適應“三三制”培養模式的化工基礎實驗教學改革

周愛東

摘要：在南京大學全面施行“三三制”本科教學改革背景下，在國家級實驗教學示范中心及國家級教學團隊建設中，著力構建一支富有創新意識和創新能力的教學科研復合型化工基礎實驗教學團隊，開放化工仿真實訓，引導學生進行工程模擬，提升學生科研素養，打造精品教材，為培養行業未來領軍人物和創新人才夯實基礎。

關鍵詞：化工基礎實驗；團隊建設；仿真培訓；工程模擬；科研素養

在“通識教育與個性化培養融通”的理念基礎上，2009年南京大學開啟了“三三制”本科教學改革。2014年“三三制”教學改革取得標志性成果，以學生發展為中心的“三三制”本科人才培養體系構建與實施項目榮獲高等教育國家級教學成果特等獎。

化工基礎實驗是應用化學、化學等專業的核心專業課，是培養化工科學研究和工程技術人才過程中一個重要的工程教育環節，與化工原理、反應工程、化工專業實習、化工設計等課程緊密銜接，并構成有機的整體，具有較強的工程特點。在“三三制”人才培養模式的指導下，化工基礎實驗課程以培養學生創新實踐能力和個性化發展為核心，結合本學科特色，構建符合學生個性化、多元化發展的研究性實驗教學體系。在日益重視培養學生創新、綜合素質的新形勢下，合理規劃、調整化工基礎實驗的教學內容和模式，對提高教學質量、培養學生的工程素養和創新能力有非常重要的意義。

一、教學團隊建設

教學團隊建設是教育改革與發展過程中的關鍵問題，直接關系到“三三制”人才培養模式的具體執行力。我校化學實驗教學中心是首批國家級示范中心，化工基礎實驗課程是國家級化學實驗課程教學團隊承擔的核心專業課程之一。團隊成員從事綠色化工過程的理論探索、傳質與分離元件的開發、天然產物的綠色深加工、工程設計等方面的科學研究，開創的“超級浮閥塔板等新技術研發及其在工業節能減排方面的應用”項目獲得2011年度國家科學技術進步二等獎，“先進塔器分離技術研發及應用”項目獲得2015年度中國產學研合作創新成果一等獎，成果已大規模應用于石化原料和產品的分離、天然物質的提取深加工，為企業創造了巨大的經濟、社會和環境效益，并在AIChEJ，CES，IECR等國際化工頂級期刊發表100余篇科研論文。強大的科研力量為基礎教學提供有力的支撐，團隊積極開展教學研究工作，近5年來主持或作為骨干成員承擔十余項國家級、省級、校級教學改革課題，在一流核心期刊上發表多篇教學研究論文。

二、化工基礎實驗改革舉措

在完成流體流動、傳熱、精餾、吸收、過濾、干燥、萃取、停留時間分布等經典化工基礎實驗教學的基礎上，我們采取了如下舉措。

1.開放化工仿真實訓

現代化的化學工業規模龐大、工藝流程復雜，所需檢測、監控數據繁多，全部或部分工段采用在線控制，實現自動化生產。化工基礎實驗需要適應現代化學工業自動化生產的新情況，采用開放式化工仿真實訓教學方式引領大工程觀背景下化學工業人才培養。

通過對催化裂化反應再生系統、石油煉制常減壓系統、30萬噸合成氨裝置等全流程級化工仿真工藝流程的深入剖析，設備功能、設計參數、操作參數、工藝指標、安全生產的介紹，再現真實生產過程的全工況實時動態特性，有助于學生建立和儲備典型過程工程的背景知識，包括工藝流程、設備設計思路、操作工藝參數、自動控制方案等，透徹了解生產工藝流程的組織原則、設備內部結構、物料流動狀態及物料發生物理化學變化的原理、工藝條件的控制手段、系統工程等更深入的內容。動態仿真數學模型的突出優勢在于將模擬千變萬化的工況變為現實，開放化工仿真實訓提供了創造性地進行操作控制方案探索的可能。以30萬噸合成氨裝置生產工藝流程動態仿真模擬為例，工藝涵蓋天然氣轉化、脫碳、氨合成、冷凍及氨回收、氫回收5個工序，實現動態反應合成氨各操作點參數（如：液位、溫度、壓力、流量、物料反應變化、目標產物質量控制、自動控制過程實現）隨負荷變化而響應的動態效果，仿真實訓的仿真操作員在邏輯程序組態、操作方式、畫面形式、趨勢功能、事故追蹤、CRT報警形式、工程統計等各方面與生產實際中控室系統及現場手操對象一致，全部控制操作、邏輯保護、控制邏輯與實際裝置完全相同。開放仿真實訓中，貫穿系統觀點和全局優化的思想進行流程級仿真工藝流程系統的操作，遵循安全操作規程和貼切工程實際的操作規范，實現安全高效地開車、運行、停車（含緊急停車），深入了解過程工程的工藝及控制系統的動態特性，嫻熟高效識別和校正提前設置的設備故障，掌握常見事故的應急處理預案，在潛移默化中培育對復雜化工過程動態運行的分析和決策能力，生產的組織、協調、管理能力。領略現代化工大生產的安全氛圍、創新氛圍、文化氛圍，培育學生的大工程觀，回歸工程實踐。

2.引導學生進行工程模擬

隨著計算技術和化工過程系統模型化技術的發展，化工過程模擬可以用于完成化工過程及設備的數據計算、工藝設計、操作模擬、優化分析、故障診斷、工藝改造和綜合評價等多種任務，可以節約大量實驗成本、時間，加快推進新產品和新工藝的開發過程。現階段，化學工業逐漸趨向大型化、集中化和連續化發展，尤其在當今資源短缺、能源緊張的形勢下，對綠色化工、節能減排以及環境友好等方面提出了更高的要求。如何充分利用化工過程模擬技術并采用最優化的工藝方案，最大限度地提高生產效率，是工業上亟待解決的問題。

Aspen Plus應運而生，它是一款功能強大的標準大型通用流程模擬軟件，用戶遍及世界各大化工、石化生產廠家、著名工程公司。教學團隊適時將Aspen Plus模擬軟件引入化工基礎實驗教學中，設計出一系列工程生產任務，指導學生完成。如：基于Aspen Plus的乙腈-水共沸體系的精餾模擬與優化實驗。該實驗采用雙塔串聯變壓精餾工藝，具體工藝為：原料經換熱器加壓預熱后送入T101精餾塔，采用高壓操作，T101塔釜獲得較純的乙腈產品，塔頂為乙腈一水共沸物，該共沸物送入T102精餾塔，T102塔為低壓精餾塔，由于壓強變化導致乙腈-水共沸物組成發生改變，T102塔底獲得含微量乙腈的廢水，可送去廢水處理，而含較多乙腈的塔頂共沸物則經過泵加壓后作為循環流股送回T101塔與原料混合，以回收其中的乙腈。通過繪制擬二元氣液平衡相圖，確定雙塔連續萃取精餾的工藝流程，并利用靈敏度分析考查萃取精餾塔的全塔理論板數、原料進料位置、回流比、塔頂/釜熱負荷、操作壓力等因素對分離效果的影響。模擬與優化結果為乙腈水共沸體系分離過程的設計和操作提供了依據。

3.提升學生科研素養

教學團隊在基礎實驗中進行研究型教學，引導學生在基礎實驗中進行研究型學習。積極進行科學研究的團隊，在教學中可以得心應手地用科研所必要的實踐精神和創造精神感染學生。學生備受鼓舞，得到啟迪，很大程度上得益于團隊為學生樹立起成功的榜樣。

團隊進行科學研究能夠不斷地汲取該學科領域最前沿的研究成果，并用最新的研究成果和學科前沿動態來豐富實踐教學內容，開發出若干設計和研究型化工綜合實驗，包括：CO₂，在氨基功能離子液體的吸收/解吸實驗、超濾一納濾一反滲透組合膜處理大豆乳清廢水、超臨界CO₂，萃取玫瑰精油、氣液循環噴射反應器性能測試、塔器性能測定實驗、方形水槽內流場特性的PIV分析。這些實驗不再是局限在對課本理論知識的驗證，而是與工程實際生產、學科前沿熱點緊密結合，有利于拓寬學生的視野，樹立創新意識，激發學生從事本學科科學研究的興趣，加強學生科研素養的訓練。在實驗教學中創設一個“在研究中學習”的氛圍，營造研究情境，帶領學生走進科學殿堂、親歷科學實踐、體驗科學魅力，實現強化基本技能訓練、突出創新能力培養、達到科學素養提升之目標，促進人才成長。

三、打造精品教材

高等學校實現人才培養模式的創新，勢必要進行教學內容和課程體系的改革，與教學內容改革密切相關的一個重要方面就是建材建設。

實驗教學改革的重要突破口是瞄準學科發展前沿，優化實驗教學體系，開設與學科前沿密切相關的實驗項目，豐富教學資源。高水平的實驗教材可以優化學生的知識、能力和素質，需要適時更新實驗教材。為適應“三三制”教學改革及人才培養的需要，以化工基礎實驗教學團隊為班底，組建一支本學科專業領域內有深厚學術造詣，長期在教學、科研一線潛心研究的7人博士團隊編寫《化工基礎實驗》教材，邀請學科帶頭人張志炳教授擔任教材主審，教材于2016年1月在高等教育出版社出版，受到諸多兄弟院校師生及廣大讀者廣泛關注。教材凝練了化工基礎實驗的基礎知識，在講清基本原理和方法的同時，闡明實驗的設計思路，同時注重培養學生的創新意識及發現、分析和解決問題的能力。將課程內容分為基礎知識、實驗誤差分析與實驗數據處理、化工數據的采集與控制技術、基礎實驗、綜合實驗、化工仿真與過程模擬等六個知識模塊進行深入淺出講解，體現了知識點的基礎與延伸，并且滲透學科前沿進展。教材適應“雙一流建設”重大戰略決策、南京大學“三三制”本科教學改革第二階段要求，秉承著名化學家戴安邦先生倡導的“全面的化學教育和實驗室教學”理念，有力促進了實驗教學質量的持續提高。