新工科背景下能源化工實驗教學平臺改革探索

朱晟 王羅春 閔宇霖 辛志玲

[關鍵詞]能源化工;化學工程與工藝;專業實驗;教學改革

近年來，隨著國家能源結構的調整，國家大力發展低碳經濟、環保產業、綠色經濟等關系到未來環境和人類生活的重要戰略新興產業。為培養適應國家經濟建設需要和符合未來化學工業高速發展要求的合格人才，上海電力大學在2012年組建環境與化學工程學院后，成立了以化工為基礎、能源化工為特色的化學工程與工藝新專業，并于當年開始招生，目標是培養國家戰略性新興產業需要的人才。該專業涉及可再生能源技術、節能減排技術、清潔煤技術、節能環保和資源循環利用等戰略性新興產業領域。

由于實驗教學是工科院校重要的實踐性教學環節，是理論教學的繼續和延伸，在新專業的課程體系建設中，一個重要的任務就是構建能源化工實驗教學平臺[1-4]。通過建立專業實驗教學體系、內容及實施方法，加深學生對專業課的理解和掌握，鞏固學生的實驗操作技能，提高學生觀察、分析、解決問題的能力，為學生掌握專業理論知識和實踐技能奠定基礎。經過多年的建設與探索，實驗平臺已初具規模，但在實驗教學過程中仍存在一些問題，主要表現為：1.實驗項目演示型和驗證型多，綜合型和設計型少;2.實驗項目“能源化工”特色不明顯;3.教學方式單一，無法充分調動學生學習的積極性;4.實驗室開放利用率不高。針對上述問題，以新工科建設為背景，以高水平地方應用型大學建設為契機，結合專業工程教育認證和學科評估，充分發揮學院和學科特色，上海電力大學探索能源化工實驗教學平臺的教學改革勢在必行。

一、實驗教學體系構建

（一）指導思想

為了更好地對接國家新能源戰略，適應化學工程與工藝學科發展對人才培養的要求[5-7]，結合國家和上海市教育發展規劃綱要，以提高學生學習能力、實踐能力和創新能力為核心，按照上海電力大學“立足電力、立足應用、立足一線”的辦學方針和“務實致用，明理致遠”的辦學理念，平臺建設以“突出理論基礎，強化生產應用，著力科技創新，服務地方經濟”為指導思想，突出電力工業發展特點，以滿足目前學生在夯實基礎、提高動手能力和創新能力方面培養的要求。

（二）教學理念

平臺的實驗教學理念是：以學生為主，“厚基礎、重能力、強實踐”三位一體。“厚基礎”即在實驗教學過程中加強學生基礎知識和基本操作的培養和鞏固，注意理論聯系實際;“重能力”即在實驗教學過程中重視培養學生的學習能力、動手能力和綜合實驗能力;“強實踐”即在實驗教學過程中鼓勵學生不受實驗室、實驗學時和實驗教材的限制，自行設計實驗方案和完成實驗，以培養學生的創新意識和創新能力。

（三）實驗教學體系構建

實驗教學是人才培養過程中的重要環節，以平臺建設的指導思想和教學理念為準線，在實驗教學中，平臺按照學生認識、理解、掌握知識的規律，遵循促進學生實踐能力梯級遞增、注重學生個性發展的原則，構建分層次的實驗教學體系，將實驗項目分為基礎認識、技能訓練、綜合實踐和應用創新四個層次。1.基礎認識：主要學習掌握最根本的基礎理論知識，認識各種儀器的構件、工作原理，如二氧化碳臨界狀態觀測及氣體p-V-T關系測定。2.技能訓練：主要通過儀器的使用，體驗實際操作過程，掌握操作技能，增強動手能力，如煤的發熱量測定、石油產品餾程測定等。3.綜合實踐：主要結合實際任務，使學生面向工程實際應用，提高學生的自主學習能力、對知識的融會貫通能力、獨立思考問題的能力和團隊合作協調能力，如鼓泡反應器中汽泡比表面及氣含率的測定、碳分子篩變壓吸附氣體分離實驗等。4.應用創新：主要鼓勵學生根據自己的興趣愛好參加科研項目和科技創新活動，全面培養和提高學生的科研能力、探索能力和創新能力，如能源與環境催化材料制備和測試實驗，包括碳基復合催化材料的合成實驗（發展以碳納米管、碳納米纖維、石墨烯負載金屬氧化物催化體系）、新型多孔功能催化材料以及環境催化材料的合成與應用實驗等。通過增加能源化工相關的應用創新型實驗項目，進一步突出能源化工特色，提高人才培養質量。

另外，通過課程設計、畢業實習、畢業設計、課內與課外、校內與校外的實踐和科技創新活動，鼓勵學生積極參加，自主思考，勇于探索，構建一個從認識、掌握、應用到創新的實驗教學體系。平臺對外積極開展校企合作，與上海高橋石油化工有限公司、華能上海石洞口第二電廠、上海石油天然氣有限公司、寶山鋼鐵股份有限公司等多家大型企業建立了長期合作關系，提高了學生的現場分析、解決實際問題的能力，真正實現了產教融合、學以致用。

二、實驗教學模式改革

（一）引入翻轉課堂教學模式，提高實驗教學效果

在部分與儀器操作相關的實驗教學中，引入翻轉課堂教學模式。教師要充分利用現代信息技術輔助實驗教學，可以采用微課、慕課、圖像、視頻等網絡資源進行“線下”教學，將事先拍攝制作的儀器內部結構和完整實驗操作等視頻資料上傳，要求學生上課前觀看視頻資料，完成相應的學習。課堂上教師再以提問的方式明確實驗項目的要點、關鍵步驟、儀器操作順序等，引導學生回顧、思考，從而完成實驗教學活動。應用“翻轉課堂”，使部分課堂教學時間轉化為學生實踐活動和實驗室動手操作時間，提升學生的參與性，調動學生的積極性，充分發揮課外與課堂教學相結合的優勢，培養學生的自主學習能力與合作學習能力。

（二）在實驗教學中引入思政元素，發揮育人功能

習近平總書記在2016年全國高校思想政治工作會議上指出，要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人。專業實驗教學作為高校教學工作的重要組成部分，同樣需要在教學過程中融入思政教育的內容，充分挖掘專業實驗課中的思政元素，發揮育人功能[8]。在實驗開始前，教師可先將實驗潛在的危險性和相應的應急措施告知學生，培養學生規范操作和安全意識，同時可以介紹實驗相關的一些工業應用實例和發展歷程等，幫助學生樹立綠色化工、循環低碳經濟和可持續發展的理念。開展實驗操作時，要求學生精確控制實驗條件，認真觀察實驗現象，真實記錄實驗數據，培養學生精益求精、嚴謹細致的“工匠精神”，胸懷匠心。處理實驗過程中產生的廢液時，告誡學生不能隨意將其倒入下水道，要分類收集在廢液桶內統一由專門的環保公司進行回收，以增強學生的環保意識和法治觀念。在分析實驗數據和結果時，需要學生從大量的實驗數據中總結出一般的實驗規律和結論，即從特殊性中總結出普遍性，由感性認識上升為理性認識，這可以培養學生對事物實事求是、仔細分析的科學方法和科學精神。

（三）建立虛擬仿真實驗室，開展實驗仿真教學

化工生產過程具有設備龐大、結構復雜、影響因素多、需要高溫高壓、具有一定的危險性等特點，很難在實驗室完成相關實驗操作，這增加了學生對工業級化工裝置、工業生產運行模式學習的難度。即使有簡單的實驗裝置，實驗數據也不能體現各因素相互影響的效果，學生很難從整體上深入掌握化工生產過程的原理和應用。因此，立足當前化工專業人才培養的實際社會需求，通過虛擬仿真實驗來加強學生化工單元的操作能力，提升專業技能，這對實現工程應用型工人才培養目標意義重大[9]。虛擬仿真實驗室是基于Web技術、VR虛擬現實技術構建的開放式網絡化虛擬教學實驗室，是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化，具有技術層面的科學性、應用層面的經濟性、操作層面的安全性和開放層面的共享性等優勢，開發虛擬仿真實驗室，依托真實實驗室，在“理論—仿真—真實—仿真”循環學習中，鞏固加深學生對化工過程的認識，提高學生的實踐動手能力。能源化工實驗教學平臺在原有實驗項目的基礎上，新增了CO2壓縮機系統仿真實驗、固定床反應器系統仿真實驗、CO中低溫串聯變換反應仿真實驗、煤制甲醇工藝仿真實驗等多個虛擬仿真實驗項目，形成了綜合實訓系統，有效提升了學生的學習興趣和學習效果，從而提高了實驗教學質量。

（四）學科競賽與實驗室開放相結合，全面提高實驗室利用率

學科競賽作為一種教學活動，是課堂實驗教學的補充和延伸，是學生應用能力提升、綜合素質提高、實踐能力增強的有效途徑[10]，在高校教學工作中發揮著越來越重要的作用。學科競賽一般以專業知識為基礎，但又不限于學生平時課堂所學知識，具有較強的靈活性、綜合性和創新性。以全國大學生化工設計競賽為例，學生除了需要掌握化工原理、化工熱力學、化學反應工程、化工分離過程、化工節能原理與技術等專業知識外，在設計過程中還需要熟練使用大量專業軟件，如Aspen Plus、Aspen Energy Analyzer、Aspen Exchanger Design and Rat?ing、AutoCAD、SW6、Risksystem、SmartPlant 3D 等，這就需要指導教師在課外利用專門的實驗場地與儀器設備對學生進行輔導。實驗室開放既可滿足學科競賽的需求，又可充分利用現有實驗室資源，提高實驗室利用率。學院出臺了《環境與化學工程學院實驗室開放管理辦法》，對實驗室開放的條件和形式、組織與實施、程序和要求等內容進行了規范，同時采取一系列措施鼓勵實驗室開放，如學生參加開放實驗教學獲得一定成果的，可申請創新學分認定，用于抵充全校任意選修課學分，并將開放實驗教學作為教師年終考核（評優）的重要依據之一。通過實驗室開放，近三年來，我校學生在全國和上海市的各類大賽中多次獲獎，包括全國大學生化工設計競賽一等獎1項，二等獎2項，三等獎1項;全國大學生化工實驗大賽全國總決賽二等獎1項;“協鑫杯”國際大學生綠色能源科技創新創業大賽特等獎1項，一等獎2項，二等獎1項;“挑戰杯”上海市大學生課外學術科技作品競賽一等獎2項等。

（五）科研反哺教學，從科研項目中提煉應用創新型實驗項目

依托上海市電力材料防護和新材料重點實驗室、上海市熱交換系統節能工程技術研究中心兩個省部級科研平臺，能源化工實驗教學平臺積極利用科研反哺教學，通過大學生科創項目、畢業設計等方式，鼓勵學生組隊參與到教師的科研項目中。學院每年會組織科創項目的立項申請和答辯，確定院級、校級和省市級等大學生科創項目并進行公示，同時對項目執行過程進行嚴格監督，按時組織立項項目進行中期答辯和結題答辯，對取得一定成果的項目予以經費支持。在教師的指導下，學生通過查閱文獻資料、設計實驗方案、開展實驗研究、分析實驗結果、撰寫研究報告等過程，充分調動學習的主動性、積極性和創造性，提高學習能力、動手實踐能力、創新能力和團隊協作能力。這樣將科研資源轉化為實驗教學資源，逐步形成了“研教一體”的育人環境。近三年來，學生與教師共同署名發表論文86篇，其中SCI論文34篇。尤其是在2017年，學院2016屆本科生黃倩倩以第一作者在SCI 一區雜志《Chemical EngineeringJournal》上發表了學術論文。另外，教師積極將現有科研中與本科實驗教學相關的研究工作納入實驗教學中，更新專業課實驗項目，通過科研工作和實驗教學的有機結合，培養學生的創新精神和實踐能力。

三、結語

以新工科建設為背景，以上海電力大學高水平地方應用型大學建設為契機，能源化工實驗教學平臺的教學改革與實踐，進一步確立了實驗與實踐教學在本專業人才培養中的重要地位，建立了以實驗和工程實踐為主體，以培養學生創新和實踐能力為核心的化學工程與工藝實踐訓練體系。基礎認識、技能訓練、綜合實踐和應用創新四個不同層次的實驗模塊構成了一個層次清晰、基礎扎實、循序漸進、具有特色的完整的實驗教學體系。同時，通過引入翻轉課堂教學模式、引入思政元素、建立虛擬仿真實驗室、學科競賽與實驗室開放相結合、科研反哺教學等一系列方式推進實驗教學模式改革，有力地推動了化學工程與工藝實踐體系的整體優化，推動了人才培養模式改革。這些做法得到了廣大師生的肯定和支持。