化学工程与工艺专业实践教学模式改革与探索

张淑华，张秀清，黎　燕，梁　军

（桂林理工大学　化学与生物工程学院，广西　桂林　541004）

化学工程与工艺专业实践教学模式改革与探索

张淑华，张秀清，黎燕，梁军

（桂林理工大学化学与生物工程学院，广西桂林541004）

当前，我国正处于由制造工业大国向制造工业强国转变的关键时期，国家将于2020年基本达到发达国家水平，急需大批动手能力强、专业基础扎实、创新能力强的大学毕业生来引领工业4.0的进程。文章以桂林理工大学化学工程与工艺专业为例，依托化学工程与工艺卓越工程师和化学工程与工艺国家级虚拟仿真实验教学中心平台，讨论该专业实践教学模式改革，提高该专业学生动手能力、就业竞争力，加速推进工业4.0的进程。

工业4.0；卓越工程师；虚拟仿真；实践教学模式改革；人才培养

2008年金融海啸以来，西方发达国家纷纷推出“再工业化”战略，再度抢占国际竞争的制高点。德国于2013年提出“工业4.0”的概念。即人类将迎来以信息物理融合系统为基础，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命［1］7。中国作为新兴的工业国家，现已成为世界最大的工业生产国。中国从工业大国走向工业强国，需要各个方面进行重组，需要进一步提高生产效率，提高技术创新能力，树立国际知名品牌。在这个过程中，培养大批具有国际视野的工程技术人员成为中国从工业大国走向工业强国的关键。

随着工业4.0时代的到来，社会生产力获得巨大的提升，同时商业模式也会发生巨大变革，敏锐的企业家可以很快掌握工业4.0时代的价值创造方式，提高自己企业的竞争优势。这对整体处于工业2.0时代的中国企业意义重大。中国企业家为迎接工业4.0时代的到来，对高校培养人才的素质，特别是毕业生工程实践能力和工程创新意识，提出了新的要求。教育部为适应企业的要求，一方面，提出了“卓越工程师教育培养计划”，培养适应社会经济发展需要的高质量的各类型工程技术人才［2］1，［3］4，另一方面，又鼓励高校积极参加虚拟仿真实验教学中心的建设，提高毕业生的工程实践能力和创新能力。本文以桂林理工大学化学工程与工艺卓越工程师的培养和国家级化学工程与工艺虚拟仿真实验教学中心建设为契机，探讨化学工程与工艺专业实践教学模式改革。

一、传统实践教学的现状

桂林理工大学化学工程与工艺专业包括石油化工、化学工程、电化学工程三个专业方向。该专业于1986年开始招生，历经30年的发展，专业建设取得长足的发展，先后被确定为广西高校优质专业、国家级高等学校特色专业建设点、教育部卓越工程师培养计划建设专业、国家级化学工程与工艺虚拟仿真实验教学中心。同时，桂林理工大学化学化工教学团队被评为广西区级教学团队。师资队伍建设也获得极大的发展，目前，桂林理工大学化学工程与工艺专业拥有广西“新世纪十百千人才工程”第二层次人选1人，入选广西杰出青年基金项目1人，广西壮族自治区教学名师1人，入选高校优秀人才资助计划3人［4］146。在长期的办学过程中，我们深感化学工程与工艺专业实践教学存在许多问题，阻碍了学生工程实践能力和创新创业能力的提升，也对实施“卓越计划”和化学工程与工艺虚拟仿真实验教学中心的建设造成一定程度的困扰。这些问题主要体现在以下几个方面。

（一）生产实习、实训形式化

桂林理工大学一直非常重视生产实习，但由于化学工程与工艺专业的特殊性，企业出于安全及效益考虑，在传统的化工类现场参观实习和实训中，企业生产线不能也不会随时提供调试、开、停车、故障排除等教学条件，同时要求学生不准动、不准碰、不准“越雷池一步”，学生现场参观多流于“走马观花式”实习，企业不可能真正提供岗位给学生进行生产实习，参与程度低、实习效果差，生产实习、实训过于形式化。

（二）生产实习“自由化”

随着学生维权意识的提高，越来越多的化工企业，由于担心学生的安全问题而缠上官司，对学生到企业进行生产实习，表现的很不积极，甚至推诿。许多高校采取让学生自己通过关系找实习单位，实习只要交一个实习报告来解决实习难的问题。这就使生产实习过于“自由”化，达不到生产实习的教学目标。其次，教师带学生到企业去实习，“自由化”程度同样很高：教师自由，带实习的大部分教师没有和学生一起去企业实习，了解生产工艺，而只是将学生送到企业单位的门口就离开了；学生自由，学生走马观花的看一下企业的生产工艺，对生产原理，各工段的操作工艺以及工艺参数是怎么确定的，都没有进行考究等等。

（三）实践教学内容陈旧化

课程实验（基础实验、专业实验）多为验证性实验，比如无机实验：化学实验基本操作（录像）、氧化还原反应、解离平衡、沉淀溶解平衡、化学平衡常数的测定、醋酸解离平衡常数的测定、解离平衡、化学反应速率与活化能的测定等几个实验。数据处理方式陈旧，没有应用现代计算机技术来处理实验数据。随着科技的发展，企业对工程技术人员熟练使用大型测试仪器的要求越来越普遍，但大型测试仪器在一般高校仍是稀缺资源，研究生的使用尚不能完全满足，更别提本科生了。同时，由于缺失工程项目的培养，使学生工程项目经验不足，协助沟通能力不强。针对这些问题，对大学生实践教学需要进行深层次的改革。

二、化学工程与工艺实践教学体系的构建

（一）构建多层次、立体化的实践教学体系

在获得国家级化学工程与工艺虚拟仿真实验教学中心和入选教育部“卓越工程师教育培养计划”后，我们及时修订了化学工程与工艺人才培养方案，构建了化学工程与工艺专业3T课程体系：理论课程体系和课程内容（Theory）、验证体系（Test）、创新体系（Try）。形成了以“以互联网为平台”，虚实结合为亮点的实践教学体系。

以国家级化学工程与工艺虚拟实验教学中心建设为契机，建立了工科基础化学仿真实验、化工原理单元实体与3D仿真实验、化工工艺实体与虚拟仿真实训、微型化工工厂实体与仿真实训、大型仪器实体与仿真实验和化工安全事件应急管理与虚拟仿真实验等六大平台。工科基础化学仿真实验和化工原理单元实体与3D仿真实验结合化学工程与工艺专业开设的基础实验和专业实验，构建学生实践教学体系的“基本技能层次”。化工工艺实体与虚拟仿真实训和微型化工工厂实体与仿真实训结合认识实习、生产实习等构建学生的“综合应用能力与初步设计能力层次”。大型仪器实体与仿真实验结合毕业实习、大学生创新创业训练项目、各级“挑战杯”大学生学术科技作品竞赛构建学生的“工程实践与创新能力层次”。化工安全事件应急管理与虚拟仿真实验结合化工生产安全教育，构建学生安全生产观，形成安全生产意识和安全生产责任。

微型化工工厂实体与仿真实训平台的建立，通过虚实结合，一举解决了生产实习、实训形式化和生产实习“自由化”的问题，依据实际苯加氢制备环己酮装置原型，建立10：1缩小装置。安装真实仪表、工艺参数传输装置、中控室，和苯加氢制备环己酮生产工艺完全一致。同时，对该生产装置全部设备和生产工艺均制备专用二维码，使学生可以通过手机很方便学习各种设备的使用、维护、操作工艺条件等，真正将化工设备和化工工厂装进学生的口袋。化工工艺流程基于动态模拟技术，有真实的装置实体，模拟生产时不进真实工艺原料，依据电信号的变化来判断、调节工艺参数的变化，模拟装置工艺条件，再现生产中的各种现象。

学生在进入企业实习前，先在微型工厂进行实操仿真实训。通过实操仿真实训，学生能够了解化工生产的特点以及本专业相关的职业和行业规范，学生可以详细的了解化工生产的开、停车过程、正常生产状态、详细学习掌握化工生产中各设备的技术参数、操作规程、模拟生产过程中各工段发生意外的处理方式以及各工艺参数对产品质量的影响规律；同时，可以通过中控室和微型工厂现场进行互动，模拟生产过程，通过中控室发出指令，在现场的学生可以根据中控室发出的指令来调节泵的开度、液位的高度、体系的压强、流量等来调控生产系统，从而解决学生在企业实习不准动、不准碰、不准“越雷池一步”的困惑，真正破除“实习动手难”的问题，极大的提高了学生的工程实践能力。

（二）教学科研紧密结合，突显大学生的工程创新能力

随着化学工程与工艺教学团队整体水平的不断提高，我们鼓励教师在教学中立足前沿性和先进性，充实课堂内容，将化学、化工、材料等学科最新科研成果及教师个人的科研成果有机的融入到课程教学中，如化学化工教研室教师利用广西区科技进步一等奖“含羧基的多官能团配体功能配合物的构筑及其性能研究”的科研成果，设计并开设“一种新型微孔材料的合成及吸附性能测试”的无机化学综合实验；利用“一种单分子磁体［Co4（hmb）4（μ3-OMe）4（MeOH）4］的制备方法”国家发明专利［5］，设计并开设了“一种新型单分子磁体的制备及性能检测”的无机化学综合实验。化学化工教研室教师利用广西区自然科学奖“弱作用对配合物的结构和性质的影响”的科研成果，设计并开设了“新型簇合物的微波合成工艺研究”化学工程与工艺专业基础实验。集成电池材料技术（10项专利），由企业出资，在中心建成电池装配生产线，并通过仿真设计，形成3D电池装配生产线，学生可以在网上学习电池装配方面的知识和技能，扩宽了学生学习的空间。开拓了学生的国际视野。

三、优化教学体系出成效

（一）掌上信息+“微型工厂”，教学模式更加新颖

随着智能手机及通信网络的发展，手机已经成为广大师生最常用的学习及交流工具。虚拟仿真中心建立二维码系统，学生通过扫描二维码，不仅可访问中心官方网站，了解业界最新动态，还能通过扫描实体设备上的二维码，便捷且及时地了解仪器设备的工作原理、使用范围、途径、注意事项以及设备保养等相关知识，并可为学生预习、复习和交流提供便利条件。同时，建立了苯加氢制备环己酮的仿真微型工厂，学生不必去生产企业，亦能掌握化工生产过程中开、停车、正常生产过程以及各种安全生产过程中出现的安全事故的处置方法，增加了实验教学模式的新颖性。

（二）科研成果反哺教学，教学内容更为前沿

虚拟仿真中心鼓励教师将科研成果转化为教学实训项目，以保证教学内容的先进性和前沿性。目前，教师们通过将其科研成果的消化与再创造，设计并开设了142个创新创业实验项目，形成了科研成果反哺教学的合理模式。第一，依托国家级化学工程与工艺虚拟仿真实验教学中心的大型仪器模拟操作软件库，通过“实体+虚拟”的方式，增强实践教学的科学性、趣味性；第二，通过创建“虚实结合，虚中有实，实中有虚”的国家级虚拟仿真实验学中心，实现企业生产过程情景模拟真实性，解决学生难以到化工企业进行实际操作、直观掌握实践技能的难点问题。

（三）实验平台共建共享，教学成果辐射更强

化学工程与工艺虚拟仿真实验教学平台是目前广西境内首个建成的满足不同层次化学工程与工艺类专业人才培养的教学和科研平台，平台使用的硬件系统和工具软件比较先进。中心的合成氨系统、3D苯胺系统、各单元操作系统以及苯加氢制备环己酮微型工厂，可为广西及华南地区化工类企业进行职工培训和职工技能考核。中心的大型仪器模拟操作软件库通过“实体+虚拟”的方式，可为相关专业本科生、研究生及企业测试人员提供培训。虚拟仿真中心搭建了学科竞赛训练平台，可以承担各级职业院校技能大赛化工类赛事、“三井化学杯”化工设计竞赛、化工设计创业大赛、广西高校化学化工设计竞赛。化学工程与工艺虚拟仿真实验教学中心成为化学工程与工艺重要的学科建设平台，增加了虚拟仿真中心的辐射性。

新实践教学体系的实施，极大的提高了学生的创新实践能力，学生的综合素质得到极大的提高。以实施新的实践教学体系的2012级卓越班学生为例。学生四、六级通过率达90%以上，学生100%参与“三井杯”等全国大学生化工设计竞赛，并取得3人获得全国一等奖、10人获得全国二等奖，14人获得全国三等奖。学生100%参加大学生创新创业训练项目。申请国家发明专利11项，本科生第一作者发表科研论文3篇，获得广西级“挑战杯”一等奖1项，二等奖4项。

总之，经过近年的卓越工程师培养和虚拟仿真实验教学中心建设，极大的提高了学生的工程实践能力、创新能力，学生的综合素质得到极大的提高。

［1］ 胡权.工业4.0时代的模式变革［J］.清华管理评论，2015（Z2）.

［2］ 林健.高校“卓越工程师教育培养计划”实施进展评析（2010-2012）上［J］.高等工程教育研究，2013（4）.

［3］ 陈启元.对实施“卓越工程师教育培养计划”工作中几个问题的认识［J］.中国大学教学，2012（1）.

［4］ 刘峥，李建平，张淑华，等.基于卓越工程师培养的化工专业实践教学体系的构建与实践［J］.教育教学论坛，2015（41）.

［5］ 张淑华，肖瑜，郭晶晶，等.一种单分子磁体［Co4（hmb）4（μ3-OMe）4（MeOH）4］的制备方法，专利号：ZL201110287083.3.

Practice Teaching Model Reform and Exploration of Chemical Engineering and Technology

ZHANG Shu-hua，ZHANG Xiu-qing，LI Yan，LIANG Jun
（College of Chemistry and Bioengineering，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004）

At present，our country is in a critical period from the industrial manufacturing large country to manufacturing industrial powers country.China will basically reached the level of developed countries in 2020.So we need a large number university graduates of strong hands-on skills，solid professional foundation，strong innovation ability who lead the process of industry 4.0.The article based on chemical engineering and technology major of Guilin university of technology as an example which based on a chemical engineering and process excellence engineers and Chemical engineering and technology national virtual simulation experiment teaching center platform.This paper discussed practice teaching mode reform of chemical engineering and technology professional which improves the professional student beginning ability，employment competitiveness，to accelerate the process of industry of 4.0.

industry 4.0；outstanding engineers；virtual simulation；practice teaching mode reform；cultivation of talents

G642

A

1673—8861（2016）02—0126—04

［责任编辑］张琴芳

2016-05-05

张淑华（1970-），男，湖南邵阳人，桂林理工大学教授，博士。主要研究方向：化学工程与工艺。

2015年广西高等教育教学改革工程重点项目（2015JGZ129）。