化學工程與工藝專業化學教學改革探析

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

關鍵詞:綠色化學;化學工程與工藝;教學改革

傳統化學工業生產過程中，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過程對社會、資源、環境的破壞影響，從而造成了資源短缺以及環境惡化，造成了談“化”色變的被動局面［1］。化學工業是國民經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品都依賴進口。化學工業在部分人眼中是危險的，但如果一個國家沒有化學工業的未來才更加危險。20世紀90年代美國學者首先提出綠色化學的概念(GreenChemistry)、綠色化學十二條規則等［2］，綠色化學開始迅速蓬勃發展。綠色化學(GreenChemistry)又稱為清潔化學(CleanChemistry)或環境友好化學(EnvironmentallyFriendlyChemistry)［3］。環境化學和工程是對污染的“末端治理”。綠色化學包含環境保護，是采用“原子經濟性”(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、清潔生產工藝，實現“零排放”［4］。綠色化學核心思想或內涵是用化學新思想、新理論、新技術、新工藝，從源頭消除污染，阻止或減少環境污染和危害。發展高質量綠色化工是我國化學工業的必然之路。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人才培養過程的比較少見。江蘇理工學院化學工程與工藝專業將綠色化學教育貫穿整個專業教育過程，使培養的化工專業人才具有綠色發展的理念、思想和專業素養能力。

1培養目標的確立

江蘇理工學院化學工程與工藝專業立足江蘇，面向全國，服務于長三角區域經濟建設和大化工行業發展，以綠色化工技術與應用為主線，培養德、智、體、美、勞全面發展具有良好的職業道德和社會責任感，良好的學習能力、實踐能力及創新精神，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，掌握綠色化工生產工藝過程和設備的基本規律和原理，具有從事綠色化工生產的控制與管理、化工產品和過程的研究開發、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。專業英語課程中增設綠色化學這一章節。

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工程中心、江蘇省化學化工基礎實驗教學中心、資源循環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。科研反哺教學的途徑主要是學術講座、教師科研進課堂、創新性實驗、畢業論文等。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規劃、職業規劃，指導學生的學科競賽、畢業設計和論文，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，完成學生的創新創業項目、創新性實驗、畢業論文等教學過程。解決了本科生參與科研的各種弊端，如學歷低、時間短、產出比低，為培養創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新實驗項目。

4綠色化實踐教學

因為生產安全、人身安全和生產過程的制約，化工專業生產實習形式上更接近“認識”實習，學生不能參與到化工生產過程，如現場開關閥門、進卸料，DCS控制等實際操作。學生將生產實習描述為“走馬觀廠”，不清楚現場管線和具體設備、裝置，收益甚微。因為環保、安全、效益的原因，企業對生產實習也不歡迎。針對這些弊端，對生產實習進行綠色化教學改革。采取“虛擬仿真(VirtualReality)加可操作生產實習基地”的方法讓學生在生產實習過程中，手可動、閥可開、DCS可控，實現一種“沉浸式、體驗式”生產實習過程。化學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。購買了生產實習仿真軟件3套，分別是典型化工產3D虛擬現實認識實習仿真軟件、丙烯酸甲脂3D虛擬現實認識實習仿真軟件、甲醇工藝3D虛擬現實認識實習仿真軟件。生產實習分為三周，第一周在機房操作三套工藝的DCS控制系統，完成安全教育、熟悉工藝、掌握開停車、學會工藝參數控制和故障診斷等。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。聯系3家具有代表性的制藥、石化、精細化工企業，用一周時間帶領學生下廠實習，重點關注企業的文化、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、真系統實操訓練。通過虛擬仿真加可操作生產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量。化學學科具有其自身的特點，化學是一門以實驗為基礎的學科。化學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、化工專業實驗等。實驗過程中盡量遵循綠色化學十二條規則，防止污染物的生成，使用對人體健康和環境無毒、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、串聯循環實驗”。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、實驗安全的優點。串聯實驗是將所有的實驗盡可能串聯起來，將某次實驗的產物當做下一次實驗的原材料。打破原有實驗室的設置，將所有實驗室統一整合為化學化工實驗室，學生每次做完實驗得到的產品和廢液統一保存在實驗室單獨藥品柜中，經過教師統一安排或學生設計，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物蒸餾酒精可以作為后續實驗用乙醇。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實驗精餾(萃取精餾、減壓精餾等)的原料，這時的實驗變為綜合性、創新性實驗，2－3人實驗組要根據原料的組成、相對揮發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省了實驗藥品，還培養的學生的化學理念、理論、意識、知識和綠色創新思維、能力，同時還培養了他們的團隊協作精神。由于受到專業限制，實在無法處理的“三廢”，交由環境工程專業學生主導處理，作為他們的創新性實驗、綜合性實驗或畢業論文來源。本專業學生協作，這樣可以開拓學生視野，培養學生的跨領域知識融通能力和實踐能力，提高創新能力。

5結語

綠色化學是化學工業發展的必然之路，綠色化學教育是化學工程與工藝專業高等教育的必然之路。按照綠色化學的要求，對化學工程與工業專業的人才培養目標重新定位，使培養的化工人才符合綠色化工產業的要求。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實習基地”和“微型化、串聯循環實驗”綠色化實踐教學，探索化學工程與工藝人才培養的全新模式。

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境工程學院