周愛東

摘要：在南京大學全面施行“三三制”本科教學改革背景下，在國家級實驗教學示范中心及國家級教學團隊建設(shè)中，著力構(gòu)建一支富有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的教學科研復合型化工基礎(chǔ)實驗教學團隊，開放化工仿真實訓，引導學生進行工程模擬，提升學生科研素養(yǎng)，打造精品教材，為培養(yǎng)行業(yè)未來領(lǐng)軍人物和創(chuàng)新人才夯實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：化工基礎(chǔ)實驗；團隊建設(shè)；仿真培訓；工程模擬；科研素養(yǎng)

在“通識教育與個性化培養(yǎng)融通”的理念基礎(chǔ)上，2009年南京大學開啟了“三三制”本科教學改革。2014年“三三制”教學改革取得標志性成果，以學生發(fā)展為中心的“三三制”本科人才培養(yǎng)體系構(gòu)建與實施項目榮獲高等教育國家級教學成果特等獎。

化工基礎(chǔ)實驗是應用化學、化學等專業(yè)的核心專業(yè)課，是培養(yǎng)化工科學研究和工程技術(shù)人才過程中一個重要的工程教育環(huán)節(jié)，與化工原理、反應工程、化工專業(yè)實習、化工設(shè)計等課程緊密銜接，并構(gòu)成有機的整體，具有較強的工程特點。在“三三制”人才培養(yǎng)模式的指導下，化工基礎(chǔ)實驗課程以培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力和個性化發(fā)展為核心，結(jié)合本學科特色，構(gòu)建符合學生個性化、多元化發(fā)展的研究性實驗教學體系。在日益重視培養(yǎng)學生創(chuàng)新、綜合素質(zhì)的新形勢下，合理規(guī)劃、調(diào)整化工基礎(chǔ)實驗的教學內(nèi)容和模式，對提高教學質(zhì)量、培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力有非常重要的意義。

一、教學團隊建設(shè)

教學團隊建設(shè)是教育改革與發(fā)展過程中的關(guān)鍵問題，直接關(guān)系到“三三制”人才培養(yǎng)模式的具體執(zhí)行力。我校化學實驗教學中心是首批國家級示范中心，化工基礎(chǔ)實驗課程是國家級化學實驗課程教學團隊承擔的核心專業(yè)課程之一。團隊成員從事綠色化工過程的理論探索、傳質(zhì)與分離元件的開發(fā)、天然產(chǎn)物的綠色深加工、工程設(shè)計等方面的科學研究，開創(chuàng)的“超級浮閥塔板等新技術(shù)研發(fā)及其在工業(yè)節(jié)能減排方面的應用”項目獲得2011年度國家科學技術(shù)進步二等獎，“先進塔器分離技術(shù)研發(fā)及應用”項目獲得2015年度中國產(chǎn)學研合作創(chuàng)新成果一等獎，成果已大規(guī)模應用于石化原料和產(chǎn)品的分離、天然物質(zhì)的提取深加工，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，并在AIChEJ，CES，IECR等國際化工頂級期刊發(fā)表100余篇科研論文。強大的科研力量為基礎(chǔ)教學提供有力的支撐，團隊積極開展教學研究工作，近5年來主持或作為骨干成員承擔十余項國家級、省級、校級教學改革課題，在一流核心期刊上發(fā)表多篇教學研究論文。

二、化工基礎(chǔ)實驗改革舉措

在完成流體流動、傳熱、精餾、吸收、過濾、干燥、萃取、停留時間分布等經(jīng)典化工基礎(chǔ)實驗教學的基礎(chǔ)上，我們采取了如下舉措。

1.開放化工仿真實訓

現(xiàn)代化的化學工業(yè)規(guī)模龐大、工藝流程復雜，所需檢測、監(jiān)控數(shù)據(jù)繁多，全部或部分工段采用在線控制，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)?；せA(chǔ)實驗需要適應現(xiàn)代化學工業(yè)自動化生產(chǎn)的新情況，采用開放式化工仿真實訓教學方式引領(lǐng)大工程觀背景下化學工業(yè)人才培養(yǎng)。

通過對催化裂化反應再生系統(tǒng)、石油煉制常減壓系統(tǒng)、30萬噸合成氨裝置等全流程級化工仿真工藝流程的深入剖析，設(shè)備功能、設(shè)計參數(shù)、操作參數(shù)、工藝指標、安全生產(chǎn)的介紹，再現(xiàn)真實生產(chǎn)過程的全工況實時動態(tài)特性，有助于學生建立和儲備典型過程工程的背景知識，包括工藝流程、設(shè)備設(shè)計思路、操作工藝參數(shù)、自動控制方案等，透徹了解生產(chǎn)工藝流程的組織原則、設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物料流動狀態(tài)及物料發(fā)生物理化學變化的原理、工藝條件的控制手段、系統(tǒng)工程等更深入的內(nèi)容。動態(tài)仿真數(shù)學模型的突出優(yōu)勢在于將模擬千變?nèi)f化的工況變?yōu)楝F(xiàn)實，開放化工仿真實訓提供了創(chuàng)造性地進行操作控制方案探索的可能。以30萬噸合成氨裝置生產(chǎn)工藝流程動態(tài)仿真模擬為例，工藝涵蓋天然氣轉(zhuǎn)化、脫碳、氨合成、冷凍及氨回收、氫回收5個工序，實現(xiàn)動態(tài)反應合成氨各操作點參數(shù)（如：液位、溫度、壓力、流量、物料反應變化、目標產(chǎn)物質(zhì)量控制、自動控制過程實現(xiàn)）隨負荷變化而響應的動態(tài)效果，仿真實訓的仿真操作員在邏輯程序組態(tài)、操作方式、畫面形式、趨勢功能、事故追蹤、CRT報警形式、工程統(tǒng)計等各方面與生產(chǎn)實際中控室系統(tǒng)及現(xiàn)場手操對象一致，全部控制操作、邏輯保護、控制邏輯與實際裝置完全相同。開放仿真實訓中，貫穿系統(tǒng)觀點和全局優(yōu)化的思想進行流程級仿真工藝流程系統(tǒng)的操作，遵循安全操作規(guī)程和貼切工程實際的操作規(guī)范，實現(xiàn)安全高效地開車、運行、停車（含緊急停車），深入了解過程工程的工藝及控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，嫻熟高效識別和校正提前設(shè)置的設(shè)備故障，掌握常見事故的應急處理預案，在潛移默化中培育對復雜化工過程動態(tài)運行的分析和決策能力，生產(chǎn)的組織、協(xié)調(diào)、管理能力。領(lǐng)略現(xiàn)代化工大生產(chǎn)的安全氛圍、創(chuàng)新氛圍、文化氛圍，培育學生的大工程觀，回歸工程實踐。

2.引導學生進行工程模擬

隨著計算技術(shù)和化工過程系統(tǒng)模型化技術(shù)的發(fā)展，化工過程模擬可以用于完成化工過程及設(shè)備的數(shù)據(jù)計算、工藝設(shè)計、操作模擬、優(yōu)化分析、故障診斷、工藝改造和綜合評價等多種任務，可以節(jié)約大量實驗成本、時間，加快推進新產(chǎn)品和新工藝的開發(fā)過程?，F(xiàn)階段，化學工業(yè)逐漸趨向大型化、集中化和連續(xù)化發(fā)展，尤其在當今資源短缺、能源緊張的形勢下，對綠色化工、節(jié)能減排以及環(huán)境友好等方面提出了更高的要求。如何充分利用化工過程模擬技術(shù)并采用最優(yōu)化的工藝方案，最大限度地提高生產(chǎn)效率，是工業(yè)上亟待解決的問題。

Aspen Plus應運而生，它是一款功能強大的標準大型通用流程模擬軟件，用戶遍及世界各大化工、石化生產(chǎn)廠家、著名工程公司。教學團隊適時將Aspen Plus模擬軟件引入化工基礎(chǔ)實驗教學中，設(shè)計出一系列工程生產(chǎn)任務，指導學生完成。如：基于Aspen Plus的乙腈-水共沸體系的精餾模擬與優(yōu)化實驗。該實驗采用雙塔串聯(lián)變壓精餾工藝，具體工藝為：原料經(jīng)換熱器加壓預熱后送入T101精餾塔，采用高壓操作，T101塔釜獲得較純的乙腈產(chǎn)品，塔頂為乙腈一水共沸物，該共沸物送入T102精餾塔，T102塔為低壓精餾塔，由于壓強變化導致乙腈-水共沸物組成發(fā)生改變，T102塔底獲得含微量乙腈的廢水，可送去廢水處理，而含較多乙腈的塔頂共沸物則經(jīng)過泵加壓后作為循環(huán)流股送回T101塔與原料混合，以回收其中的乙腈。通過繪制擬二元氣液平衡相圖，確定雙塔連續(xù)萃取精餾的工藝流程，并利用靈敏度分析考查萃取精餾塔的全塔理論板數(shù)、原料進料位置、回流比、塔頂/釜熱負荷、操作壓力等因素對分離效果的影響。模擬與優(yōu)化結(jié)果為乙腈水共沸體系分離過程的設(shè)計和操作提供了依據(jù)。

3.提升學生科研素養(yǎng)

教學團隊在基礎(chǔ)實驗中進行研究型教學，引導學生在基礎(chǔ)實驗中進行研究型學習。積極進行科學研究的團隊，在教學中可以得心應手地用科研所必要的實踐精神和創(chuàng)造精神感染學生。學生備受鼓舞，得到啟迪，很大程度上得益于團隊為學生樹立起成功的榜樣。

團隊進行科學研究能夠不斷地汲取該學科領(lǐng)域最前沿的研究成果，并用最新的研究成果和學科前沿動態(tài)來豐富實踐教學內(nèi)容，開發(fā)出若干設(shè)計和研究型化工綜合實驗，包括：CO₂，在氨基功能離子液體的吸收/解吸實驗、超濾一納濾一反滲透組合膜處理大豆乳清廢水、超臨界CO₂，萃取玫瑰精油、氣液循環(huán)噴射反應器性能測試、塔器性能測定實驗、方形水槽內(nèi)流場特性的PIV分析。這些實驗不再是局限在對課本理論知識的驗證，而是與工程實際生產(chǎn)、學科前沿熱點緊密結(jié)合，有利于拓寬學生的視野，樹立創(chuàng)新意識，激發(fā)學生從事本學科科學研究的興趣，加強學生科研素養(yǎng)的訓練。在實驗教學中創(chuàng)設(shè)一個“在研究中學習”的氛圍，營造研究情境，帶領(lǐng)學生走進科學殿堂、親歷科學實踐、體驗科學魅力，實現(xiàn)強化基本技能訓練、突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)、達到科學素養(yǎng)提升之目標，促進人才成長。

三、打造精品教材

高等學校實現(xiàn)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新，勢必要進行教學內(nèi)容和課程體系的改革，與教學內(nèi)容改革密切相關(guān)的一個重要方面就是建材建設(shè)。

實驗教學改革的重要突破口是瞄準學科發(fā)展前沿，優(yōu)化實驗教學體系，開設(shè)與學科前沿密切相關(guān)的實驗項目，豐富教學資源。高水平的實驗教材可以優(yōu)化學生的知識、能力和素質(zhì)，需要適時更新實驗教材。為適應“三三制”教學改革及人才培養(yǎng)的需要，以化工基礎(chǔ)實驗教學團隊為班底，組建一支本學科專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有深厚學術(shù)造詣，長期在教學、科研一線潛心研究的7人博士團隊編寫《化工基礎(chǔ)實驗》教材，邀請學科帶頭人張志炳教授擔任教材主審，教材于2016年1月在高等教育出版社出版，受到諸多兄弟院校師生及廣大讀者廣泛關(guān)注。教材凝練了化工基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)知識，在講清基本原理和方法的同時，闡明實驗的設(shè)計思路，同時注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識及發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。將課程內(nèi)容分為基礎(chǔ)知識、實驗誤差分析與實驗數(shù)據(jù)處理、化工數(shù)據(jù)的采集與控制技術(shù)、基礎(chǔ)實驗、綜合實驗、化工仿真與過程模擬等六個知識模塊進行深入淺出講解，體現(xiàn)了知識點的基礎(chǔ)與延伸，并且滲透學科前沿進展。教材適應“雙一流建設(shè)”重大戰(zhàn)略決策、南京大學“三三制”本科教學改革第二階段要求，秉承著名化學家戴安邦先生倡導的“全面的化學教育和實驗室教學”理念，有力促進了實驗教學質(zhì)量的持續(xù)提高。