jié)省了實驗藥品，還培養(yǎng)的學生的化學理念、理論、意識、知識和綠色創(chuàng)新思維、能力，同時還培養(yǎng)了他們的團隊協(xié)作精神。由于受到專業(yè)限制，實在無法處理的“三廢”，交由環(huán)境工程專業(yè)學生主導處理，作為他們的創(chuàng)新性實驗、綜合性實驗或畢業(yè)論文來源。本專業(yè)學生協(xié)作，這樣可以開拓學生視野，培養(yǎng)學生的跨領域知識融通能力和實踐能力，提高創(chuàng)新能力。

5結語

綠色化學是化學工業(yè)發(fā)展的必然之路，綠色化學教育是化學工程與工藝專業(yè)高等教育的必然之路。按照綠色化學的要求，對化學工程與工業(yè)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標重新定位，使培養(yǎng)的化工人才符合綠色化工產(chǎn)業(yè)的要求。除了直接開設綠色化學這門課程，對市面上有綠色教材的課程直接采取綠色化教材進行授課。對于市面上無成熟教材的課程，采取部分章節(jié)穿插的方式教學。教學、科研相互促進和反哺共同助力綠色化教學。采用“虛擬仿真加可操作生產(chǎn)實習基地”和“微型化、串聯(lián)循環(huán)實驗”綠色化實踐教學，探索化學工程與工藝人才培養(yǎng)的全新模式。

作者:張春勇 劉維橋 舒莉 文穎頻 鄭純智 單位:江蘇理工學院化學與環(huán)境工程學院