适应“三三制”培养模式的化工基础实验教学改革

周爱东

摘要：在南京大学全面施行“三三制”本科教学改革背景下，在国家级实验教学示范中心及国家级教学团队建设中，着力构建一支富有创新意识和创新能力的教学科研复合型化工基础实验教学团队，开放化工仿真实训，引导学生进行工程模拟，提升学生科研素养，打造精品教材，为培养行业未来领军人物和创新人才夯实基础。

关键词：化工基础实验；团队建设；仿真培训；工程模拟；科研素养

在“通识教育与个性化培养融通”的理念基础上，2009年南京大学开启了“三三制”本科教学改革。2014年“三三制”教学改革取得标志性成果，以学生发展为中心的“三三制”本科人才培养体系构建与实施项目荣获高等教育国家级教学成果特等奖。

化工基础实验是应用化学、化学等专业的核心专业课，是培养化工科学研究和工程技术人才过程中一个重要的工程教育环节，与化工原理、反应工程、化工专业实习、化工设计等课程紧密衔接，并构成有机的整体，具有较强的工程特点。在“三三制”人才培养模式的指导下，化工基础实验课程以培养学生创新实践能力和个性化发展为核心，结合本学科特色，构建符合学生个性化、多元化发展的研究性实验教学体系。在日益重视培养学生创新、综合素质的新形势下，合理规划、调整化工基础实验的教学内容和模式，对提高教学质量、培养学生的工程素养和创新能力有非常重要的意义。

一、教学团队建设

教学团队建设是教育改革与发展过程中的关键问题，直接关系到“三三制”人才培养模式的具体执行力。我校化学实验教学中心是首批国家级示范中心，化工基础实验课程是国家级化学实验课程教学团队承担的核心专业课程之一。团队成员从事绿色化工过程的理论探索、传质与分离元件的开发、天然产物的绿色深加工、工程设计等方面的科学研究，开创的“超级浮阀塔板等新技术研发及其在工业节能减排方面的应用”项目获得2011年度国家科学技术进步二等奖，“先进塔器分离技术研发及应用”项目获得2015年度中国产学研合作创新成果一等奖，成果已大规模应用于石化原料和产品的分离、天然物质的提取深加工，为企业创造了巨大的经济、社会和环境效益，并在AIChEJ，CES，IECR等国际化工顶级期刊发表100余篇科研论文。强大的科研力量为基础教学提供有力的支撑，团队积极开展教学研究工作，近5年来主持或作为骨干成员承担十余项国家级、省级、校级教学改革课题，在一流核心期刊上发表多篇教学研究论文。

二、化工基础实验改革举措

在完成流体流动、传热、精馏、吸收、过滤、干燥、萃取、停留时间分布等经典化工基础实验教学的基础上，我们采取了如下举措。

1.开放化工仿真实训

现代化的化学工业规模庞大、工艺流程复杂，所需检测、监控数据繁多，全部或部分工段采用在线控制，实现自动化生产。化工基础实验需要适应现代化学工业自动化生产的新情况，采用开放式化工仿真实训教学方式引领大工程观背景下化学工业人才培养。

通过对催化裂化反应再生系统、石油炼制常减压系统、30万吨合成氨装置等全流程级化工仿真工艺流程的深入剖析，设备功能、设计参数、操作参数、工艺指标、安全生产的介绍，再现真实生产过程的全工况实时动态特性，有助于学生建立和储备典型过程工程的背景知识，包括工艺流程、设备设计思路、操作工艺参数、自动控制方案等，透彻了解生产工艺流程的组织原则、设备内部结构、物料流动状态及物料发生物理化学变化的原理、工艺条件的控制手段、系统工程等更深入的内容。动态仿真数学模型的突出优势在于将模拟千变万化的工况变为现实，开放化工仿真实训提供了创造性地进行操作控制方案探索的可能。以30万吨合成氨装置生产工艺流程动态仿真模拟为例，工艺涵盖天然气转化、脱碳、氨合成、冷冻及氨回收、氢回收5个工序，实现动态反应合成氨各操作点参数（如：液位、温度、压力、流量、物料反应变化、目标产物质量控制、自动控制过程实现）随负荷变化而响应的动态效果，仿真实训的仿真操作员在逻辑程序组态、操作方式、画面形式、趋势功能、事故追踪、CRT报警形式、工程统计等各方面与生产实际中控室系统及现场手操对象一致，全部控制操作、逻辑保护、控制逻辑与实际装置完全相同。开放仿真实训中，贯穿系统观点和全局优化的思想进行流程级仿真工艺流程系统的操作，遵循安全操作规程和贴切工程实际的操作规范，实现安全高效地开车、运行、停车（含紧急停车），深入了解过程工程的工艺及控制系统的动态特性，娴熟高效识别和校正提前设置的设备故障，掌握常见事故的应急处理预案，在潜移默化中培育对复杂化工过程动态运行的分析和决策能力，生产的组织、协调、管理能力。领略现代化工大生产的安全氛围、创新氛围、文化氛围，培育学生的大工程观，回归工程实践。

2.引导学生进行工程模拟

随着计算技术和化工过程系统模型化技术的发展，化工过程模拟可以用于完成化工过程及设备的数据计算、工艺设计、操作模拟、优化分析、故障诊断、工艺改造和综合评价等多种任务，可以节约大量实验成本、时间，加快推进新产品和新工艺的开发过程。现阶段，化学工业逐渐趋向大型化、集中化和连续化发展，尤其在当今资源短缺、能源紧张的形势下，对绿色化工、节能减排以及环境友好等方面提出了更高的要求。如何充分利用化工过程模拟技术并采用最优化的工艺方案，最大限度地提高生产效率，是工业上亟待解决的问题。

Aspen Plus应运而生，它是一款功能强大的标准大型通用流程模拟软件，用户遍及世界各大化工、石化生产厂家、著名工程公司。教学团队适时将Aspen Plus模拟软件引入化工基础实验教学中，设计出一系列工程生产任务，指导学生完成。如：基于Aspen Plus的乙腈-水共沸体系的精馏模拟与优化实验。该实验采用双塔串联变压精馏工艺，具体工艺为：原料经换热器加压预热后送入T101精馏塔，采用高压操作，T101塔釜获得较纯的乙腈产品，塔顶为乙腈一水共沸物，该共沸物送入T102精馏塔，T102塔为低压精馏塔，由于压强变化导致乙腈-水共沸物组成发生改变，T102塔底获得含微量乙腈的废水，可送去废水处理，而含较多乙腈的塔顶共沸物则经过泵加压后作为循环流股送回T101塔与原料混合，以回收其中的乙腈。通过绘制拟二元气液平衡相图，确定双塔连续萃取精馏的工艺流程，并利用灵敏度分析考查萃取精馏塔的全塔理论板数、原料进料位置、回流比、塔顶/釜热负荷、操作压力等因素对分离效果的影响。模拟与优化结果为乙腈水共沸体系分离过程的设计和操作提供了依据。

3.提升学生科研素养

教学团队在基础实验中进行研究型教学，引导学生在基础实验中进行研究型学习。积极进行科学研究的团队，在教学中可以得心应手地用科研所必要的实践精神和创造精神感染学生。学生备受鼓舞，得到启迪，很大程度上得益于团队为学生树立起成功的榜样。

团队进行科学研究能够不断地汲取该学科领域最前沿的研究成果，并用最新的研究成果和学科前沿动态来丰富实践教学内容，开发出若干设计和研究型化工综合实验，包括：CO₂，在氨基功能离子液体的吸收/解吸实验、超滤一纳滤一反渗透组合膜处理大豆乳清废水、超临界CO₂，萃取玫瑰精油、气液循环喷射反应器性能测试、塔器性能测定实验、方形水槽内流场特性的PIV分析。这些实验不再是局限在对课本理论知识的验证，而是与工程实际生产、学科前沿热点紧密结合，有利于拓宽学生的视野，树立创新意识，激发学生从事本学科科学研究的兴趣，加强学生科研素养的训练。在实验教学中创设一个“在研究中学习”的氛围，营造研究情境，带领学生走进科学殿堂、亲历科学实践、体验科学魅力，实现强化基本技能训练、突出创新能力培养、达到科学素养提升之目标，促进人才成长。

三、打造精品教材

高等学校实现人才培养模式的创新，势必要进行教学内容和课程体系的改革，与教学内容改革密切相关的一个重要方面就是建材建设。

实验教学改革的重要突破口是瞄准学科发展前沿，优化实验教学体系，开设与学科前沿密切相关的实验项目，丰富教学资源。高水平的实验教材可以优化学生的知识、能力和素质，需要适时更新实验教材。为适应“三三制”教学改革及人才培养的需要，以化工基础实验教学团队为班底，组建一支本学科专业领域内有深厚学术造诣，长期在教学、科研一线潜心研究的7人博士团队编写《化工基础实验》教材，邀请学科带头人张志炳教授担任教材主审，教材于2016年1月在高等教育出版社出版，受到诸多兄弟院校师生及广大读者广泛关注。教材凝练了化工基础实验的基础知识，在讲清基本原理和方法的同时，阐明实验的设计思路，同时注重培养学生的创新意识及发现、分析和解决问题的能力。将课程内容分为基础知识、实验误差分析与实验数据处理、化工数据的采集与控制技术、基础实验、综合实验、化工仿真与过程模拟等六个知识模块进行深入浅出讲解，体现了知识点的基础与延伸，并且渗透学科前沿进展。教材适应“双一流建设”重大战略决策、南京大学“三三制”本科教学改革第二阶段要求，秉承著名化学家戴安邦先生倡导的“全面的化学教育和实验室教学”理念，有力促进了实验教学质量的持续提高。