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基金項目:石家莊學院教學改革研究項目(JGXM-201107B)
中圖分類號:G64
文獻標識碼:A
原標題:化工單元仿真技術在化學工程與工藝專業實習中的應用研究
收錄日期:2013年1月31日
化學工程與工藝專業是培養從事化工工程設計、化工技術開發、化工生產技術管理和化工科學研究等方面工作的工程技術人才。本專業培養具備化學工程與化學工藝方面的知識,能在化工、煉油、冶金、能源、輕工、醫藥、環保和軍工等部門從事工程設計、技術開發、生產技術管理和科學研究等方面工作的工程技術人才。石家莊學院化工學院化學工程與工藝專業是河北省級重點發展學科。石家莊學院化工學院從2007年開始與石家莊煉油廠、以嶺藥業等企業共建生產實習基地,積極開展化學工程與工藝專業的生產實習的教學活動。為了更好地開展生產實習的實踐教學活動,在石家莊學院教務處教改項目(JGXM-201107B)的支持下,從2012年開始,我院化學工程與工藝教研室積極開展了化工單元仿真技術在本專業生產實習中的應用研究,取得了良好的效果。
一、生產實習的意義
生產實習主要是指高校工科學生(主要指高年級大三或大四的學生),在工廠生產現場主要以技術員或管理人員的身份,直接參與企業相關的生產過程,它的重要意義主要體現在以下幾個方面:
(一)理論聯系實際。高校學生以實際工作者的身份,直接參與工廠的生產過程,既可以運用已有的知識技能完成一定的生產任務,又可以學習和本專業相關的實際生產技術知識及管理知識。
(二)思想教育。生產實習是對工科學生進行思想政治和道德品質教育的有效途徑。在生產實習中,可以生動具體地對學生進行勞動觀點教育,培養學生熱愛勞動、認真負責及愛崗敬業的勞動精神。
(三)檢查教學質量。通過生產實習,不但可以檢查工科學生對于專業知識的理解及實際技能的水平,更重要的是通過生產實習的檢驗,對課堂教學質量做出一些基本的分析和估計,作為全面評價教學質量、改進學校教育工作的重要依據。
二、傳統生產實習存在的問題
傳統的生產實習主要包括實習動員、廠級安全教育、實習報告與考核等內容,它的弊端主要體現在以下幾個方面:
(一)教學方式呆板。傳統的生產實習,通常是工廠派個技術員給學生講一講工藝流程,然后帶學生看看生產過程,而不允許學生動手操作,學生只能走馬觀花地表面了解工廠的工藝流程。學生通常只是抄一抄圖紙,看一看設備,而對于實際的工廠生產情況卻了解不多。
(二)生產實習質量不高。由于學生在實習現場基本上只能“看”、“聽”、“寫”。剛進廠實習的時候,還能認真地學習,時間一長,就失去了剛進廠的新鮮性,就會覺得無事可做,因而生產實習后期,學生通常是紀律渙散,管理困難,影響了整個生產實習的質量。
(三)生產實習成本過高。化學工程與工藝專業的生產實習一般要5~7天,除了要支付實習單位數額不菲的實習經費,期間的交通及食宿費用也較高,這對于實習經費短缺的高校壓力很大。如何利用有限的實習經費,更好地開展實習教學活動,是每個高校面對的問題。
三、化工單元仿真系統
(一)化工單元仿真系統介紹。化工單元仿真系統是以計算機為手段,通過建立化工過程的動態數學模型再現真實化工裝置系統特性。它是建立在化工工藝、自動化儀表、化工設備等學科基礎上的綜合性技術,可以模擬化工生產裝置運行中的開車、停車、故障處理等工段操作過程,可以提高操作人員的理論水平和實踐能力。
(二)化工單元仿真在生產實習中的應用。石家莊學院化工學院于2010年9月從北京東方仿真公司引進1套大型化工生產工藝-乙醛氧化制乙酸工藝。乙醛氧化制醋酸裝置是乙醛裝置的配套工程,起始原料為乙烯,乙烯氧化生成乙醛,再由乙醛為原料氧化生成醋酸。本軟件是參照大慶三十萬噸乙烯一期工程-大慶醋酸裝置設計,年生產能力為成品醋酸10萬噸/年。該生產工藝,工藝復雜、設備齊全、自動化程度高,很適合于化學工程與工藝專業學生的生產實習。根據課程需要,我們選擇乙醛氧化制乙酸工藝作為本專業學生生產實習的項目。
四、化工單元仿真系統引進到生產實習中的優勢
(一)有利于提高學生的實際操作技能。化工生產過程的特點是整套裝置的工藝流程長,設備數量大,所以工程技術人員的綜合素質和能力對于化工產品的產量、質量、經濟效益的程度影響越來越大。而學生在生產實習中很難有直接動手的機會,這是化工類專業實踐教學中所面臨的特有困難。而化工單元仿真實驗和實際化工生產工藝相結合,提供化工單元操作、過程控制仿真、全工藝過程操作等實訓,滿足培養化學工程與工藝專業的工藝技術、計算機應用、自動控制、過程裝備等崗位的綜合能力。
(二)培養學生的化工職業思想。在學習化工單元仿真軟件的同時,要對學生進行化工職業教育,使學生清楚地認識到本行業在國民現代化建設中的地位和作用,從而熱愛本專業,樹立為我國化學工業現代化建設做貢獻的雄心壯志,引導學生傳承化工行業職員守紀律、愛崗敬業的好作風。通過化工單元仿真軟件的學習,使學生具有按計劃有序工作的良好習慣和嚴謹的科學態度,并具有刻苦鉆研技術、勇于克服困難和積極向上的精神。
(三)化工單元仿真運行成本低。建設化工仿真實驗室的總成本只有中試車間費用的五分之一。將化工單元仿真軟件引入到化工原理實驗教學中,使用周期長,可大大減少學校在培訓工作中的人力及物力消耗,且易于維護。我們教研室在化工仿真實驗室還安裝了AutoCAD、Chem-CAD、ChemOffice等應用軟件,可以滿足化工學院其他專業學生的使用,充分利用現有設備,進一步降低其整體運行成本。
五、結論
化工單元仿真教學是運用先進的教學思想和現代化的教學手段,培養學生的實際動手能力,為化學工程與工藝專業人才高質量的培養提高提供了保障。
主要參考文獻:
[1]靳海波,宋永吉,趙如松等,化學工程與工藝專業實習改革與實踐[J],求實,2010,2
關鍵詞:化學工程與工藝;工程實踐;能力培養;體系構建
1化學工程與工藝專業現狀分析
從發展歷程來說,我國近代的化工產業遠遠落后于世界其他國家和地區,在人才培養方面存在很大的弊端。建國以后,為了改變這種現狀,國內開辦了很多職業化工教育院校以培養應用型人才。在所開設的專業中,化工工程與工藝專業是一門實踐性強、動手能力要求高的學科,在教學目標中,強調學生的獨立工作能力、獨立自主能力和探索實驗能力。從上世紀80年代以來,我國的化工類專業人才逐漸進入市場,在滿足社會發展需求的同時,也逐漸反饋一些人才培養的改進信息。就現狀而言,化學工程與工藝專業的教育體制依然需要改革,人才培養方式依舊需要深化,使之能夠適應快節奏的現代化化學工業發展,滿足市場經濟體制下人才競爭的需求,提高企業在國際市場上的競爭力。
2加強工程實踐能力培養的策略
(1)重視基礎知識的掌握
化學工程與工藝專業具有較強實踐性的特點,對于大部分學生而言,牢固的掌握基礎知識,是日后提高自己的關鍵。從教學角度來說,從大學專業入門基礎課程抓起,嚴格要求,特別是在基礎實驗動手能力方面要打好基礎。結合專業特點而言,化學工程與工藝所涉及的基礎學科包括化工原理、反應工程、化學工藝設備及化學物料基礎管理等。如果忽視了基礎知識的掌握,不但在真實工作中難以適應,也很難再有彌補的時間和精力。相對應地,基礎知識掌握牢固,在安全、精細、穩定等操作層面會養成標準化的習慣,甚至不需要規章制度的約束就能夠主動做好,促使工作效率大幅度提高。基于這一目標,要求教師在教學的過程中采取多樣化的方式,讓學生更多的接觸到現實崗位環境。如借助多媒體手段,綜合應用視頻、動畫、圖片等,讓現實中的具體形象呈現在學生眼前,比單純地依賴課本去講解、去想象要更有效果。例如,借助3D動畫模擬的形式,對某一化工設備的工作原理展開講解,通過不同角度、分解狀態或透視功能,讓學生了解工作狀態中的機械設備狀態;同時,也可以模擬不按照規章操作之后,可能發生的危險狀況。而利用這種手段,可以舉一反三,實現基礎知識的強化。
(2)突出教學與實驗結合
在校學習階段,學生的動手能力主要依賴于實驗,為了滿足進入工作崗位之后具有更好的適應性,教學過程要與實驗案例緊密的結合起來。一般來說,化學工程與工藝專業教材中,每一章節都存在典型的工程案例分析,而這些案例只是通過簡單的講解,是不能發揮實踐能力鍛煉的作用的。結合教學中所涉及的案例,教師設計相應的實驗項目,將知識點和實際操作巧妙的結合起來,不僅可以提高學習的新鮮感,也能夠激發學生的自豪感和學習主動性,培養濃厚的研究興趣。
(3)培養科研及工程設計能力
化工行業的人才培養與常規人才相比具有較大的差異,循規蹈矩或墨守陳規是不能促進生產效率提升的,科研能力和工程設計能力的培養是必須的,也是在未來的工作崗位中解決實際問題的重要訓練。結合現實情況來說,我國在培養科研能力和工程設計能力方面還有很大的欠缺,突出表現是畢業考核中,化學工程和工藝人才重視論文寫作,但不重視設計內容,導致能力的培養發生了偏離;而只會“紙上談兵”的人才是不可能發揮實際的作用的。建議針對該專業的人才培養考核機制進行改革,增加更多的實踐性內容。
(4)構建穩定的崗位實習基地
實習是從校園走上工作崗位的第一階段,也是理論聯系實際的重要時期。工科學生的實習周期較長,而化學工程與工藝專業學生在實習中,應該更多地接觸到基層,了解真實工作環境的狀態。但是,從安全性角度考慮,最好的方式是具有一個相對完善、監督嚴格的實習場所。通過學校與企業簽訂人才培養合同的方式,建設穩定的崗位實習基地,匹配一些技術成熟的工程技術人員,且具有較好表達能力,可以在實習中為學生講解相關問題及解決措施,達到事半功倍的效果。
3結語
綜上所述,隨著我國現代化工業體系的不斷發展和完善,化工工程與工藝專業作為一個實踐性強、應用范圍廣的專業,應該從完善學校教育環境和人才培養體制入手,增加投入、嚴格要求,為我國的工業現代化發展貢獻力量。
參考文獻:
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[3]李娟,王樹立,郭泉輝.化學工程與工藝專業學生工程實踐能力培養的思考[J].河南化工,2010,21:55-57.
本科專業模塊化人才培養方案改革自2012年本科合格評估以來,欽州學院化學化丁.學院依據辦學定位,圍繞學生知識應用能力、實踐和創新能力,全方位、系統地進行了教學改革。
(一)模塊化人才培養方案改革的基本步驟及結果
1.修訂人才培養目標我們將化學T程與工藝專業新的人才培養目標修訂為本專業培養具有高度社會責任感和職業道德素養的化學化工類高素質應用型人才,所培養的人才不僅能夠適應北部灣區域化工類產業發展的需要,而且能夠服務廣西、輻射東盟,為大化工產業的發展提供保障;所培養人才是掌握化學工程與工藝專業的基本理論知識,具備一定的實踐技能、創新能力和繼續學習能力的應用型人才,能夠滿足北部灣經濟區包括石油化工、精細化工、無機化工、有機化工、煤化工、教育科研等領域發展對專業人才的要求。畢業生可以在這些領域從事工業生產、生產技術改進、技術開發、工程設計及管理、教育科研等工作。
2.確定培養規格與要求
(1)素質要求。本專業學生要具有較高的思想覺悟和道德意識;具有較強的化工實驗技能、工程設計方法、丁?程實踐等專業素質;具有較強的運用化學工程與工藝知識和技能綜合解決專業問題的能力;具有較強的適應能力和團隊合作精神;具有較強的自學和知識更新能力,能夠運用現代信息技術實現自我發展。
(2)知識體系。掌握大學英語、計算機基礎等公共基礎知識;掌握高等數學、大學物理、工程制圖、無機化學、有機化學等專業基礎知識;掌握化工原理、化工熱力學、化學反應工程等專業核心知識;掌握石油煉制工程、化工儀表及自動化、化工工藝學、精細有機合成及工藝學、化工分離工程、化工設計、工程制圖等從事石油煉制、石油化工、精細化工等化工行業所需的專業知識;了解環保法規、勞動安全保護以及職業健康等知識。
(3)能力要求。具有較強的綜合素質、較強的專業綜合素質,掌握工程設計方法、工程實踐等實踐技能;具備石油煉制、石油化工、精細化工等行業生產所需的綜合實踐能力;具備較高的綜合素養和實踐能力,能夠綜合運用所學知識和技能解決實際問題;對新產品、新工藝、新技術和新設備具有一定的研究設計能力。
3.將培養規格與要求分解為能力要素化學工程與工藝專業能力要素分解與實現途徑。
4.將知識點及知識點應用組合成模塊根據新修訂的專業培養目標,我們突破現有學科分類的條框,打破原有的課程體系,從學生能力培養要求出發,統籌規劃學生的知識、能力、素質培養體系,將能力培養貫穿于各教學環節的始終,設計出合理的課程模塊,建立以能力為導向的應用型人才培養教學體系。分別設計出公共基礎模塊、專業基礎模塊、專業核心模塊、專業拓展模塊和綜合運用模塊。針對能力培養目標,利用這些設計出來的課程模塊,將教學課程內容進行重組,使教學形式多樣化,實現了對原有課程的整合優化,構建了化學工程與工藝專業應用型人才培養的模塊化課程體系。
(二)模塊化人才培養方案改革的實施概況自2012年以來,我們按照先改先試、邊改邊試、邊總結邊試、邊試邊推廣的基本策略,依托“化學工藝廣西高校重點學科”“北部灣石油天然氣資源有效利用廣西高校重點實驗室”和“化學工程與工藝省級特色專業及課程一體化建設項目”,先在化學工程與工藝(石油化工)廣西高校特色專業試行模塊化教學改革,并在2013級本科生教學中實際應用,然后逐步向油氣儲運工程專業輻射。
(三)模塊化人才培養方案改革實施的初步效果化學工程與工藝專業實施模塊化人才培養方案改革后,其在應用轉型發展和應用型人才培養方面初步顯現出良好的效果,具體表現為:一是初步解決了舊有人才培養方案應用型人才培養目標不明確的問題,二是初步解決了如何增強學生運用知識解決實際問題的能力的問題,三是初步解決了校企、校地合作與產學研不夠深人的問題,四是初步解決了教師教學與學生學習相脫節的問題,五是初步解決了學生個性化發展和因材施教不能協調發展的問題。
二、化學工程與工藝本科專業模塊化人才培養方案改革的思考
(一)總體評價
1.理念和目標定位明確欽州學院提出“主動服務北部灣經濟社會發展,重點建設涉海類學科專業及臨海工業的學科,為北部灣經濟開放開發培養髙質量應用型人才”的人才培養理念以及確定“以社會需求為導向,以服務區域經濟社會發展為宗旨,把學校建成適應1K域經濟社會發展特別是廣西北部灣經濟IS:發展需要的,特色鮮明的多科性、區域性教學型大學”發展目標定位,已貫徹在化學工程與工藝專業人才培養方案中。
2.培養目標和人才規格基本符合社會經濟發展對化工類人才素質的要求化學工程與工藝專業人才培養方案是依據該專業所對應的工作崗位確定其能力要素,并認真分析培養各種能力所需的路徑和不同的課程模塊,確定了不同能力、素質要素和模塊課程對應表,通過不同的模塊課程教學實現相應的能力和素質的養成。
3.實踐學分比例顯著提高,體現了應用型人才培養的要求化學工程與工藝專業實踐教學學時(含課內實踐和集中實踐性教學)占總學時比例33.9%,實踐教學學分占總學分比例42.5%,體現了應用型人才培養的特點。
4.實踐教學環節貫穿全程,體現了應用型人才培養的基本規律應用型人才培養重在應用能力和實踐能力的培養,而這些能力的培養需要長期、不間斷的訓練。化學工程與工藝專業人才培養方案中安排了不間斷、持續的專業實踐能力的訓練,難能可貴。
(二)值得思考的問題
1.課程設置與人才培養目標、人才培養規格一致性的問題課程設置應根據培養目標和人才規格,通過課程教學達到預設的人才素質要求和實現培養目標。如“培養規格和要求”中有“能從事教育科研領域工作”的描述,但無相關課程。
2.學分計算標準不統一,易導致教學任務不均衡(1)不同課程學分對應的課時不同。有16課時,如有機化學;也有17課時,如化工熱力學;個別的有36課時,如大學體育。(2)實踐教學每周對應的學分差異更大。專業見習4周1學分,專業實習8周5學分,畢業論文設計14周14學分。學分是計算學生學習量的單位,也是計算教師工作量的單位。同一個專業的學分折算學時(課時)的標準應統一,便于平衡學生學習量和教師工作量的分配。
3.沒有足夠的自主學習和選修課程,彈性學制學業難以操作實行學分制的重要目的之一就是滿足學生個性化學習需要,允許學生選學不同的課程,允許學生提前或滯后畢業。要想提前畢業就必須給學生創造提前修滿學分的機會,但現在的方案設計顯然做不到讓學生提前畢業。必須有相當量的自主學習和選修課程,開放教學時空,如假期課程、網絡課程、競賽學分、職業證書學分、自主申請畢業論文開題與答辯等。
三、結語
關鍵詞:化工專業;卓越工程師;實踐教學;體系構建
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2015)41-0145-02
化學工業在國民經濟中占有重要的地位,由于化工行業的特殊性,化工人才需求特別強調學生工程素質的培養,要求學生具有較強的實踐能力和創新能力。2010年教育部在天津大學啟動了“卓越工程師教育培養計劃”,其宗旨就是要聯合有關部門和行業協(學)會,共同培養適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才[1-2]。化學工程與工藝專業實施“卓越工程師教育培養計劃”,為高素質化工人才的培養搭建了良好的平臺。桂林理工大學化學工程與工藝專業在2011年入選了教育部第二批“卓越工程師教育培養計劃”,并于2012年招收了本校第一批化工卓越工程師班的學生。經過幾年的實踐,對化工專業如何實施“卓越計劃”,如何構建化工專業實踐教學平臺,培養學生的實踐能力和創新能力,有了一定的思考,下面談談筆者的認識與體會。
一、當前化工專業實踐 教學面臨的問題
桂林理工大學化學工程與工藝專業建立于1986年,當時名稱為工業分析專業,1998年更名為化學工程與工藝專業,專業方向包括化學工程、電化學工程、石油化工。經過近30年的發展,專業建設取得了長足的進步,2006年被確定為廣西高校優質專業,2008年獲國家級高等學校特色專業建設點,2011年入選教育部卓越工程師培養計劃,2008年專業所屬的化學化工教學團隊成為廣西區教學團隊,擁有的《普通化學》課程在2008年評為國家級精品課程,在2013年評為國家級精品資源共享課程,1人獲得廣西區教學名師獎,2人入選廣西高校優秀人才資助計劃。在長期專業辦學實踐中,我們深感化工專業實踐教學存在的諸多問題,阻礙了學生實踐能力和創新能力的提高,也對實施“卓越計劃”造成了一定程度的困擾。這些問題主要體現在以下幾個方面:
1.大多數化工企業,由于擔心學生的安全問題,對學生進企業進行生產實習,表現得不是很積極。各校多采取讓學生自己找單位實習,回來交一個實習報告解決實習難的問題,導致生產實習教學環節存在“放羊”現象。
2.化工專業普遍生產實習時間較短,一般為4――5周,企業很難給予一個真正的崗位讓學生進行生產實習,更無法給予學生動手,進行實際操作的機會,導致學生的生產實習輪為“參觀式實習”。
3.實踐教學內容比較陳舊,綜合性、工程設計性實驗項目偏少,沒有建立一個完整的給予學生進行工程實踐的教學平臺,沒有將學生實踐能力和創新能力的培養,貫穿于整個大學教育的實踐教學體系中,另外各類實驗(基礎實驗、專業實驗),各類實習(認識實習、生產實習、畢業實習)有機銜接不夠,需要進行深層次的改革。
二、基于卓越工程師培養的化工專業實踐教學體系的構建
1.學生實踐能力和創新能力構成要素。深入認識學生實踐能力和創新能力構成要素,是有效的構建專業實踐教學體系的基礎。創新能力就是創造新的思想,將新的思想付諸實踐,創造一個新的事物的能力[3-4]。創新能力主要由創新思維能力、非智力因素和創新實踐能力三個要素構成,而實踐能力則表現為基本實踐能力、綜合實踐能力、創新實踐能力三個由低到高的層次。很明顯創新實踐能力的培養,對提升學生實踐能力和創新能力意義重大。影響創新實踐能力的主要因素有學生的創新實踐品質、創新實踐技能和創新實踐環境[5]。作為高等學校的教育工作者,在對學生創新實踐品質培養時,既要注重開發和培育學生的共性,也要尊重學生個性的差異,要因材施教,促進多樣化人才的發展,同時要將創新實踐技能的培養融入人才培養方案中,根據學生在不同階段的特點,開設不同類型的實踐課程;要盡量依托學科優勢平臺,打破教學實驗室和科研實驗室壁壘,將重點實驗室的優質資源和教師的科研成果融入教學中,構建良好的創新實踐環境。
2.多層次立體化化工實踐教學體系的構建。在入選了教育部“卓越工程師教育培養計劃”后,我們及時對化工專業人才培養方案進行了修訂,構建理論(Theory)課程體系和課程內容、驗證(Test)體系、創新(Try)體系的“3T”化學工程與工藝專業課程體系,特別是形成以“工程實踐與工程應用創新”為亮點的實踐教學體系,其核心是體現了對學生創新實踐能力的培養。該實踐教學體系由“基本技能層次”、“綜合應用能力與初步設計能力層次”、“工程實踐與創新能力層次”三個層次構成。“基本技能層次”由大一、大二開設的無機化學實驗、有機化學實驗、物理化學實驗、分析化學實驗、化工原理實驗、以及由大三開設各專業方向的綜合實驗等組成,通過課程實驗、上機等實踐環節,學生加深了對理論課基本概念、基本理論的理解,培養了學生基本實踐技能;“綜合應用能力與初步設計能力層次”則由化工設計、精細化學品配方工程師實訓、工業分析技能實習實訓、電化學工藝技能實訓,以及認識實習、生產實習、畢業實習組成,通過課程設計、綜合實訓、在企業進行的各類實習等環節,實現對學生綜合應用工程能力與初步設計能力的培養;“工程實踐與創新能力層次”通過開設應用研究型選修課、“工程實踐與創新”自選實驗項目和暑期到企業“頂崗實踐”,同時通過組織學生參加全國大學生化工設計競賽、各級“挑戰杯”大學生學術科技作品競賽、各級大學生創新創業訓練項目等方式,培養學生的工程實踐與工程應用創新能力,通過雁山大講壇的引導,開展各種形式的講座、研討會,豐富校園化工科技文化生活。
幾年來,為了使化工實踐教學體系能夠獲得良好的教學效果,我們對實踐教學內容和教學方法進行了改革。一方面鼓勵教師在教學中立足先進性、前沿性更新充實課程內容,將化學化工學科最新科研成果及個人的科研成果有機融入到課程教學中,如電化學工程方向教師利用廣西區科技進步獎的“高性能二次電池電極活性材料合成的新方法”和電鍍新工藝研究的科研成果以及發明專利,設計并開設了“鋰離子電池的裝配及性能測試”、“電鍍鎳的工藝設計及性能測試”等電化學工程專業實驗,并出版教材《電化學實驗》,化學工程方向教師利用綠色化學科研成果,出版《有機化學實驗綠色化教程》、《精細化工工藝學》教材,并在教學中使用。另一方面在開設的各種技能實訓中,努力開發具有中試規模的實訓項目,盡量確保學生能在真實工作崗位環境條件下進行實訓,如與東莞金賽爾科技有限公司合作,從企業引進了軟包裝鋰離子電池小試生產線,開設了與生產實際接近的電化學工藝技能實訓項目,精細化學品配方工程師實訓項目所采用的配方及工藝,均來自生產實際。在2014年,學校加大了對校內實踐基地的投入力度,打造校內化工生產仿真實訓裝置平臺。該化工生產仿真實訓裝置采用真實的化工企業生產工藝流程,運用仿真技術,結合化工生產真實設備、儀表及工業控制系統進行構建,全面模擬生產工藝過程。化工生產仿真實訓裝置平臺的建立,彌補了學生在化工企業不能動手的,只能參觀的缺陷,提高了實訓實習質量。
三、實踐教學體系教學效果
1.新的實踐教學體系的實施,在一定程度上解決了當前化工專業在企業實習效果不理想的問題,提高了實踐實習教學質量。
2.實施新的實踐教學體系,極大提高了學生的創新實踐能力,多年來本專業畢業生一次性就業率保持在90%以上。近三年來,化工專業全體學生(約200人)均參加了全國大學生化工設計競賽,5人獲得全國一等獎,18人獲全國二等獎,33人獲全國三等獎,其余學生獲優秀獎,在廣西同類高校名列前茅;同時化工專業各班級約有一半的學生參加導師課題組的科研活動,在導師指導下參加包括大學生創新創業在內的科研項目近30項,并獲得不少科技成果獎,其中獲廣西區級“挑戰杯”二等獎1項(2012年)、三等獎1項(2014年),廣西高校化學化工類論文及設計競賽,11人獲一等獎,3人獲二等獎。本科生以第一作者發表學術研究論文每年在2~3篇左右,申請國家發明專利2~3項。
3.“化學工程與工藝特色專業建設與實踐”成果在2012年獲廣西區級優秀教學成果獎一等獎,其中對學生實踐創新能力的培養,引起了同行們廣泛關注,起到了很好的示范作用,彌補了學生在化工企業不能動手的,只能參觀的缺陷,提高了實訓實習質量。
參考文獻:
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[3]張晶.我國大學生創新能力發展現狀與培養研究[D].安徽大學碩士學位論文,2014.
1.1核心課程體系構建的原則
欽州學院開設化學工程與工藝專業有良好的機遇,同時也有多方面的挑戰。要辦好欽州學院化學工程與工藝專業,貫徹學院打造五大品牌專業的精神,需要從緊密聯系北部灣區域經濟建設方面著眼,努力辦出具有石化特色的化學工程與工藝專業,重點建立一套緊密結合石化下游產業鏈、注重過程開發和工程實踐能力培養的核心課程體系。在核心課程設置方面,確立夯實專業基礎、強化工程意識、注重實驗技能、拓寬專業口徑,注重石化特色的原則。
1.2核心課程體系的內容與相互關系
所謂化工過程,主要包含分離過程和反應過程兩種過程。與這兩種過程緊密相關的一系列化工類課程共同構成了化工類課程的核心。按照“門數適宜,重點突出,相互支撐,形成一體”的要求,選擇化工熱力學、分離工程、傳遞原理、反應工程和化工工藝學等五門理論課以及與這五門理論課相關的化工專業實驗課作為核心課程,建設具有石化特色化學工程與工藝專業的核心課程體系,全力打造化學工程與工藝這一品牌專業。在這五門理論課程中,分離工程和反應工程分別研究各類分離過程和反應過程,它們構成了化工過程課程最核心的部分。化工熱力學是化工過程研究、開發和設計的理論基礎,是化學工程的重要分支之一,與化學反應工程、分離工程關系密切。化工熱力學的核心價值在于研究過程進行的方向和限度,為分離過程和反應過程提供相平衡、反應平衡數據,并對化工過程進行熱力學分析[1]。反應工程是與工程實際緊密聯系的課程之一,它廣泛地將化工熱力學、化學動力學、流體力學、傳熱、傳質以及生產工藝、環境保護、經濟學等反面的理論知識和經驗綜合于工業反應器的結構和操作參數的設計和優化中[2]。
分離工程是化工專業基礎課程,講述的是如何將混合物進行分離與提純的學科。作為專門研究分離方法的分離工程課程對學生工程素養的培養有很重要的作用。該課程闡明了化工分離過程的本質規律,重點研究分離方法的工業化途徑,設備設計放大效應,最優分離路線的工業化,及最優操作條件。在選擇具體分離方法時,不僅要考慮技術上的可行性、經濟上的合理性,而且要考慮能耗、環保、設備放大和開發成本等諸多問題[3]。傳遞原理旨在研究化工動量、熱量及質量(俗稱三傳)的傳遞現象,用一種統一的觀點來處理三種傳遞現象,并研究動量、熱量和質量傳遞之間的類似性,是研究分離機理、分離效率和宏觀反應動力學的基礎理論,同時也是反應器放大研究的基礎理論之一。與化工熱力學不同,傳遞原理是一門探討傳遞速率的課程,它對過程開發、過程設計、生產操作、優化控制及過程機理研究都有重要的使用意義[4]。化工工藝學重在工藝過程的分析,即在特定條件下,進行分離過程、反應過程的比較選擇、整合優化。化工工藝學是大學基礎化學、化工熱力學、化工動力學、反應工程、分離工程等專業基礎可和專業課的綜合運用。化工熱力學和傳遞原理旨在加強專業基礎,化工專業實驗、反應工程和分離工程重在強化工程意識,化工工藝學拓展了專業適應面,可以突出石化特色。
2核心課程體系的優化
為了保障以上核心課程體系的順利實施,建議結合欽州學院化學工程與工藝現有的教學計劃,從下面幾個方面作出適當的調整。
2.1加強數理基礎教學力度,適度拓展
新世紀的工程人才必須有熟練應用數學、科學與工程等知識的能力,有進行設計、實驗分析與數據處理的能力。在兩年的教學實踐中,學生普遍反映數理基礎不夠扎實,一些數學問題不知所云,比如熱力學計算中要應用迭代法求解狀態方程、精餾過程計算、反映工程中的偏微分方程求解等等,問題大都源于數學基礎較薄弱。因此建議加開線性代數、運籌學、概率論與數理統計、數值計算、C程序語言、數學物理方法,流體力學等數理和計算機基礎課程。多所兄弟院校也早就開設了這些基礎課程。線性代數和運籌學的開設可以解決反應器設計過程的優化問題;概率論與數理統計是實驗數據處理和理解反應工程中一些基本概念的基礎;數值計算和C程序語言兩門課程是工科學生重要的基礎課程,加開這兩門課程也是落實我校化學工程與工藝專業培養計劃中對學生計算機水平的要求,對學生的就業能力的提高有好處;數學物理方法和流體力學是傳遞工程等課程的基礎,加開這兩門課程可以大大的提高學生工程數學能力,為就業和進一步深造打下更堅實的數理基礎。考慮到Matlab在科學和工程計算領域的突出作用,建議開設Matlab在化工中的應用的相關課程[5]。化工熱力學和化工原理是反應工程的基礎,故將化工熱力學和從第四、五學期調整至第三、四學期;化工原理和反應工程兩門課程共同構成了化學工程最核心的部分課程,將化工原理從第四、五學期調整至第二、三學期,反應工程從第三學期調整至第五學期,也是考慮到化工原理是反應工程的基礎。同時,將計算機模擬與仿真刪去,將其中的知識分散到加開的MATLAB在化工中的應用和數值計算這兩門課程中。從上表2中還可以看出,加開的課程中,突出了數理課程的基礎,同時,適度的拓展經濟和計算機相關的課程,也增加化工制圖和電工學等實踐性較強的課程,這對培養學生的工程實踐能力是必不可少的。
2.2整合化工專業實驗
為了整合學院教學資源,最大限度地利用現有的一切教學設備,建議從各門化學工程與工藝核心課程的專業實驗中選出一些經典的、與石化行業緊密相關的進行重新編排,單獨設置一門大學化工基礎實驗課程,分成三個學期展開教學。另外,考慮到傳統的化工專業實驗教材以單一驗證實驗為主,無法滿足新世紀綜合素質人才培養的要求,可將化工實驗按由淺入深的原則劃分成驗證型實驗、設計型實驗和綜合型實驗三個層次。盡量精簡驗證型實驗,增加設計型實驗和綜合型實驗。可以從教師的一些科研項目中選出一部分讓學生參與,將這些項目設計成設計型或綜合型實驗,這樣,通過學生的親身體驗科研過程,培養了正確的科研習慣,為學生的就業和進一步的深造打下好的基礎。
關鍵詞:化學工程實驗技術課程;改革;創新能力;策略
在量子力學的建立發展下,現代化學理論得到了快速發展,但實驗在化學研究和化學教學中仍占據非常重要的地位,高等化學教學中的實驗教學作用也日益突出。化學教學中的實驗教學在培養學生化學學習認知、研究能力和應用化學能力等方面發揮了重要的作用。在新課改的深入發展下,高等化學教學在講授了化學基本原理和化學實驗技能基礎上,開始著重培養學生獨立化學實驗設計的能力,注重對學生展開實驗技術和化學知識綜合應用能力的訓練[1-5]。高等化學實驗課程體系改革成為高等化學教育發展的重要內容,得到了越來越多人的關注。完整化的高等化學實驗教學改革內容包括化學實驗課程體系和課程內容的優化、化學實驗基地的建設、化學實驗具體實踐操作方法、化學實驗組織管理等,其中最為重要的是化學實驗課程體系。
1高等學校化學工程實驗技術課程發展現狀
在高校的擴招發展下,化學工程實驗技術課程實驗基地建設質量參差不齊,同時在學生畢業就業競爭的日益激烈下,在化學實驗教學中很多學生過度重視理論,輕視了實驗教學。現階段高等學校化學實驗教學存在的問題具體體現在以下幾個方面:(1)在化學工程技術實驗課程內容上存在“三多三少”的現象,從總體上看,依賴課堂理論教學的驗證性實驗課程較多,設計性的實驗課程少;獨立性的單元操作課程多,綜合性的實驗課程少;經典類型的實驗課程多,能反映最新科學研究成果的內容少。(2)化學工程技術實驗課程是根據化學理論課程體系設置的,在實驗課程的安排上過于強調對化學課堂教學的補充,忽視了化學實驗課程開設的本身特點,無法發揮出化學實驗課程的本身作用。(3)化學工程技術實驗課程教學模式單一,注重按照教師事先安排好的內容開展教學,無法發揮出學生學習的主觀能動性。
2化學工程技術實驗課程內容的設置
2.1精選基礎性、理論性強的化學實驗
化學工程技術實驗課程內容改革的指導思想是要加強學生動手操作能力的訓練,注重提升學生綜合素質的培養,通過化學實驗教學進一步鞏固學生在課堂上掌握的化學理論知識。為此,教師可以在有限的教學學時中,精選化學基礎理論實驗教學內容,如可以為城市土木工程建設專業的學生開設膠體溶液性質類實驗課程,在實際教學中要注重引導學生進行實驗教學方案的設計,具體包括實驗流程設計、膠體溶液的配制、實驗儀器的安裝和實驗操作等[6]。
2.2注重精簡重組驗證性化學實驗
化學工程技術實驗課程要減少驗證性實驗在總體實驗中的比重,驗證性實驗中繁多的驗證內容不利于激發學生的學習興趣,也不利于培養學生化學學習的綜合素質,浪費了有效的課堂教學時間。在原有的化學實驗教學中,“氧化還原反應與電化學”及“電解質溶液”是常見的驗證性實驗,實驗驗證過程簡單,方便學生的觀察,但在實驗操作過于簡單的情況下不利于調動學生學習積極性。為了解決這個問題,教師可以將這兩個實驗進行精簡處理,在兩個實驗的重組中以“氧化還原反應與電化學”實驗為主體內容,將“電解質溶液”的實驗內容融入到原來電池的組成和電動勢的測定中,讓學生在原有電池的電解質溶液中加入適當的物質,如氨水、硫化鈉等,之后應用精密的微安表對電池電動的情況進行觀察,從而了解物質濃度變化對電極電勢產生的影響[7-9]。這種精簡重組之后實驗的開展能夠提升學生學習的積極主動性,實現學生自主化學習。
2.3增設應用型和綜合應用型化學實驗
在化學工程技術實驗課程改革思想的指導下,教師要根據學生專業學習的特點增設應用型和綜合應用型化學實驗。例如,可以增設水硬度測定、金屬材料腐蝕和防護測定實驗、金屬材料老化等綜合型化學實驗。在水硬度測定實驗中,教師應用離子交換法和蒸餾法演示凈化水的過程,通過實驗向學生展示應用導電率來衡量和評價水純度的重要意義。學生對實驗興趣很高,為了獲得更精確的實驗數據,一次次反復驗證自己的實驗,改進自己實驗操作方式,對促進學生的化學學習具有重要意義。
3化學工程技術實驗課程教學過程
3.1教學方式的選擇
教師可以采用交互式的教學模式向學生具體介紹化學實驗技術原理和重難點問題,通過交互式實驗教學研究設計讓學生能夠有效解決化學實驗學習中遇到的難點問題。化學教師要根據化學工程技術實驗課程教學指導思想制定科學合理的教學方案。定期安排教師互相聽課,從而促進教師之間的教學交流,提升彼此教學水平[10]。應用多媒體技術開展化學工程技術實驗課程教學,通過多媒體的引入彌補傳統化學實驗教學視野狹窄的問題,緩解實驗教學經費和學生人數之間的矛盾問題。
3.2培養學生良好的化學實驗習慣
(1)教師要引導學生形成嚴謹、科學的實驗研究作風。這種作風在化學實驗操作中的表現是,學生能夠仔細觀察化學實驗操作出現的各種現象,在發現實驗現象和預期實驗構想存在出入時,學生要能夠從各方面查找誤差的原因,和其他學生進行討論,從而及時解決實驗操作中出現的問題。
(2)原始性實驗記錄對于學生實驗思路的形成、實驗規律的把握等具有重要意義。為此,在實驗開始階段,需要學生仔細、規范的記錄化學實驗現象和實驗操作獲得的結果。
(3)學生要養成良好的衛生習慣,在化學工程技術實驗課程過程中教師要監督學生注意做好實驗器具回收工作,不能隨意丟放實驗器材以及實驗產生的各種雜物。
3.3完善教學評價體系
在化學工程技術實驗課程教和學習的過程中建立相應的激勵評價機制,對提升學生的化學實驗能力,促進化學實驗教學發展具有重要的意義。為此,高等院校可以從化學工程技術實驗課程教學內容、教學方式、教學管理和教學評價等方面建立相應的實驗教學管理和評價考核機制[11]。在學生化學學習方面,學校要建立學生成績和學分結合的學習評價方法,具體包括學生能否按時到達實驗室、能否在實驗之間做好了充足的準備以及學生是否如實記錄了實驗操作過程和做好實驗總結。
4化學工程技術實驗課程師資隊伍建設
化學工程技術實驗課程教師隊伍的素質和能力對整個化學實驗體系運行發展具有重要的作用。為此,高校需要加快打造一支結構合理、人員素質高、掌握多種化學實驗教學技巧的教師隊伍[12]。為了充分發揮高素質化學實驗教師隊伍在化學工程技術實驗課程教學中的優勢,學校可以制定一系列能夠提升化學實驗教學質量、促進實驗化學有效運行的政策,充分發揮出教師在化學工程技術實驗課程教學中的優勢力量,培養學生化學學習綜合能力。
5完善化學工程技術實驗課程保障體系建設
高校需要從制度上進一步保障化學工程技術實驗課程教學的開展,通過化學工程技術實驗課程制度的建設,加強化學實驗指導教師對化學課程教學各個環節的重視,具體包括化學實驗教學方案、化學教學實驗過程和化學實驗結果的驗收管理等,充分發揮出化學實驗教學的重要地位和作用。
6結語
化學工程技術實驗課程的開展不僅僅是為了加強學生對所學化學理論的理解、提升學生化學基技能訓練和應用能力,更重要的是培養學生在生活實際中應用化學知識的能力。結合不同專業學生所學專業特點,進一步拓展學生化學知識面,提升學生化學學習興趣,實現學生對所學化學知識的靈活運用。學生化學工程技術能力和他們綜合能力的提升密切相關,科學合理的化學實驗內容和規范化的化學實驗技能訓練,對培養學生的自我創新藝術,提升學生的科學研究能力,增強學生在社會主義經濟市場中的競爭力具有重要作用。為此,需要有關教育人員根據不同專業學生化學學習的需要進一步完善化學實驗教學體系。
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關鍵詞:工程教育認證;化工實驗室;建設與改造
近年來,我國高等工程教育發展迅速,數量規模上已經是“世界第一”[1],同時也形成了較為成熟的工程教育體系。隨著經濟全球化進程的加快,為促進我國工程教育的改革、加強工程實踐教育、促進我國工程教育參與國際交流,為我國廣大高校工科學生和工程技術人員打開國際工程執業通道,能夠公平地參與國際就業市場的競爭,進一步提高工程教育的質量,提升專業的國際認可度和影響力,與國際接軌[2]。工程教育專業認證是針對工程教育專業進行的鑒定、評估。工程教育專業認證是目前國際上通行的工程教育質量基本保障制度,也是實現工程教育的國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[3]。不同國家或地區的認證機構簽訂互認協議后,相互承認彼此認證過的工程專業及其所授學歷、學位,實現各國工程教育專業認證逐步趨于實質等效。作為國際化程度最高、體系最完整的本科工程教育國際互認協議——《華盛頓協議》(WashingtonAccord,簡稱WA)是一個有關工程學士學位專業鑒定的國際互認協議。2013年6月19日,在韓國首爾召開的國際工程聯盟大會上,《華盛頓協議》全會一致通過我國為該協議簽約成員,標志著我國工程教育正式與國際接軌[4]。2016年6月,中國成為《華盛頓協議》正式成員[5-7],中國工程教育認證結果將在《華盛頓協議》正式簽約國和地區實現互認。中國加入華盛頓協議,對于增加協議在全球的影響力,促進全球工程技術人員流動,具有十分積極的意義[8-9]。各高校意識到,高等工程教育國際化趨勢越來越清晰,只有經過可靠認證機構所認證的學校(專業)才是被承認的學校(專業);認證實際上關系到學校的生存條件(有利于吸引學生、吸引投資等)[10]。自2006年教育部教高廳函〔2006〕5號正式啟動工程教育專業認證試點工作以來,國內高校各工科專業紛紛踴躍申請進行專業認證。我國制定了《工程教育認證辦法》《工程教育認證標準》《工程教育認證通用標準解讀及使用指南》等一系列工程教育認證規范文件。專業認證標準是目標導向和特色化的,高度重視學校或專業的多樣性和個性化特點,鼓勵各高等院校根據各自的目標、任務和條件,揚長避短,充分發揮優勢,努力辦出水平、辦出特色[11]。本文在工程教育專業認證背景下,對我校——西安石油大學化學化工實驗教學中心化工實驗室建設與改造方面進行了闡述,從硬件條件方面對達成工程教育專業認證的要求進行有力支撐和保障。
1.我校化工實驗室的現狀
我校的化工實驗主要包括化工專業基礎實驗和化工專業實驗兩門單獨設課的必修實驗課。其中,化工專業基礎實驗包括了化工原理、化學反應工程和化工熱力學三門理論課的相關實驗。化工專業實驗是我校化學工程與工藝專業的特色實驗項目,主要圍繞石油化工過程展開。化工實驗教學中強調對學生工程實踐能力的培養的同時,進一步提高學生的安全環保意識。本次工程認證的專業是化學工程與工藝專業,它是一個基礎研究與工程實踐應用并重的專業,培養具有解決復雜工程問題的復合型人才是我們的目標之一。本專業旨在培養具備化學工程與工藝專業基礎知識扎實、寬厚、工程實踐能力強、適應面廣,具有創新意識和創新能力的高素質應用型復合工程技術人才,能夠從事化工領域特別是石油、天然氣、煤炭等化工行業的生產運行與管理、新工藝、新技術的開發研制、工程設計、技術研發、安全環保等工作。在未申請進行工程專業認證之前,我校的化學工程與工藝專業辦學歷史長,經費投入嚴重不足、人員配備緊張以及其他歷史遺留原因,實驗教學設備更新周期很長,部分實驗設備購置年代久遠,經實驗教師的盡力維護,勉強可用。部分實驗設備臺套數偏少,循環次數很多。實驗設備功能普遍單一,能開展綜合性、設計性實驗的設備比例很低。設備布置不盡合理,大功率電器使用分散,隨實驗設備臺套數的增多,導致頻繁跳閘。實驗用氣點分散,氣體管路凌亂。通風系統過于陳舊,部分功能喪失。安全設施不夠完善,也不夠安全、統一。無法在硬件上從安全、環保方面保障實驗教學的高質量完成,不能緊跟教育時代的潮流,無法施展教育引領作用,限制了對學生創新能力及工程實踐能力的提高。
2.化工實驗室的建設與改造
為迎接認證委員會對我校化學工程與工藝專業的認證考察,仔細全面梳理了我校化工實驗室存在的問題,對標《工程教育認證標準》等采取相應措施進行建設和改造。實驗室建設工作取得初步成效,保障了化工實驗教學的順利展開和實驗教學質量的提高。現就主要做法進行總結和回顧,以資借鑒。(1)更新換代綜合實驗設備,增加設備臺套數前期調研知名廠家的實驗設備,多方比較和論證,如功能性、先進性、價格、占地面積、高度、售后服務等后進行政府招標采購。化工實驗裝置是工業裝置的縮小、簡化版,原理、操作流程基本相同,能做到以小見大,鍛煉學生的思維、動手操作能力和解決復雜工程問題能力。一般,絕大多數高校一個實驗采購多套同種實驗設備,布置起來外觀上整齊劃一,也便于指導教師講授和指導。但也存在一個問題,就是學生只能掌握一種設備的使用方法、見識一種實驗設備,造成知識面狹窄。由于實驗設備并非標準定型設備,為擴大學生的視野,現在我們在采購儀器的時候,有意讓設備生產廠商在設備的配置上體現多樣性,如在吸收和解吸綜合實驗中,我們8套實驗裝置采用的都是填料塔,但填料可以做到各不相同,有意讓學生認識不同種類的填料,比較不同填料的特性;相比原先的吸收實驗,設備綜合性得到了提高,能將原來的實驗項目開發成綜合性、設計性實驗。實驗用泵,一般都是小型離心泵,要求學生掌握離心泵的原理、操作步驟、流量調節方法等。但在精餾實驗中,我們就用到了齒輪泵,它的原理、操作步驟、流量調節方法等與離心泵大不相同。實驗設備的更新換代大大改善了實驗教學環境,促進了實驗教學內容的深入和革新,與時俱進,為更好地培養學生的工程實踐能力和創新能力奠定了堅實的物質基礎。(2)調整實驗室功能對原有實驗室,按照功能、聯系緊密程度、相關性等進行調整,以便于分類管理。如換熱器綜合實驗、洞道干燥速率曲線測定實驗、精餾操作與塔效率的測定實驗和催化裂化實驗對電力需求很大,功率高,并分散在幾個相對較遠的實驗室,電力增容改造難度大、費用高。通過內部調整,把它們安排在相鄰或相近的實驗室內,電力專線的布置相對集中,也只需對這幾個實驗室進行電力增容,其他實驗室電力負荷滿足要求,這樣改造費用也大大降低,同時安全性也大大提高。第二維里系數的測定實驗和色譜法測定無限稀釋溶液的活度系數實驗都要用氣,把它們二者調整布置到一個大實驗室,大大節省了氣路長度,便于進行泄露報警設置、排風設計等,也利于安全管理。(3)電力增容改造集中大功率電器,減少電力分布點位。增設電力專線為布置在不遠處的幾個實驗室進行供電。(4)集中氣路改造增設氣瓶間。幾乎將所有高壓氣瓶都集中安置在氣瓶間,各實驗室用氣通過不銹鋼無縫氣路進行供應,采用二級減壓進行壓力控制。氣瓶間和各實驗室用氣點增設泄露報警。氣瓶間增設氣瓶壓力低壓報警和氣體泄露自動排風系統。(5)通風系統改造化工實驗室難免會產生有毒、有害、易燃、易爆、腐蝕性、難聞的氣體,為控制實驗室內化學污染物的濃度與危害,借助專業認證,對整棟實驗樓進行了全面通風系統改造。室外架設多個風機和氣體管路及尾氣處理系統,室內合理布置各換氣點、萬向排風罩、通風柜和通風櫥的數量,按照實驗室面積、高度、換氣量、換氣頻次等進行變頻控制。按要求,通風設備設獨立開關控制。化學化工類實驗室換氣要求每小時大于10次,實驗室無人時換氣可減少為6次。通常,實驗室的噪聲(室內背景噪聲級)限制值為70dB(A)。按新標準新建的通風系統為廣大師生提供了安全、舒適的實驗環境,減少了師生暴露在危險氣氛環境下的可能,并且更加靜音、節能。(6)實驗室安全改造實驗室安全設施是實驗過程安全的基礎和保障。對實驗室安全設施進行提升改造,滿足工程教育專業認證標準的總體要求。實驗室安全主要包括防火、防盜、防事故。要形成一套完整的安全管理體系,使實驗室始終處于安全運轉狀態。增設安全環保知識考試,要求每個進入實驗室的學生都要通過安全環保知識考試才有資格進入實驗室進行實驗。每套實驗裝置張貼安全操作規范。各實驗室內門口1.5m范圍內配備消防器材箱,箱內有滅火器、滅火毯、消防沙、消防桶、護目鏡、勞保用品,如線手套、防燙手套、橡膠手套、防化靴等。室內門口墻上1.2m處懸掛急救箱,箱內配備創可貼、碘伏、消毒紗布、醫用棉簽、藿香正氣水等常用急救藥品及簡單醫用器材,以備師生受輕傷時,用以急救。室內水池邊安裝了簡易洗眼器。室內張貼禁止飲食警示標志,加裝溫、濕度計。設備標識、標牌粘貼整齊美觀,同類標識粘貼高度一致。室內張貼安全逃生疏散圖、疏散指示標志。實驗設備周邊設置黃黑相間警界線。各功能區(危廢區、清潔用具區、垃圾桶、消防器材區等)周邊設置定位線,定位線內有放置相應物品的名稱標識。對具有潛在安全隱患的實驗儀器、設備,均加裝了防護裝置和警示標志。如對高溫實驗設備要做防燙保溫隔熱處理,顯眼處張貼高溫、防燙警示標志。對運動部件加裝了防護裝置。對用電設備做好接地處理,顯眼處張貼小心觸電警示標志。謹防電力設備超負荷運轉,電線絕緣保持良好,防止老化的電線發生短路、引發火災。室外,在實驗室門口墻上懸掛實驗室責任人信息牌,信息內容包括責任人姓名、電話等,以便于在實驗室發生危險時,能第一時間聯系到責任人。應急照明系統安裝雙頭應急燈。室外公共區域設置噴淋系統、洗眼器。實驗室消毒記錄單貼于門外或掛于門內門口附近。(7)實驗室衛生環保改造要求實驗設備干凈、無塵、無污漬;環境整潔。墻面重新刷白色乳膠漆。室內嚴禁堆放易燃、易爆物品及其他雜物。對于廢氣,打開室內通風系統,將其抽至設在樓頂的廢氣處理柜進行處理后達標排放。對產生的廢渣、廢液依據其物理化學特性進行分類收集,暫存于室內危廢區中加蓋的廢液桶、廢固箱內。當室內存量達到一定量時,統一轉至室外指定位置,交由有資質的廢物處置公司進行統一處置。但實驗室盡量要從源頭上不產或少產這類危廢物。化工實驗教學中時刻強調環保意識[12]。(8)信息化建設改造仿真實驗在原2D仿真實驗的基礎上,新增3D仿真實驗和培訓。學生通過課前實驗裝置的仿真預習和化工單元仿真、化工實驗過程仿真操作練習,掌握了實驗原理,知曉了實驗目的,熟悉了實驗裝置和操作流程,了解了實驗背景知識、安全注意事項和實驗中可能會出現的意外狀況,可以幫助學生預習真實實驗,對自主實驗設計也具有很強的參考價值。通過仿真安全培訓和考試,強化了學生的安全意識。VR虛擬增強現實增強技術,給學生以三維實景體驗,獲得身臨其境的感性認識,見到整個工廠的布置概貌、真實的各類、各種閥門、管線、工業設備及其內部構造、工作原理等,彌補了課堂理論教學的不足,收獲了大量感性知識,對于生產實習頗具裨益。
3.結論
關鍵詞:化學工程與工藝實驗;數據處理;MATLAB軟件;化工實驗數據;化學實驗 文獻標識碼:A
中圖分類號:O652 文章編號:1009-2374(2015)09-0059-02 DOI:10.13535/ki.11-4406/n.2015.0785
1 MATLAB軟件
MATLAB軟件最早由美國的Mathworks公司提出,其主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中,為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案,并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言的編輯模式,代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。近年來MATLAB軟件逐漸被用于化學工程與工藝實驗的數據處理中,極大地提高了數據處理的效率。
2 化學工程與工藝實驗數據處理
化學工程與工藝實驗不同于普通的化學實驗只重視一個原理的求證,它的目的是為了解決工業中的化工問題,其特點主要有實驗時間長、實驗規模大和實驗數據處理繁雜等。在整個化學工程與工藝實驗里數據處理是必不可少的階段,也是印證化學實驗成果是否行之有效的必要手段,但是由于實驗數據過于龐大,實驗當中相關的參數關系大多是非線性的,單單依靠傳統的手工計算不僅速度慢,還容易出現計算失誤的情況,根本無法滿足實際的需求,因此,將MATLAB軟件融入實驗數據的處理中刻不容緩,它能有效地將繁瑣的計算步驟化解成簡單的計算,提高工作效率,讓實驗數據的準確性達到最高值,避免誤差的產生。以下通過研究兩個化學工程與工藝實驗,分析MATLAB軟件在處理實驗數據時與傳統的手工計算有什么優勢和便利。
3 化學工程與工藝實驗數據處理設計
3.1 數據處理的程序框架
因為每一個化學工程與工藝實驗的目的都不相同,因此其處理的步驟以及涉及的化學公式也不盡相同,不可能以一個程序來概括,但是經過大量的實驗研究和總結,發現不同的化工實驗中都會有其相似之處,它們都可以由圖1來概述:
圖1
3.2 數據處理的程序編制
3.2.1 數據輸入。化學工程與工藝實驗的數據輸入主要依靠提示的函數input實現,比如以溫度為例子,則其輸入函數為:t=input(‘請輸入實驗的溫度(攝氏度):’),其中輸入函數大多是以矩陣的輸入形式為主。
3.2.2 處理和作圖。化學工程與工藝實驗中得到的數據時常會存在離散的情況,必須經由多種擬合的方法將它們結合成一條或多條連合的曲線,而其中最常用的擬合方式是最小二乘法,因此本實驗設計中的擬合方式也采用最小二乘法的方式。
設實驗的離散數據(x1,y1)通過最小二乘法將其擬合成因變量y,自變量x,輸入的函數關系為y=f(x),函數關系的主要思路是讓離散數據中的x1的殘差平方以及Σ(f(x1)-y1)2達到最小值。因為在得出化工實驗數據中多少會因為外界的因素存在著一些誤差,因此最小二乘法可以無需使輸入函數y=f(x)必須經過全部的離散數據(x1,y1),但是殘差平方和必須達到最小值。根據最小二乘法的擬合方法可知,最小二乘法可以滿足化工實驗數據處理中的擬合應用需求。
在化學工程與工藝實驗中會涉及到流體的流動阻力研究,研究主要是通過測試流體的流動阻力,在經過特定的計算之后得出摩擦系數(λ)和雷諾準數(Re)的離散數據,再同理,經過最小二乘法擬合出連續的曲線,并根據其畫出相對應的圖形。因為摩擦系數(λ)和雷諾準數(Re)屬于成雙對數函數,則:
λ=aReb+c (1)
當a,b,c是常數時,則可以設c=0:
λ=aReb (2)
因為λ與Re屬于成雙對數函數,則:
Logλ=blogRe+loga (3)
得出上述式子之后可以將MATLAB里的函數polyfit()進行線性的擬合,以作為化工數據處理的程序
原理。
3.2.3 建立數據庫。因為經過上述的設計,化學工程與工藝實驗數據處理只能得知在特定的溫度下(比如10℃、20℃以及30℃等)實驗的物性數據,但
是在實際的生產中,工業生產所涉及的溫度多變,不單單只停留在設計好的溫度當中,因此,這就需要我們在數據中選擇最相近的數據,假設它們屬于線性的關系,再利用內插或者外推的方式計算出實驗的物性數據常數。在本文的化工實驗中,編寫的程序已經將實驗溫度和密度以及實驗的溫度與黏度進行多次的實驗擬合,建立出了一個相對完整的數據庫,在工作中只需將溫度輸入進系統,則程序可以自動跳出在特定溫度下的物性數據,提高數據處理效率。
3.3 程序的運行
在編制完成化學工程與工藝實驗的數據處理程序,且建立數據庫之后,便應該輸入數據以驗證程序是否能有效地處理實驗數據。在化學工程與工藝實驗的數據處理中,MATLAB軟件的應用是十分重要的,經過實驗可知,在化工實驗當中會出現大量的離散數據,必須經過擬合的方式進行處理,其處理過程中不僅工作量大,而且十分繁瑣,一旦出現差錯則必須重新重來,浪費大量的人力物力資源,而且在處理好實驗數據之后,在查看實驗當中還要將化工實驗數據重新計算一次,看結果是否與原先的計算結果相同,工作量十分重,但是如果運用MATLAB軟件則大大降低了數據處理難度,只要在MATLAB軟件中輸入相應的化工實驗數據,就可以得到結果,節省了時間,提高了工作效率。
4 結語
在實際的應用中,化學工程與工藝實驗所要處理的數據十分龐大,而且涉及的計算公式也十分多,甚至很多時候為了將數據的計算公式導出來還要建立復雜的模型,一旦有一個步驟出現差錯則會直接影響到實驗的成果,如果使用傳統的手工計算方式,為了避免差錯則必須對每一個數據處理環節進行反復計算,降低了工作效率,因此MATLAB軟件的應用對于化學工程與工藝實驗的數據處理十分重要,它不僅將復雜的計算變得簡單,也讓事后的實驗驗證效率得到提高,促進了化工實驗的
發展。
參考文獻
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關鍵詞 卓越計劃 化工熱力學 教學改革
中圖分類號:G424 文獻標識碼:A DOI:10.16400/ki.kjdkz.2015.01.059
近年來,我國參照有關《華盛頓協議》成員國的做法,開展了面向我國本科教育專業進行工程教育專業認證工作。“卓越工程師教育培養計劃”旨在全面提高我國工程人才培養質量,培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高素質各類型工程技術人才。我校的化學工藝專業于1998年獲原化工部高等學校重點學科,同年獲得碩士學位授予權。2004獲湖北省教育廳“有突出成就創新學科”,2006年為湖北省第四批立項建設的擬增列二級學科博士學位點。化工熱力學課程在化工類人才培養中起著承前啟后的作用,是基礎課和專業課之間不可缺少的“橋梁與紐帶”。同時,化工熱力學又是應用性很強的課程,它的內容是后續分離工程、化學反應工程等課程的重要基礎,其核心任務在于培養學生分析問題和解決問題的能力,提高學生將熱力學基本原理應用于化工技術領域能力的目的。為更好地推進“卓越工程師教育培養計劃”,僅僅將書本中的知識講解給學生是遠遠不夠的。化工熱力學課程教學改革需要在激發學生興趣的基礎上將理論知識和實際運用結合,公式概念和現代化設計軟件結合,根據自己學校本身化工專業的特色和優勢,開展相應的化工熱力學教學工作。本課題將以我校化工與制藥學院化學工程與工藝專業的本科生為研究對象,圍繞我校化工專業認證與卓越工程師培養背景下化工熱力學課程教學中貫徹工程實踐能力培養的教學方法改革與實踐,提出一些建議和思考。
1 加強師資隊伍建設,提升整體素質
事業要發展,關鍵在人才,基礎在教育。基礎教學工作需要強大的師資力量作為后盾,只有完善的教學系統,才能定制出一套幫助學生學習的好方法。化工熱力學是化學工程的基礎學科,具有很強的理論性和應用性,書中有大量的公式和定律,不乏較多的難點,這些對教師如何很好地提升教學效果,讓學生聽得懂,用得到,有很大的挑戰。目前,學院一些教師對書本上的理論知識熟悉,但工程經驗以及理論教學和實際運用之間的相互轉換相對薄弱,這讓學生在學習的過程中或因理論知識過于枯燥而影響學習積極性,這不僅阻礙了教學效果,也不利于適應經濟社會發展需要的高質量人才的培養。針對這些問題,學校應該采取措施,建設一支以“卓越計劃”為根本的高水平的師資隊伍。(1)注重優秀教師的引進,優先聘請既有化工生產實踐經歷,又懂得化工熱力學基礎教學的優秀老師;(2)學院要加大校企合作力度,讓老師有更多的機會深入實踐,在實踐中切實感受理論與實際生產之間的差別和聯系,在以后的教學工作中能更好、更全面地將化工熱力學中的理論知識與工程實踐結合起來。(3)教師之間定期開展教學工作會議,反饋近期教學中遇到的問題,對那些教學過程中學生普遍存在的疑問和教學難點要集中討論,給出解決方案,動態教學提升教學質量。(4)學校應與其他院校建立學科教學網絡,共享教學成果與心得,從中汲取好的教學方法和新的教學思維,提升學科的教學質量。
2 優化課本內容,重視化工熱力學課程學習的應用性
“理論與實際結合,原理與應用并重”應該是化工熱力學教學內容的優先考慮條件。化工專業認證和卓越工程師培養背景下化工熱力學課程的教學應該旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才,課程的教學既要有專業性,又要有社會實用性。對于化工熱力學書本內容上的教學提出以下幾點建議。(1)根據專業認證與卓越工程師培養的要求,根據學校教學計劃的調整,課時的縮減,重構符合工程認證與卓越工程師培養計劃的化工熱力學課程教學內容體系;(2)根據化工熱力學基本概念多、公式多、推導多,難點多的特點,重視化工熱力學學習內容的聯系性,例如從流體的P-V-T關系及熱力學性質出發,到流體的相平衡和化學反應平衡,最后與傳質、分離,反應工程相聯系,將基礎內容聯系起來,對于復雜問題的解決很有幫助;(3)提出“從生活中來到生產中去”教改思路,啟發學生在日常生活中用熱力學的原理去分析問題。比如冰箱的工作原理與空調是否相同?打開冰箱門能起到降溫的效果嗎?通過這些生活例子引入講解制冷循環與熱泵循環的原理,可以使學生的理解和掌握這類循環的應用;(4)收集化工生產中化工熱力學的應用實例,在教學中注意與工程實踐相結合,以生動的例子來講解熱力學原理的應用。如“液化氣成分的選擇”、“以壓縮天然氣為燃料的出租車的里程問題”以及“低溫熱管降服青藏鐵路凍土‘多動癥’”、“化工熱力學與遏制全球變暖的關系”等科學前沿成果等這些與教材和生活緊密結合的化工生產實例都可以運用到化工熱力學的教學中。
3 加強現代化軟件的應用
當前,計算機技術已經廣泛應用到化工科研,設計和生產等各個領域,大部分工程設計和實驗研究都需要借助強大的化工軟件。熱力學性質計算和化工過程模擬分析都可以借助化工軟件來實現。在化工熱力學課程教學的過程中,應該加強現代化軟件的應用,將專業知識和計算機軟件應用相結合,讓學生能運用已學的現代化化工軟件來解決課本和生活中的實際問題,模擬和分析簡單的化工過程。對于流體P-V-T的教學時,可以引入Math-ematica軟件求解立方型狀態方程的根,也可以采用Newton-Raphson迭代法數值求解。講解相平衡時,將工程上常用的Aspen Plus軟件引入到氣液相平衡計算中,模擬精餾分離甲醇-水混合物的過程。對于數據計算類,包括實驗數據處理、物料衡算、能量衡算、精餾塔設計計算和經濟評價等,可以運用Matlab,Visual Basic等常用軟件。現代化工軟件的學習不僅可以培養學生的學習興趣提升綜合實力,也為后續的化工分離工程等學科的學習打下基礎,增強了工程意識,適應了化工專業認證與卓越工程師培養的要求。
4 將教學與本校專業特色建設相結合
學校專業特色建設是提高辦學質量的關鍵所在。近十多年來,高校超常發展帶來一個負面化問題是同質化嚴重,學校特色淡化。我校的特色學科化學工程與技術為地區經濟提供了巨大的幫助,是中南地區唯一培養化工礦山相關專業人才的本科院校,在磷資源開發利用方面,學術水平居于全國領先地位。湖北省磷化工中心就設在學校。除了在磷資源開發方面,石油煉制,精細化工等都是學校的特色專業。學校在化工方面有自己的特色和發展,化工熱力學也是大化工方向的基礎課程,可以將本課程的學習與學校化工特色專業相結合,這樣既有先進的思想做指導又可以為我校特色專業的發展培育人才,為國家走新型工業化發展道路,建設創新型國家和人才強國戰略服務,符合卓業工程師教育培養計劃的初衷。學校的超臨界流體萃取新技術可以運用化工熱力學中的氣液平衡和氣固平衡來解釋,書本上所介紹的直接式熱泵精餾、間接式熱泵精餾、閃蒸再沸式熱泵精餾、蒸汽噴氣式熱泵精餾和吸收式熱泵精餾過程,如果是僅僅依賴教師課堂上的講授,學生只能簡單地了解這些技術,講到這些技術時可以將學生帶到學校的精細化工中試車間,讓學生直觀地感受這些工程技術,然后輔助熱力學上的知識講解,可以讓學生更好地掌握這些知識。利用學校化工特色專業現有的資源,開展更多這樣生產實踐活動,對化工熱力學的教學工作有很大幫助。
5 結語
針對化工熱力學課程的教學,國內許多高等學校都進行了一些富有意義的探索,如開展化工熱力學精品課程建設、雙語教學研究等方面的嘗試。但迄今為止,基于化學工藝專業認證背景,結合卓越工程師培養的化工熱力學課程工程實踐教學的探討,還亟需更多研究。大化工依然是有前景的有生命力的工程技術和制造行業,化工熱力學課程的教學需要更為科學、深度的改革。始終本著以培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才,為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務,對促進高等教育面向社會需求培養人才,全面提高工程教育人才培養質量為目的,深化對化工熱力學課程教學的改革。
*通訊作者:金士威
武漢工程大學教學研究項目(X2013010)資助
參考文獻
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