以大工程觀的視角建設現代化工實驗教學示範中心——專訪常州大學...

　　陳群，研究員，博導，常州大學現代化工實驗教學中心主任。國務院特殊津貼獲得者，全國先進教育工作者，江蘇省有突出貢獻的中青年專家，江蘇省「333工程」科技領軍人才，江蘇省化學工程與技術優勢學科帶頭人。江蘇省化學化工學會第十屆理事會理事，中國化工學會精細化工專業委員會委員，江蘇省化工學會精細化工專業委員會委員，江蘇省環境科學學會環境治理專業技術委員會委員，《離子交換與吸附》《化工進展》《化工新型材料》《江蘇安全生產》等雜誌編委會委員，常州市政府安全生產委員會專家組專家，常州市經貿委科技專家。擔任國家級特色專業化學工程與工藝專業負責人，國家級化工虛擬仿真實驗教學示範中心主任，江蘇省優秀教學團隊化學工程與工藝專業教學團隊負責人，江蘇省科技創新團隊負責人。

　　更多精彩內容見《中國現代教育裝備》2014年第5期雜誌

　　主講精細有機合成工藝、綠色化工、創新與方法等課程，近年獲江蘇省教學成果一等獎2項、二等獎1項。承擔或完成省部級等各類科技開發項目26項，申請發明專利40餘項，發表學術論文147篇，出版著作5部。獲國家科技進步二等獎1項，江蘇省科技進步一等獎2項，中石化科技進步三等獎和國家教委科技進步三等獎各1項。

　　常州大學現代化工實驗教學中心成立於2006年，是在學校實驗室建設管理「中心化」進程中，整合了分析測試、基礎化工、化學工程、化工過程、化工工藝等教學科研資源建成的。中心建成不久，就因其工程化特色，集約、集成、共享的先進建設理念，於2007年被遴選為「江蘇省實驗教學示範中心建設點」，2009年以優秀成績通過省級驗收，並被評為「國家級石油化工國際化工程人才培養模式創新實驗區」，2013年成為「國家級實驗教學示範中心建設單位」。

　　中心現有教師64人，其中正高職稱佔比58%，青年教師中碩士以上學歷佔比91%，87%以上教師具有工程實踐經歷及背景，3名教師獲化工註冊工程師資格。

　　中心現有實驗室面積14 000平方米，固定資產總值7 700萬元，設備3 200臺套，10萬元以上設備220臺。下設化工原理實驗室、反應工程實驗室、分離工程實驗室、化工工藝實驗室、化工計算與模擬實驗室、啤酒中試車間實驗室、精細化學品合成中試車間、分析測試實驗平臺、液相色譜開放實驗室、氣相色譜開放實驗室、石化工業展館、創新實驗室等，承擔了學校6個學院、23個專業的22門實驗及實訓、創新等教學任務，年均承擔17萬人次的教學，還向周邊高校、企業及中學提供開放實習、技術服務、員工培訓及參觀體驗等，年均接待2 000餘人次。

　　理念先行，建設有思路

　　當今社會急需怎樣的化工人才?與一些發達國家的高等教育進行橫向比較，我們的距離在哪裡?與高等教育大眾化之前的中國高等教育進行縱向比較，明顯的差異在哪裡?學校發展歷程中最鮮明的特點是什麼?基於對這些問題的思考，常州大學在建設化工實驗教學中心的過程中始終遵循著一個明確的理念—「大工程觀」。

　　近3年，圍繞化工專業工程教育，中心教師承擔了「構複合型人才培養體系，建立體化實驗實訓中心，育創新型卓越工程人才」「基於CDIO與『卓越工程師教育培養計劃』的石油化工卓越人才培養的研究與實踐」等4項省級教改課題，「與IchemE接軌的化學工程與工藝專業培養體系的研究與實踐」「現代化工實驗創新模式的研究與實踐」等17項校級教改課題。中心以平臺建設為主要內容的教學研究工作獲6項省級教學成果獎，在《中國高等教育》等雜誌上發表教學研究論文39篇。

　　儀器裝備，自製有特色

　　為了踐行化工教育「大工程觀」理念，中心將仿真技術、數位化在線檢測顯示技術、控制技術和多媒體交互技術引入實驗裝置開發中，研製了DCS控制填料精餾塔、填料吸收塔、流體流動—輸送機械—傳熱綜合實驗平臺、洞道乾燥、板框過濾、固定床微型反應器、MCGS組態控制篩板精餾塔、MCGS組態控制轉盤萃取塔、mini plant等40餘套實驗裝置，所有裝置均由教師設計、指導製作、安裝和調試。這些裝置匯集了國內外化工實驗裝置先進裝備技術，融入了較新科技發展和教師的科研成果，具有多功能化、集成化、數位化、自動化和中型化等特色，受到了閔恩澤、金湧、袁渭康等院士的好評，前來中心進行專題交流的國內外高校有100餘所。其中，「DCS控制液體流動—輸送—傳熱—精餾綜合實驗平臺」獲「首屆全國高等學校自製教學儀器設備優秀成果獎」。

圖1 自製藥物中間體合成mini Plant

　　虛實結合，裝置有互補

　　一系列工程化特色鮮明的中型實驗裝置建成後，應用於實驗及實習教學中，一定程度上加大了學生工程實踐能力的培養，然而仍然沒有真正破解「實習動手難」的難題。由於化工裝置存在自動化程度高、危險性高等原因，化工專業學生進入企業實習時，比其他專業的學生更加難以獲得實際的動手機會，「實習動手難」的問題尤為突出。

　　為了解決這一難題，中心提出了「化工單元裝置以『實』為主，以『虛』為輔;全流程生產裝置以『虛』為主」的進一步建設思路。2010年，中心以自制的40餘套實體裝置為原形，開發「網上3D實驗室」，將這40餘套裝置在網絡共享，實現了遠程實驗、遠程預習指導、在線成績生成、教學視頻瀏覽、實驗報告上傳、人機互動等功能，同時開始探索3D仿真軟體的開發。2012～2013年，中心先後建成了「常減壓3D仿真軟體」「甲醇合成與精製3D仿真軟體」(第一產權單位)，率先在全國化工類高校中建成「化工3D虛擬仿真實驗教學中心」。2013年5月，中心實現了「甲醇合成與精製3D仿真軟體」的遠程登錄、廣域網運行，標誌著化工3D軟體的全球共享。2014年，該虛擬中心被評為首批「國家級虛擬仿真實驗教學示範中心」。

圖2 化工虛擬仿真實驗中心場景(模擬外操)
圖3 化工虛擬仿真實驗中心場景(模擬內操)

　　實驗改革，內涵有提升

　　在自製工程化裝備及虛擬仿真軟體的基礎上，中心將所有實驗項目優化調整為綜合型、設計型實驗，包括將以往認為只能是驗證型實驗的項目，也改造為綜合型實驗，有力地支撐了學生知識應用能力、工程實踐能力、科技創新能力的培養。具體的做法是：

　　(1)全流程自製中試裝置很好地滿足了工程性訓練要求。由於自製的設備規模均採用小型工業化設備尺寸，過程原理、控制方式、測試方法均來自實際工業過程，學生可在校內進行兩類工程性訓練。一是進行工業化中試規模生產實訓：從原料純化、流程匹配、操作參數優化、開停車調試、分析方法建立、化工儀表控制，到設備清洗與檢修等生產各環節進行全面訓練，讓學生熟悉原料與產品性能、反應原理、生產過程、流程組織、主要設備基本原理，懂得有關機、電、儀、分析方面的基本知識，體會現代化化工生產的特點。二是參與指導教師研究課題，進行工程性放大研究實驗：以小試結果為基礎，進行中試放大數據採集、數據處理、宏觀動力學數學模型建立、基礎設計，為工程設計奠定基礎，讓學生體會化工過程開發與工程放大的全過程，真正提高學生的工程能力。

　　(2)在驗證型實驗中增加流程模擬軟體Aspen Plus的使用。在原為驗證型基礎數據測試實驗中，在學生完成實驗數據點的測試與結果計算後，要求學生再利用理論課程中涉及的Aspen Plus軟體，模擬計算相應的數據，與實際實驗得出的數據相比較，再查閱相關文獻資料，最後對三條途徑得出的數據進行綜合誤差分析。例如：在「二元氣—液平衡數據的測定」實驗中，要求學生用三點實驗數據以Aspen plus對氣液平衡數據進行回歸，拓展了學生數據處理的思路，也進一步增強了學生對以往所學知識的運用能力。

　　(3)在綜合型實驗中增加工程設計內容。中心把工程設計內容引入到實驗教學中，打破以往實驗教學的局限。例如，在「乙苯脫氫制苯乙烯工藝實驗」中，要求學生將實驗得到的混合物作為原料，延伸設計乙苯、苯乙烯的精餾分離，並繪製簡單的流程示意圖及物料流程圖。

　　開放運行，自主學習有平臺

　　中心自2006年以來，始終堅持開放式教學。在實驗項目中，既可以由中心提供選題(主要為選修實驗、實習項目)，也可以由學生自帶課題，中心為學生提供技術指導、場地支持，構建「以學生為主體、以能力培養為核心、以挖掘學生潛力為宗旨的學生自主學習和實驗」的開放實驗教學管理運行機制。

　　(1)自助式開放實驗「超市」。校企共建的氣譜實驗室(30臺氣譜儀、1臺氣質聯用儀)、液譜實驗室(10臺液譜儀、1臺液—質聯用儀)和化工計算及仿真實驗室(含100臺筆記本電腦、138臺桌上型電腦，配置ORIGION，CAD，ASPEN，CHEMDRAW等專業工具軟體以及包含2個3D仿真流程模擬軟體在內的40餘種仿真軟體)全天面向學生開放。

圖4 30臺GC的色譜「超市」

　　(2)預約開放大型儀器。從2011年起，現代分析實驗室逐步實現大型儀器的開放。從最初開放一些畢業環節中使用頻率高、操作難度相對較低的儀器，到目前多數大型儀器的預約全時開放。預約開放的大型儀器包括核磁共振波譜儀、場發射掃描電鏡、透射電鏡、哈克流變儀、X—射線衍射儀等30餘臺，提高了學生高端儀器的分析技能與創新科研水平，提高了大型儀器的使用效能。主要做法是：通過專題培訓與考核學生取得操作資格，並在中心教師指導下操作一定時數，取得獨立操作資格，然後可以網上預約使用，最後參與績效及信譽考核。

　　(3)實驗室場地及項目開放。學生自行組成學習小組，預約「阿司匹林生產工藝」「啤酒生產工藝」「原油實沸點」等實驗，或學生根據自己的興趣自擬實驗項目預約場地進行實驗。場地及項目的開放，有效地促進了學生工程能力、操作技能和創新思維能力的培養。

　　開放的支持平臺，培育了一批創新科技成果。近3年，學生獲得包括「挑戰杯」全國大學生科技作品競賽特等獎、全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽一等獎在內的省級及以上獎勵200餘項;中心教師獲得包括2項國家科技進步獎二等獎在內的科技成果獎60餘項。

　　示範輻射，彰顯「大工程觀」特色

　　自2006年6月建成投入使用以來，中心發揮了巨大的教學、科研、培訓和示範功能。

　　中心每年接待省內外10餘所高校化學化工專業學生來中心實習、實驗。作為神華、南煉、高橋石化等一批國家大型企業的員工培訓基地，中心每年承擔350名企業員工培訓工作。中心吸引美國康寧公司、聯想集團，合作共建微通道反應技術研究院、精細化學品研發中心。作為「常州市石油化工科普基地」，中心接待常州、江陰、無錫等地區部分中學學生在高考前到中心進行理工科工程的基本認識教育，每年接待中學生參觀學習約2 500人。此外，中心還為國家重點中學江蘇省常州高級中學等學校學生參加全國化學競賽提供了支持，為周邊地區企事業單位、科研機構提供了分析測試服務，接待國內外院校專家同行近千人前來參觀考察，「大工程觀」辦學特色受到專家肯定。（本刊記者 安健 張鵬）