新工科背景下能源化工实验教学平台改革探索

朱晟 王罗春 闵宇霖 辛志玲

[关键词]能源化工;化学工程与工艺;专业实验;教学改革

近年来，随着国家能源结构的调整，国家大力发展低碳经济、环保产业、绿色经济等关系到未来环境和人类生活的重要战略新兴产业。为培养适应国家经济建设需要和符合未来化学工业高速发展要求的合格人才，上海电力大学在2012年组建环境与化学工程学院后，成立了以化工为基础、能源化工为特色的化学工程与工艺新专业，并于当年开始招生，目标是培养国家战略性新兴产业需要的人才。该专业涉及可再生能源技术、节能减排技术、清洁煤技术、节能环保和资源循环利用等战略性新兴产业领域。

由于实验教学是工科院校重要的实践性教学环节，是理论教学的继续和延伸，在新专业的课程体系建设中，一个重要的任务就是构建能源化工实验教学平台[1-4]。通过建立专业实验教学体系、内容及实施方法，加深学生对专业课的理解和掌握，巩固学生的实验操作技能，提高学生观察、分析、解决问题的能力，为学生掌握专业理论知识和实践技能奠定基础。经过多年的建设与探索，实验平台已初具规模，但在实验教学过程中仍存在一些问题，主要表现为：1.实验项目演示型和验证型多，综合型和设计型少;2.实验项目“能源化工”特色不明显;3.教学方式单一，无法充分调动学生学习的积极性;4.实验室开放利用率不高。针对上述问题，以新工科建设为背景，以高水平地方应用型大学建设为契机，结合专业工程教育认证和学科评估，充分发挥学院和学科特色，上海电力大学探索能源化工实验教学平台的教学改革势在必行。

一、实验教学体系构建

（一）指导思想

为了更好地对接国家新能源战略，适应化学工程与工艺学科发展对人才培养的要求[5-7]，结合国家和上海市教育发展规划纲要，以提高学生学习能力、实践能力和创新能力为核心，按照上海电力大学“立足电力、立足应用、立足一线”的办学方针和“务实致用，明理致远”的办学理念，平台建设以“突出理论基础，强化生产应用，着力科技创新，服务地方经济”为指导思想，突出电力工业发展特点，以满足目前学生在夯实基础、提高动手能力和创新能力方面培养的要求。

（二）教学理念

平台的实验教学理念是：以学生为主，“厚基础、重能力、强实践”三位一体。“厚基础”即在实验教学过程中加强学生基础知识和基本操作的培养和巩固，注意理论联系实际;“重能力”即在实验教学过程中重视培养学生的学习能力、动手能力和综合实验能力;“强实践”即在实验教学过程中鼓励学生不受实验室、实验学时和实验教材的限制，自行设计实验方案和完成实验，以培养学生的创新意识和创新能力。

（三）实验教学体系构建

实验教学是人才培养过程中的重要环节，以平台建设的指导思想和教学理念为准线，在实验教学中，平台按照学生认识、理解、掌握知识的规律，遵循促进学生实践能力梯级递增、注重学生个性发展的原则，构建分层次的实验教学体系，将实验项目分为基础认识、技能训练、综合实践和应用创新四个层次。1.基础认识：主要学习掌握最根本的基础理论知识，认识各种仪器的构件、工作原理，如二氧化碳临界状态观测及气体p-V-T关系测定。2.技能训练：主要通过仪器的使用，体验实际操作过程，掌握操作技能，增强动手能力，如煤的发热量测定、石油产品馏程测定等。3.综合实践：主要结合实际任务，使学生面向工程实际应用，提高学生的自主学习能力、对知识的融会贯通能力、独立思考问题的能力和團队合作协调能力，如鼓泡反应器中汽泡比表面及气含率的测定、碳分子筛变压吸附气体分离实验等。4.应用创新：主要鼓励学生根据自己的兴趣爱好参加科研项目和科技创新活动，全面培养和提高学生的科研能力、探索能力和创新能力，如能源与环境催化材料制备和测试实验，包括碳基复合催化材料的合成实验（发展以碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯负载金属氧化物催化体系）、新型多孔功能催化材料以及环境催化材料的合成与应用实验等。通过增加能源化工相关的应用创新型实验项目，进一步突出能源化工特色，提高人才培养质量。

另外，通过课程设计、毕业实习、毕业设计、课内与课外、校内与校外的实践和科技创新活动，鼓励学生积极参加，自主思考，勇于探索，构建一个从认识、掌握、应用到创新的实验教学体系。平台对外积极开展校企合作，与上海高桥石油化工有限公司、华能上海石洞口第二电厂、上海石油天然气有限公司、宝山钢铁股份有限公司等多家大型企业建立了长期合作关系，提高了学生的现场分析、解决实际问题的能力，真正实现了产教融合、学以致用。

二、实验教学模式改革

（一）引入翻转课堂教学模式，提高实验教学效果

在部分与仪器操作相关的实验教学中，引入翻转课堂教学模式。教师要充分利用现代信息技术辅助实验教学，可以采用微课、慕课、图像、视频等网络资源进行“线下”教学，将事先拍摄制作的仪器内部结构和完整实验操作等视频资料上传，要求学生上课前观看视频资料，完成相应的学习。课堂上教师再以提问的方式明确实验项目的要点、关键步骤、仪器操作顺序等，引导学生回顾、思考，从而完成实验教学活动。应用“翻转课堂”，使部分课堂教学时间转化为学生实践活动和实验室动手操作时间，提升学生的参与性，调动学生的积极性，充分发挥课外与课堂教学相结合的优势，培养学生的自主学习能力与合作学习能力。

（二）在实验教学中引入思政元素，发挥育人功能

习近平总书记在2016年全国高校思想政治工作会议上指出，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人。专业实验教学作为高校教学工作的重要组成部分，同样需要在教学过程中融入思政教育的内容，充分挖掘专业实验课中的思政元素，发挥育人功能[8]。在实验开始前，教师可先将实验潜在的危险性和相应的应急措施告知学生，培养学生规范操作和安全意识，同时可以介绍实验相关的一些工业应用实例和发展历程等，帮助学生树立绿色化工、循环低碳经济和可持续发展的理念。开展实验操作时，要求学生精确控制实验条件，认真观察实验现象，真实记录实验数据，培养学生精益求精、严谨细致的“工匠精神”，胸怀匠心。处理实验过程中产生的废液时，告诫学生不能随意将其倒入下水道，要分类收集在废液桶内统一由专门的环保公司进行回收，以增强学生的环保意识和法治观念。在分析实验数据和结果时，需要学生从大量的实验数据中总结出一般的实验规律和结论，即从特殊性中总结出普遍性，由感性认识上升为理性认识，这可以培养学生对事物实事求是、仔细分析的科学方法和科学精神。

（三）建立虚拟仿真实验室，开展实验仿真教学

化工生产过程具有设备庞大、结构复杂、影响因素多、需要高温高压、具有一定的危险性等特点，很难在实验室完成相关实验操作，这增加了学生对工业级化工装置、工业生产运行模式学习的难度。即使有简单的实验装置，实验数据也不能体现各因素相互影响的效果，学生很难从整体上深入掌握化工生产过程的原理和应用。因此，立足当前化工专业人才培养的实际社会需求，通过虚拟仿真实验来加强学生化工单元的操作能力，提升专业技能，这对实现工程应用型工人才培养目标意义重大[9]。虚拟仿真实验室是基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的开放式网络化虚拟教学实验室，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化，具有技术层面的科学性、应用层面的经济性、操作层面的安全性和开放层面的共享性等优势，开发虚拟仿真实验室，依托真实实验室，在“理论—仿真—真实—仿真”循环学习中，巩固加深学生对化工过程的认识，提高学生的实践动手能力。能源化工实验教学平台在原有实验项目的基础上，新增了CO2压缩机系统仿真实验、固定床反应器系统仿真实验、CO中低温串联变换反应仿真实验、煤制甲醇工艺仿真实验等多个虚拟仿真实验项目，形成了综合实训系统，有效提升了学生的学习兴趣和学习效果，从而提高了实验教学质量。

（四）学科竞赛与实验室开放相结合，全面提高实验室利用率

学科竞赛作为一种教学活动，是课堂实验教学的补充和延伸，是学生应用能力提升、综合素质提高、实践能力增强的有效途径[10]，在高校教学工作中发挥着越来越重要的作用。学科竞赛一般以专业知识为基础，但又不限于学生平时课堂所学知识，具有较强的灵活性、综合性和创新性。以全国大学生化工设计竞赛为例，学生除了需要掌握化工原理、化工热力学、化学反应工程、化工分离过程、化工节能原理与技术等专业知识外，在设计过程中还需要熟练使用大量专业软件，如Aspen Plus、Aspen Energy Analyzer、Aspen Exchanger Design and Rat?ing、AutoCAD、SW6、Risksystem、SmartPlant 3D 等，这就需要指导教师在课外利用专门的实验场地与仪器设备对学生进行辅导。实验室开放既可满足学科竞赛的需求，又可充分利用现有实验室资源，提高实验室利用率。学院出台了《环境与化学工程学院实验室开放管理办法》，对实验室开放的条件和形式、组织与实施、程序和要求等内容进行了规范，同时采取一系列措施鼓励实验室开放，如学生参加开放实验教学获得一定成果的，可申请创新学分认定，用于抵充全校任意选修课学分，并将开放实验教学作为教师年终考核（评优）的重要依据之一。通过实验室开放，近三年来，我校学生在全国和上海市的各类大赛中多次获奖，包括全国大学生化工设计竞赛一等奖1项，二等奖2项，三等奖1项;全国大学生化工实验大赛全国总决赛二等奖1项;“协鑫杯”国际大学生绿色能源科技创新创业大赛特等奖1项，一等奖2项，二等奖1项;“挑战杯”上海市大学生课外学术科技作品竞赛一等奖2项等。

（五）科研反哺教学，从科研项目中提炼应用创新型实验项目

依托上海市电力材料防护和新材料重点实验室、上海市热交换系统节能工程技术研究中心两个省部级科研平台，能源化工实验教学平台积极利用科研反哺教学，通过大学生科创项目、毕业设计等方式，鼓励学生组队参与到教师的科研项目中。学院每年会组织科创项目的立项申请和答辩，确定院级、校级和省市级等大学生科创项目并进行公示，同时对项目执行过程进行严格监督，按时组织立项项目进行中期答辩和結题答辩，对取得一定成果的项目予以经费支持。在教师的指导下，学生通过查阅文献资料、设计实验方案、开展实验研究、分析实验结果、撰写研究报告等过程，充分调动学习的主动性、积极性和创造性，提高学习能力、动手实践能力、创新能力和团队协作能力。这样将科研资源转化为实验教学资源，逐步形成了“研教一体”的育人环境。近三年来，学生与教师共同署名发表论文86篇，其中SCI论文34篇。尤其是在2017年，学院2016届本科生黄倩倩以第一作者在SCI 一区杂志《Chemical EngineeringJournal》上发表了学术论文。另外，教师积极将现有科研中与本科实验教学相关的研究工作纳入实验教学中，更新专业课实验项目，通过科研工作和实验教学的有机结合，培养学生的创新精神和实践能力。

三、结语

以新工科建设为背景，以上海电力大学高水平地方应用型大学建设为契机，能源化工实验教学平台的教学改革与实践，进一步确立了实验与实践教学在本专业人才培养中的重要地位，建立了以实验和工程实践为主体，以培养学生创新和实践能力为核心的化学工程与工艺实践训练体系。基础认识、技能训练、综合实践和应用创新四个不同层次的实验模块构成了一个层次清晰、基础扎实、循序渐进、具有特色的完整的实验教学体系。同时，通过引入翻转课堂教学模式、引入思政元素、建立虚拟仿真实验室、学科竞赛与实验室开放相结合、科研反哺教学等一系列方式推进实验教学模式改革，有力地推动了化学工程与工艺实践体系的整体优化，推动了人才培养模式改革。这些做法得到了广大师生的肯定和支持。