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劉秀軍,(1963.10-),男,河北,天津工業大學環境與化學工程學院,研究方向:化學工程。
管山,(1969.11-),男,天津,天津工業大學環境與化學工程學院,研究方向:化學工程。
盧素敏,(1967.07-),女,河北,天津工業大學環境與化學工程學院,研究方向:化學工程。
郭玉高,(1976.04-),男,河北,天津工業大學環境與化學工程學院,研究方向:化學工程。
卞希慧,(1983.11-),女,山東,天津工業大學環境與化學工程學院,研究方向:化學工程。
摘要:《化工原理》普通高校化工及相關專業的重要專業基礎課,通過長期教學實踐,從培養學生興趣、利用多媒體教學、加強實驗教學等角度探討提高化工原理教學效果的方法與途徑。
關鍵詞:化工原理;課程教學
《化工原理》是高等院校化工、制藥、材料和環境專業的一門必修專業基礎課,也是很多高校的考研課程。《化工原理》課程多在大二春季學期后開設。在這個階段,學生們已經系統學習了高等數學、大學物理以及無機化學、有機化學、物理化學和分析化學等基礎知識。而化工原理的主要內容是利用數學、物理和化學等自然科學原理,研究和總結實際化工過程中的客觀規律,并運用規律進行過程設計、工藝計算、設備的構造和選型等。從培養化工工程師的角度來看,化工原理在自然科學和解決化工實際工程問題間起著承上啟下的關鍵作用。從多年的教學實踐和學生的反饋來看,特別是對于初學者,化工原理公式繁多,理論抽象,枯燥、難于理解,即使學完原理,做題還是摸不到頭腦。.如何利用有限的學時,提高教學效果,是值得探討的問題[1-3]。筆者從自身的教學實踐出發,談談提高化工原理教學效果的體會。
1. 激發和培養學生的學習興趣
“興趣才是最好的老師”是愛因斯坦的名言。興趣,是認知需要的心理表現,是人對某些事物優先給予注意,是帶有積極情緒色彩的認識傾向,興趣可分為直接興趣和間接興趣。化工原理是一門實踐性很強的課程,不但與化工生產而且和很多生活中的實例密切相關。教學過程中,可以從這些生活實例出發,培養學生的直接興趣和間接興趣,激發學生學習熱情,形成學生的主動學習。學習過程中,由于學生對生活實例比較熟悉,可采用討論式教學法。在問和答的過程中,可有效強化師生的互動作用,使師生共處在動態合作的教學環境中,教學信息的傳遞和反饋得以及時進行。隨著討論問題的深入并不斷的解決的過程,可以充分調動學生的積極思維活動,提高學生提出問題、分析問題、解決問題的能力,可以極大地增強學生學好化工原理的信心和提高學生的學習興趣。
2. 合理的使用多媒體技術
當今社會的信息化速度日趨加快,隨著教育改革的不斷深化,化工原理教學已經離不開多媒體課件。學生在獲取知識的過程中,由于同學們的閱歷、理解力等方面的原因,很多化工設備學生們從未接觸過進而增加了理解的難度,例如板式精餾塔和填料吸收塔的主要部件和附件。對設備流程的不理解,也導致了對原理概念感覺抽象而難以理解。采用多媒體技術授課,教師可以從黑板的局限中解脫出來,全面照顧每一位學生。它以其直觀的畫面、形象的聲音,使抽象的內容變得直觀形象,能幫助學生更好地突破學習中的難點。多媒體能直觀形象地表達動態的過程,教師和學生處于主動的人機對話的學習狀態,易于喚起學生的學習興趣。多媒體技術的超級連接和隨意置換使教師可以靈活控制前后內容之間的銜接,既可單獨講解某個知識點,又可串起來前后連貫學習,使學生獲得連貫、系統知識。在教學實踐中發現,由于化工原理課程公式多的特點,如果一味的采用多媒體課件,學生的理解速度很難跟上公式播放的速度,導致學生對講授內容注意力下降,甚至放棄聽講。因此多媒體教學作為一種較新的教學模式,也有它的不足。在實際教學過程中板書和多媒體要相輔相成,發揮各自的長處,相得益彰才能收到較好的教學效果。
3. 注重實驗教學環節
實驗教學是教學過程中重要的一環。通過對實驗設備的認知與操作,學生不但可以深入了解課上所學的理論內容,而且對工程實踐中如何實現原理有更深刻的認識,這對培養學生解決工程問題思維大有裨益。此外,通過實驗,可以強化化工設備的操作方法。例如離心泵和旋渦泵的操作和流量調節各有什么樣的特點。這些設備的操作和條件對化工類專業同學的職業發展,是十分重要的。在教學過程中發現,很多的化工教學實驗裝置已經是高度集成的裝置,有的裝置甚至已經實現了實驗數據的實時自動采集。有的同學也反映,化工原理實驗就是按照老師的指示,動某個閥門,記錄相應的數據,整個過程比較枯燥。這對化工原理教師提出了更高的要求。在指導實驗過程中,要嚴格要求學生的實驗預習、實驗操作以及實驗數據的處理過程,在實驗過程中強化學生對實驗流程,設備結構的認知和了解,強化對實驗中各種現象的觀察和記錄,養成良好的實驗習慣。在期末考核過程中,增加對實驗部分的考核,從課程管理的角度引導學生重視實驗,從而提高整個課程的教學效果。
以上總結的是我們化工原理教學中的幾點實踐經驗。通過以上環節的實施,我們認為可以培養學生主動思考習慣以及應用知識的實踐意識。這幾個環節具有內在的統一性,在教學實踐中認真實行這些環節,并不斷拓新,以期使化工原理課程的教學效果更上一層樓。(作者單位:天津工業大學環境與化學工程學院)
參考文獻:
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一、為什么選折化學工程與工藝專業
化學工程與工藝專業作為我們學習的專業,不禁會對自己的未來產生思考,之后的篇幅便是介紹本專業的未來發展路線:技術型路線、銷售型路線及復合型路線。通過對三者的一一描述,產生縱向的說明展望及橫向的對比思考。全篇從對化工專業的了解開始,止于對個人發展的歸納展望,展現化學工程與工藝專業的巨大潛能及良好的未來發展態勢。化工科學體系龐大,其包括材料化學、材料物理、化學工程與工藝、環境工程、精細化工、生物工程等近二十個專業。而有調查顯示,目前企業需求最大的三個抓也中,化學工程與工藝以19%的比例占據第一,其次是均為14%的高分子材料與工程和精細化工專業。由此可見,化學工程與工藝專業人才的市場需求大,就業前景好,對社會的貢獻也大。選擇化學工程與工藝專業的我們,也必將在祖國的建設中大展拳腳。
二、如何更好學習化學工程與工藝專業知識
學習化學工程與工藝專業的知識,我們可獲得多方面的知識及能力。首先,我們可以掌握化學工程、化學工藝及應用化本文由收集整理學等學科的基礎理論知識,掌握化工裝置工藝與設備設計方法,掌握化工過程模擬優化的方法;其次,我們還可以熟悉國家對于化工生產、設計、研究與開發、環境保護等方面的方針,政策和法規,了解化學工程學的理論前沿,了解新工藝、新技術、新技術與新設備的發展動態;最重要的是,我們學會了文獻檢索、資料查詢的基本方法,具有一定得科學研究和實際工作能力,具有創新的意識及獨立獲取新知識的能力。
三、應該學會用所學知識解決實際問題
化學工程是研究化學工業和其他過程工業生產中所進行的化學過程和物理過程共同規律的一門工程學科。其一重要的任務就是研究有關工程因素對過程和裝置的效應,特別是在放大的效應。以解決關于過程開發、裝置設計和操作理論和方法等問題。它以物理學、化學和教學的原理為基礎,廣泛應用各種實驗手段,與化學工藝相配合,去解決工業生產問題。
化學工程包括單元操作、化學反應工程、化工熱力學、化學系統工程、過程動態學及控制等方面,其研究對象通常是非常復雜的,主要表現在過程本身的復雜,物理的復雜及物系流動時邊界的復雜性。而化學工程的研究范圍也包括裝置的大型化和新產品、新工藝工業化的問題,且化學工程在國民經濟中的重要作用也是非常明顯的。同時,化學工程也向著兩個方向發展:一方面隨著學科的成熟,不斷向學科深度發展,另一方面是不斷向新的領域滲透,研究和解決新領域的新問題。
化學工藝即化工技術或化學生產技術,指將原料物主要經過化學反應轉變為產品的方法和過程,包括實現這一轉變的全部措施。化學生產過程一般地可概括為三個主要步驟:1原料處理;2化學反應;3產品精制。而以上的三步驟都需要在特定的設備中,在一定的操作條件下完成所要求的化學和物理得轉變。而化學生產技術一般是對一定的產品或原料提出的,所以,它具有個
別生產的特殊性,但其內容所涉及的方面一般有:原料和生產方法的則用,流程組織;所用設備的作用,結構和操作;催化劑及其它物料的影響,操作條件的確定,生產控制,產品規格及副產品的分離和利用,以及安全技術和技術經濟等問題。
現代化學生產的實現,應用了基礎科學理論(化學、物理和數學等),化學工程原理和方法以及其他有關的工程學科的知識及技術。而現代化學生產技術的主要發展趨勢是:基礎化學生產的大型化,原料和副產品的充分利用,新原料路線和新催化劑的采用,能源消耗的降低;環境污染的防止,生產控制自動化,生產的最優化等。
四、在了解了化學工程與工藝專業可以有哪些就業路線
1.技術型路線:技術員-工程師-總工程師(或創業)
化工行業是個講究資歷和積累的行業,很少有“一飛沖天”的特別機遇,初畢業的我們可以做些技術類的工作,踏踏實實,一步步積累技術資本和經驗,然后到了一定程度后,便能獲得比較好的機遇和地位。化學工程與工藝工作,一般需要一個相當長的時間來讓自己的理論和實踐得以充分的結合后,才能謀取個人職業的發展基礎。所以,若要走技術路線,對于剛畢業的我們,必須在寂寞與微薄的薪水中提升自己,技術和經驗是化學工程師的資本,基本可以替代金融資本進行創業,這也是工作最開始幾年的寂寞和低收入換來的回報。有技術在手,想有高薪或者是創業,都不是問題。
2.銷售型路線:業務員-銷售主管-區域經理-銷售總監
化工原材料的辨別必須是建立在扎實的專業基礎之上,否則無法向客戶解釋產品的優劣。所以,化工貿易人才基本都需要是化工專業出身,同時熟知外貿規則和單位業務,還必須具備貿易人才的耐心細致,語言表達能力強,開朗樂觀,能吃苦耐勞等素質,若你具備以上的素質,那便在你涉足該行業做銷售時,努力地工作。工作的前兩年是收入和職業發展的關鍵期,因為,銷售過程中最重要的渠道(人脈)和技巧在兩年內基本定型。好的銷售人才永遠都不用發愁企業或行業的不景氣,因為銷售技能的通用性,跳槽轉行都是非常輕松的。
關鍵詞:化學工程;可持續發展;科技創新;挑戰
化學工程是研究化學工業及其相關產業生產過程中所進行的化學過程、物理過程及其所用設備的設計與操作和優化的共同規律的一門工程學科。化學工程領域涉及工藝開發、產品研制、過程設計、裝備強化、系統模擬、環境保護、生產管理、操作控制等內容。該領域包含無機與有機化工、精細化工、石油化工與煤炭化工、冶金化工、生物化工、環境化工、材料化工等行業。在社會發展與國民經濟建設中,化學工程領域具有重要作用,且化學工程與信息、材料、生物、能源、資源、航天、海洋等高新技術領域相互滲透,共同推動高新科技的發展。
1我國化學工程的發展歷程
化學工程在發展的過程中經歷了三個階段。第一個發展階段稱為“單元操作”[1],該階段的化學工程是一門共性化學工程學科,以各工業種類所需的單元設備或操作的共性規律為基礎;第二個發展階段稱為“傳遞原理和反應工程”[2],該階段總結出了不同的單元設備和操作中的共性現象———流動、傳熱、傳遞和反應,即“三傳一反”,第二階段是在第一階段基礎上進一步的知識深化;第二階段中,化學工程吸收了當時相關科學技術發展的新成果,強化了解決工業問題的能力,形成了模型化的方法論,進一步推動了化學工程在其他工業領域中的應用,第二階段“三傳一反”的相關研究引領了化學工程近半個世紀的發展。伴隨社會經濟的持續發展和工業技術的高速發展,化學工程的需求也在快速增長,特別是資源、能源利用與環境破壞問題的挑戰,使得化學工程的重要性進一步凸顯。然而,一方面化學工程的現有理論與方法已經愈發無法滿足當前工業工程應用與發展的需求;另一方面,一些高新技術的發展如納米科學、生命科學技術等也為化學工程未來深層次的發展創造了新的機遇。在此狀況下,化工界關于化學工程新的發展階段的討論越來越多。我國化工學者郭慕孫提出“三傳一反+X”[3],認為傳遞過程與反應工程的研究必須擴展到介觀尺度、微觀尺度范疇,并在探索多尺度轉變規律過程中不斷發展與更新(汪家鼎)[4]。復雜性科學的進步將有力推動化學工程的發展。為了滿足社會經濟發展對化學工程的需要,我們首先應當關注化學工程當前面臨的挑戰是什么?然后面對這些挑戰怎樣將其轉變為機遇。
2化工發展中面臨的挑戰
目前,在我國化學工程的發展中,第二階段的“三傳一反”依然是化學工程研究的主要內容,但化學工程的研究內容只有產生適應學科交叉融合和經濟需求的變革,才能繼續在社會發展中發揮重要作用。而在此變革過程中,我們面臨著多方位的挑戰。
2.1化學工程與環境的可持續發展
近二三百年來,隨著工業的飛速發展,資源的急劇消耗,環境也日趨惡化,在人口、資源、環境與社會經濟的發展上,出現了一系列矛盾。人類面臨著資源短缺、生存環境質量下降等現象,迫使人們在改造自然的同時要進行深刻的反思。人們不得不面對現實,努力建立與自然新型合作關系,走可持續發展道路,建立和諧的社會經濟發展的大環境。我國政府也制定了可持續發展戰略,采取了積極的措施來促進經濟的全面發展和生態環境的平衡。而化學工程是對環境中的各種資源進行化學處理和加工的生產過程,該生產過程產生的廢棄物部分有害、有毒,進入環境會造成污染。并且有的化工產品在使用過程中也會造成對環境的污染。因此化學工業對環境影響巨大,所以實施可持續發展對化工生產尤為重要。化學工程領域要積極探索新的方法減少化工生產過程中或產品對環境的危害。這是化學工程今年來面臨的一大挑戰。目前我國環境保護問題面臨著嚴峻挑戰,同時資源、能源的高效清潔利用問題也面臨著突出挑戰,因此,化學工程的研究對象將由以煤、石油、天然氣為代表的傳統不可再生能源向生物質能等新興可再生能源進行實質性的擴展。新興可再生能源應當具有環保性、成本低和宜于大規模利用等優點。隨著環境保護、氣候變化、能源清潔利用等問題越來越受到重視,各種資源的循環利用也將成為化學工程面臨的重要難題,化學工程必須重視并解決這一難題。今后,化工必須以重大需求作為牽引力,以解決能源、資源利用與環境保護的重大問題為目標(李成岳)[5]。
2.2化學工程與科技創新
傳統的化學工程對于“三傳一反”的研究難以突破常規化工過程的量化放大和調控這一瓶頸問題,更需面對高新技術,尤其是生物技術、納米技術和材料科學發展過程中遇到的新問題,因此其時空內涵和范圍必須深化和擴展。化學工程需要解決的大多數難題都具有多尺度結構特征,空間上跨越從原子、分子到設備、系統,甚至自然生態的尺度,時間上跨越秒、月到年甚至更大的尺度,之前的計算方法并不能在這樣的時空尺度中運算,更無法建立不同尺度之間的關系,因此認識不同層次結構與宏觀性能的關系十分困難,這是解決很多化學工程問題的瓶頸。我國目前的可持續發展戰略要求對化工產品進行全生命周期的設計,從產品研發開始就必須提前考慮以后整個周期中可能產生的生態環境效應和如何回收資源,這就需要大大擴展化學工程研究的時空范圍。化學工程必須樹立復雜性的觀念,進入復雜性科學[6]。由于當今很多新興領域在持續高速發展,而目前的化學工程理論與技術并不能滿足這些領域發展對于化工技術的需求,因此很多化工行業的企業在市場需求和經濟利益的推動下,采用了高能耗、高污染、高排放的生產模式。但如果長期忽視了化學工程相關知識的擴展和應用,忽視了化學工程學科自身的發展,長此以往,化學工程會失去發展的機遇,甚至可能在學科交叉與融合的進程中落伍。
3結論
關鍵詞:能源化學工程;培養目標;課程體系;人才培養模式
1能源化學工程專業的產生
隨著世界經濟的不斷發展,人類社會對能源的需求越來越多。能源問題成為21世紀人類面臨的最基本問題。長遠來看,在全世界范圍內,一次能源仍將占主要地位。但隨著時間的推移,一次能源逐漸消耗殆盡,煤、石油和天然氣等含碳能源的潔凈、高效利用,太陽能、風能、地熱能、生物質能、潮汐能等具有清潔、低碳、可再生等優勢的新能源的開發利用將成為未來世界經濟可持續發展的關鍵[1]。能源化學工程(EnergyChemicalEngineering)作為一個全新的專業應運而生。安徽理工大學化學工程學院化學工程系根據自身化學工程與工藝(煤化工方向)專業優勢,僅僅依托煤化工,但又不局限于煤化工,涵蓋燃料電池、生物質能、電化學、生物柴油、環境化工等豐富內容,于2011年新增加能源化學工程專業。關于能源化學工程專業本科生課程體系建構、人才培養模式正處于不斷探索和完善中。
2能源化學工程專業的培養目標
能源化學作為化學的一門重要分支學科,是掌握煤炭綜合利用,了解非煤礦物能源,普及新能源和可再生能源知識、實現能源科學利用和可持續發展的重要科學技術基礎。它利用化學與化工的理論與技術來解決能量轉換、能量儲存及能量傳輸問題,以更好地為人類經濟和社會生活服務。化學變化都伴隨著能量的變化,而能源的使用實質就是能量形式發生轉化的過程。能源化學因其化學反應直接或者通過化學制備材料技術間接實現能量的轉換與儲存[2-8]。能源化學工程屬于一個全新的專業,之前僅在化學工程與工藝專業里涵蓋過一點,主要關注怎么利用能源、對大自然造成較少的傷害。主要研究方向:能源清潔轉化、煤化工、環境催化、綠色合成、新能源利用與化學轉化環境化工。如今上升到一個全新的專業獨立出來,可見其重要程度。專業人才培養目標的制定應建立在對專業深入分析和了解的基礎上并結合國情、校情,能源化學工程專業人才培養目標也不例外[9-10]。考慮到安徽省淮南市是歷史悠久的煤炭城市,再結合安徽理工大學化學工程學院化學工程系專業的辦學特色,考慮專業發展與社會進步對人才的客觀、合理的要求。我們在制定本專業的培養目標時,強調“厚基礎、寬專業、高素質”,力求培養出具有良好科學素養、基礎扎實、知識面寬,同時具有創新精神和國際視野的高級專門應用型人才[11-12]。學生具有了扎實的化學化工基礎知識和能源化學工程專業知識就能夠快速適應涉及化學、化工、傳統和新能源加工等領域的相關工作。具備在煤炭行業、電力行業、石油石化行業、生物質轉化利用行業從事低碳能源清潔化、可再生能源利用以及能源高效轉化、化工用能評價等領域進行科學研究、生產設計和技術管理等工作。我們培養的畢業生工作領域包括:煤化工行業、天然氣化工行業、電廠化工綜合利用行業、生物質能源化工行業、固體廢物綜合處理行業、石油加工行業、石油化工行業、催化劑生產和研發行業。可以在這些行業從事設計、科學研究、技術管理等工作或繼續深造[13-16]。
3能源化學工程專業課程體系
除了公共基礎課程、學科專業必修課程,立足能源城淮南市,依托安徽理工大學化學工程學院化學工程系的特色開設特色專業核心課程(如,能源化工導論、化學反應工程、化工熱力學、化工分離工程、煤化學、工業催化I、能源化工工藝學、化工過程分析與合成、化工過程控制、化工設計基礎)以及特色專業任選課(如,煤氣化工藝學、煤基合成燃料、生物質能源及化工、燃燒工程、燃料電池、現代儀器分析、電化學工程、膜科學技術過程與原理、基本有機化工工藝、廢棄物處理與資源化、環境化工、化工專業英語)。此外專業實踐模塊本系能源化學工程專業開設的專業基礎實驗-《煤化學及工藝學實驗》,包含實驗項目:煤樣的制備、煤樣的粒度分析、煤樣堆積密度的測定;煤中水分、灰分、揮發分產率的測定及固定碳的計算;煤中硫元素的測定;煤的發熱量測定;煤中碳氫元素的分析;煤氣成分分析;煙煤坩堝膨脹序數的測定;煙煤奧亞膨脹度的測定;煤的粘結性指數的測定;煤灰熔融性的測定。這些實驗項目以煤化工為特色,厚基礎理論,意在培養學生扎實的理論基礎。開設的專業實驗-《能源化工專業實驗》,包含實驗項目:煤樣的XRD分析;煤的熱重分析;水煤漿的制備和性能評價;油品的常壓蒸餾;生物柴油制備及性能評價;石油產品的性能測定1;石油產品的性能測定2;電化學-燃料電池電化學性質的測定;電化學-質子交換膜電化學性質的測定。這些實驗項目不限于煤化工,設計生物柴油,電化學,燃料電池等,重在拓展知識面,培養寬專業,高素質人才。
4能源化學工程專業建設中存在的問題
安徽理工大學化學工程學院化學工程系根據自身化學工程與工藝(煤化工方向)專業優勢,開設能源化學工程專業,經過這些年的不斷摸索,至今已有一屆畢業生,通過學生反饋,在專業建設上仍有一些不足:
(1)專業實踐教學條件有待改善。就當前現狀來看,本專業實驗條件還相對落后,缺少大型分析儀器和設備,實驗室建設相對滯后,現有實驗器材臺數還不能很好滿足學生分組實驗要求。
(2)師資隊伍建設還需進一步加強。由于本專業辦學歷史較短,師資力量相對不足,專業結構也不近合理,一批青年教師還需逐漸成長,缺乏高水平科研項目和教學研究成果。
(3)部分課程設置不盡合理,同時,專業基礎課、專業課開課的先后順序還需進一步調整和完善。對于新開設的課程,有的授課教師對內容不太熟練,有必要加強教師的授課水平,有條件的話可以走出去,加強與兄弟院校和科研院所的交流合作。
(4)校外實習基地建設有待加強。現有實習基地以煤化工企業為主,與能源化學工程專業培養目標中強調的“寬專業”背景還有一定差距[17]。以煤化工行業為背景的院校能源化學工程專業建設是一個不斷發展的過程。在開設該專業時仍需明確方向,吸收、借鑒相關院校辦學經驗,不斷摸索、改進、完善專業建設。不僅要辦出自身專業特色,還要進一步解放思想,緊跟經濟社會發展需要,培養出適應經濟社會發展的高素質應用型人才。截止到目前為止,安徽理工大學能源化學工程專業建設經費陸續到位,新進大型設備招投標已完成,等待供貨、安裝調試。專業教師也正忙于實驗室和實訓基地的規劃設計。結合應用型人才培養目標,學院領導帶領專業教師通過廣泛調研,集眾家之長,具有專業特色的實踐教學基地也逐步落實到位。相信安徽理工大學能源化學工程專業的明天會更加光輝燦爛。
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當代化學工業對化學化工類人才的培養提出了更高的要求。如何培養基礎理論知識扎實、工作適應性強、具有創新能力的人才,是綜合性大學化學化工教學改革面臨的重要課題。目前,綜合性大學化學與應用化學專業每年都有相當一部分畢業生進入化學、化工和制藥等企事業單位業從事研究開發或工程技術工作,這種趨勢還會隨著創新性國家的建設而逐年增長。化學工程基礎是綜合性大學化學專業的專業基礎課,也是唯一的一門工程技術類課程,該課程的教學改革與實踐對于理工學科交叉與學生綜合素質的培養是綜合性大學化學與應用化學專業其他課程所不能替代的。在充分發揮綜合性大學基礎理論研究優勢的同時,通過對理科專業化學工程基礎課程教學內容的更新、充實和調整,為化工類企事業單位培養和造就具有開拓創新精神、勝任科學研究與工程技術工作、適應性強的化學化工專業人才。
二、教學內容與教學方法的優化
以創新教育思想為指導,研究改革化學工程基礎課程教學內容和教學方法,建立培養學生創新能力的化學工程基礎課程內容新體系。動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞與化學反應工程(“三傳一反”)仍將是化學工程基礎教學的核心內容,應不斷充實更新才能反映學科發展現狀和適應社會經濟需求。化學和化學工程學是支撐物質轉化相關工業的學科,前者研究分子之間發生反應的可能性、必要的條件和產物的結構,后者研究物質的流動、質能傳遞及其對反應過程與產物的影響。
1.優化更新教學內容,反映體現學科發展與技術進步。化學工程基礎作為理科化學專業的工程技術課程,其教學內容除了動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞與化學反應工程以外,還應當及時反映和體現學科的發展與技術進步。根據授課學時,突出教學重點,優化教學計劃,精選教學內容。以化學工程學的基本觀點、基本原理和基本方法為核心,結合典型化工過程,理論聯系實際,使學生在有限的教學學時內,掌握本門課程的基本知識,熟悉研究與應用對象,為今后從事化學化工專業技術工作打下堅實基礎。在其他科學技術的帶動和社會需求的推動下,化工分離技術近年來取得了很大進步。新技術不斷涌現,膜分離和超臨界流體萃取等新型分離技術就是其中的代表。我們在教材的編寫和課堂教學中,有意識地加入這些內容,便于學生從課堂上了解新的科學知識,拓寬學術視野。
2.引導學生建立工程技術與技術經濟觀點,提高學生綜合素質。科學與技術的交叉和滲透,要求我們培養的學生不僅要掌握扎實的基礎理論知識,還要學會運用所學的理論解決工程實際問題。綜合性大學理科化學專業的學生基礎理論知識比較扎實,在課堂教學中,我們根據教學內容,結合工程實際,啟發學生從工程實際問題出發,強調工程實際的特點,突出工程實踐的技術經濟問題,灌輸學生節能減排與綠色環保的理念,訓練學生綜合運用數學、物理與化學等多學科知識,綜合分析化工單元操作與工業裝置中涉及的復雜問題,培養學生的工程技術思維方法與工程設計等綜合素質。
3.改進教學方法,提高教學效率。化學工程基礎課程的課堂教學內容涉及化工單元操作與工藝過程。綜合性大學化學專業的學生一般沒有見過真實的化工設備,對化工廠與化工設備和裝置缺乏感性認識,通過多媒體教學技術和傳統課堂教學方法,可以促進學生感知與思維、理論與實踐的結合,提高學生對化學工程基礎的學習興趣,激發他們的學習熱情,使他們由不熟悉、不了解化工企業與裝置轉變為喜歡應用學科、樂于進入與應用密切相關的教師實驗室開展業余科研。為此,我們一方面利用多媒體的優點,在課堂教學中放映一些設備的實物圖像。另一方面,在有關課程中增加了實習參觀環節,組織學生到石油化工廠、有機化工廠和精細化工廠等企業參觀實習,增強學生對加熱爐、精餾塔、泵、換熱器等主要化工設備的感性認識。
三、教學團隊與課程體系的建設
以先進的教學理念為先導,以高水平的教學團隊為根本,以科學的課程新體系為核心,以優良的規劃教材為保障,強化教學團隊的建設,使所有主講教師成為教學改革的高水平運動員和創新教育的優秀教練員。
1.建設高水平教學團隊。從事課堂和實驗教學的主講教師也要承擔高水平的科研項目,提高教師的科研水平。我們承擔“化學工程基礎”的主講教師都具有教授職稱并擔任博士生導師,承擔了一些科學研究項目。同時,也積極思考和實踐課程的教學改革,奠定了學生創新能力培養的堅實基礎。沒有高水平的教學團隊,不可能進行教學改革的實踐,更不可能培養出具有創新精神的學生。
《化學工程基礎》課程是一門工程學科,要求學生要具有良好的數學、物理基礎,思維嚴密,邏輯性強,并具備良好的綜合分析能力,因而學習難度較大[1];另外《化學工程基礎》也是一門實踐性很強的課程,學生在接觸本課程前,基本上是沒有接觸過化工生產實際的,對設備和生產流程缺少感性認識。雖然有課程實習,但由于實習學時和實習經費的制約,不可能去很多企業參觀學習,一個企業也不可能包含所有的單元操作,從而使學生對化學工程的認識缺乏[2]。對此,為了提高教學質量,達到較好的教學效果,本文將從以下幾個方面談談自己的一些體會。
1合理安排教學內容
《化學工程基礎》課程包括三部分內容:化工單元操作、基本反應器和典型化學工藝,濃縮了化工學科中化工原理、化學反應工程和化學工藝學3大課程的基本知識。內容繁多,涉及的知識面廣,而教學學時數有限(50學時),內容與時間之間產生了矛盾。另外農業院校的學生學習工科課程有一定的難度[3],而且從學生考研究生角度來看,大多數學校相關專業的研究生入學考試不考化工基礎而是考化工原理。為此我們對教學內容進行了一定的調整,達到少而精的目的,我們在教學中重點講解化工單元操作內容:如流體流動與輸送、傳熱、吸收、精餾等,而這些單元操作恰恰又是學生考研的主要內容。
同時,對于一些主要本文由收集整理內容,我們還會安排專門的習題、例題討論課,還會給學生布置一些課后作業,通過做習題可以使學生牢固地掌握基本概念、基本定理和基本計算,同時通過習題還可以了解和解決生產實際中可能遇到的一些問題,包括設計性和操作型問題。
2豐富教學手段
對于《化工基礎》課程的課堂教學環節,考慮到這是一門實踐性很強的課程,如果還采用“書本加黑板”的傳統教學方法,就會導致教學效率不高,教學效果欠佳。為此,我們在課堂教學過程中,采用多媒體教學,大量引用圖片、設備模型、投影、動畫等直觀教學方式,幫助學生深人理解單元操作過程的原理,形象直觀地了解和掌握設備原理與結構,既培養學生的學習興趣,又加深學生的理解和記憶。每一章內容在講授前會先讓學生了解本章的主要內容,讓大家先做到心中有數,然后再展開具體的介紹,而在每一章內容講解完以后,又會與學生一起共同討論總結,引導同學們在理解的基礎上活記,抓住事物的內在聯系進行比較記憶。為了避免給學生造成這門課程知識離散、內容支離破碎、雜亂而不成體系的現象,在教學中加強各章、節內容之間的銜接,同時也指出其差異。
另外,我們在教學的過程中不忘聯系生活實際,采用聯想教學的手段。我們根據所學內容,巧取生活中的素材進行聯想,把學生引入到實際生活中去,培養學生用化學的眼光來觀察世界,用化學科學來實踐生活,在生活實際中學習知識[4]。事實證明,在教學中聯想生活常識,無形當中就拉近了課本知識與實踐的距離,讓學生真正認識到了知識的重要性。通過聯想生活常識教學,不僅使學生掌握了理論知識,而且培養了學生運用知識的能力,同時也培養了學生的創新思維能力[5]。
3創新實習方式
對于化工生產企業來說,為了確保生產的正常運行,一般不允許學生在較短的實習期間內進行實際操作。在很多情況下學生是以參觀與聽課的形式學習,也就導致了很多學生會出現走馬觀花,應付了事的實習態度,實習效果不好。這樣一來,學生感到乏味,缺乏積極性和主動性,實習質量不高。對此,我們在安排學生去工廠實習之前,先安排他們到一個中試基地(目前已經不再作為中試基地使用了,僅供學生實習使用)去體驗,讓學生親自嘗試一些簡單的操作,這樣學生就有了一定的感性認識,使其動手能力和應變能力得到一定程度的鍛煉和提高。
另外,我們還利用一些仿真軟件幫助學生在實習之前將理論知識和生產實際聯系起來,學生一旦真正到了生產現場,就會很快適應生產環境,進入學習狀態,學生對實習的積極性和主動性也就明顯提高了。
4結束語
關鍵詞:化學工程技術;化學生產;應用
中圖分類號:C35 文獻標識碼: A
引言
近幾年,由于我國科學技術水平的進步,自動化技術的應用在各行各業中逐步擴散起來,比如化學工程技術在化學生產中的應用也逐漸受到人們的關注,化學工程行業關系著人們的日常生活,影響著其他行業的發展,所以對在化學生產過程中的應用進行研究探析,是十分有必要的實時話題。
化學工程是一門將一系列化學有關的知識進行深研究的化學或物理過程的知識學科,它還包括對原有化學設備進行改革,以化學思想為基礎將理論和實際工程知識糅合。具體工作可包括研發新產品、設計、模擬、操作實驗來強化裝備等硬件設施。化學工程領域包括范圍廣泛,其中有機化學、無機化學、石油化工等領域,因此化學工程是國民經濟建設從而推動社會進步重要的工程領域。目前化學工程技術的發展方向是逐漸趨向連續化、集約化、自動化、高效化和自動化、精密化。由于化學工程技術被廣泛運用到生活領域所以對其的研究是十分有必要的。
一、化學工程技術的概述
化學工程技術主要研究化學生產過程中產品的研究開發,同時也需要設計和管理反應裝置,因此它是一門集合理論和實際操作的綜合性技術。在化學生產中運用化學工程生產技術,可以顯著提高生產效率,縮短生產時間,同時還可以大幅提高產品的質量,減少成本和原材料的消耗,對于產品的開發以及技術的改進都具有非常重要的作用。
近幾年我國的科學水平不斷進步,化學工程技術越來越來越廣泛地被應用在化學生產中。化學生產關系著全社會對化工產品的需求,也影響著我國其他產業的生產發展。化學工程技術在化學生產中的應用十分必要,對于維持人們的正常生活和社會的穩定都有重要作用,因此,其應用也越來越受到人們的重視[1]。
二、化工生產的分析
第三產業主要包括,一些機械行業,化工行業,煤炭行業等。所謂的化工行業,成為第三產業的重要組成部分。化工行業有效促進中國農業產業化的快速發展,進一步的滿足人民群眾的生產和生活的需求。化學肥料有效的保障了國內的農業發展,化學肥料是目前中國農業應用中較廣生產資料。然而,化學肥料的生產會造成較大污染程度廢水的排放,而泥土與化學肥料在接觸中也不可避免地產生化學廢物,化學肥料已成為在本質上的污染來源之一。從中國目前的化工生產裝置的分析,一般都以環境為代價進行化工生產。具體分析如下,化學工業在中國的發展程度并不算高,這一現象主要體現在生產效率上,這就使得化學生產有著顯著的缺點。
三、化學工程技術在化學生產中的應用探究
1、綠色化學反應技術
環境問題在當今社會的發展中顯得尤為重要,而綠色化學就是指不會污染環境的,甚至在某一方面可以起到保護環境作用的一門化學技術[3]。這種技術主要采用化學方法和技術來減少甚至消除潛在的污染源,比如那些有礙社會安全、損害人類健康、影響生態環境的原材料都可以通過這種技術加以治理或改善,從而減少對環境的污染以致達到保護環境的目的。而且,綠色化學技術可以將污染從源頭上就加以消除和治理,因此,對環境治理可以非常徹底。此外,有些綠色化學技術還可以生產出對環境有利的材料,實現資源的回收再利用等,對于保護環境具有重要意義。
2、超臨界的化學反應技術
所謂的超臨界反應是指反應過程中的溫度和壓力都處在臨界點之上,這樣的狀態往往是介于液體和氣體之間。而超臨界流體就是指具有液體和氣體雙重性質的物質。這種超臨界流體的應用十分廣泛,在生物化工、化學工業、醫藥工業以及食品工業等表現出巨大的研究價值,具有十分光明的發展前景。雖然目前我國的超臨界化學技術已經取得了巨大的進步,但近年來這一技術的探究和發展階段仍處于初級階段,待進一步深入研究。
3、新分離技術
在化工生產中,傳統的分離技術是利用沸點的不同,使不同的組分從分離塔中先后被分離出來。隨著科學水平的進步,分離技術也在不斷地更新和改進,但是仍然存在很多不足的地方。而信息技術的發展,給分離技術帶來了一個嶄新的局面,人們將信息技術引進到分離技術的開發研究中,取得了非常明顯的進步。比如在熱力學的傳遞性質和多相流的研究過程中,就是引入信息技術,并使之發揮功效,進而達到分離的目的,此方法已經成為成熟的分離技術。再如分子模擬可以提高預測平衡性質的水平,進而加速分離分子,可以用于開發新型的高效分離劑。因此,信息技術的引入對于深入和促進分離技術的深入具有重要作用,并且還能顯著提高工作效率[4]。
四、傳熱過程新的研究發展方向
1、傳熱學中細微尺度的研究進展
細微尺度是指從時間尺度和空間尺度兩方面進行更細微的研究的熱學范疇,如今它在熱學中已經形成了一個獨立的分支,并且具有十分廣闊的發展前景。當一個物體的尺寸遠大于其載體的時候,這樣的情況會存在,但是由于尺寸的更加細微,原來的假設影響因素也會發生相應變化。目前納米技術的成功就是細微尺寸研究領域一個典型的代表。很多領域都是圍繞傳熱學中的細微尺度技術進行研究的,近年來取得了高集成電路、多空介質流等新成果,產生了巨大的經濟效益。
2、傳熱設備的研究
近些年來,利用翹片來強化傳熱的研究已經越來越被重視。管外的翹片強化傳熱原理包括有前緣效應和非穩定性擾動以及減薄邊界層等幾種。將來對此的研究應廣泛集中在將分布參數和場地模擬相結合,從而來優化傳熱裝置結構的參數,實現管翹式的傳熱設計。
3、與計算機技術的相結合
計算機技術的不斷進步使得化學中大量的技術問題能夠得到有效的解決。同時節約了大量的人力物力財力,也增加了數據和相關機械的精密度。計算機的主要貢獻表現在計算流體力學、數值傳熱力學、采用計算機技術進行統計、計算有利于將數據更直觀的表現出來,表現形式更加多樣化,能夠有效分析大量實驗數據[5]。
五、化學工程學科未來的發展動態
科學的進步使得大量新的技術和產品能源不斷涌現,并且在先進技術的引導下得到了廣泛的應用,這就給化學工程的研究提出了新的問題,那就是如何為新的產業的形成和發展提供良好的服務并不斷地形成新的完整的理論。化學工程的發展就此將進入一個新的發展階段。化學工程學科肩負著解決能源、資源、農業生產、環境、材料等方面重大發展問題的重任,同時受生物技術、納米技術、空間技術、信息技術等新興學科飛速發展的影響[6],化學工程學科范疇、內涵和學科方法論正處在快速更新和發展中,其發展趨勢可以簡述為在學科研究的方法上更多的注重學科的交叉,更多的研究材料其中包含信息和化學、生物與化學、能源與化學、環境與化學相結合的工程學科,這些都為化學工程的發展提出了新的發展方向和研究課題,更為化學工業的發展做了良好的鋪墊。
六、結束語
化學工程技術是一門主要研究化工生產過程中研究和開發以及過程裝置的設計、制造和管理的綜合性技術。化學工程技術在化學生產中具有非常重要的作用,其應用大大提高了生產效率,節約了能源和原材料,而且還提高了產品的質量。化工技術與其他學科的交叉應用更可以滿足當前經濟環境下的各種需求,同時更好地適應社會的發展規律,為滿足人們的日常需求和社會穩定作出了重大貢獻。
參考文獻
[1] 張楊.淺談化學工程技術在化學生產中的應用[J].科技創新與應用,2014(08):291.
[2]徐興雨. 化學工程技術的熱點分析與發展趨勢[J]. 赤峰學院學報(自然科學版),2013,10:8-9.
[3]于賀. 論綠色化學工程與工藝對化學工業節能的促進作用[J]. 科技與企業,2013,05:132.
[4] 李積云. 化學工程中化工生產的工藝解析[J]. 中國石油和化工標準與質量,2013,02:22.
1合理安排教學內容
《化學工程基礎》課程包括三部分內容:化工單元操作、基本反應器和典型化學工藝,濃縮了化工學科中化工原理、化學反應工程和化學工藝學3大課程的基本知識。內容繁多,涉及的知識面廣,而教學學時數有限(50學時),內容與時間之間產生了矛盾。另外農業院校的學生學習工科課程有一定的難度[3],而且從學生考研究生角度來看,大多數學校相關專業的研究生入學考試不考化工基礎而是考化工原理。為此我們對教學內容進行了一定的調整,達到少而精的目的,我們在教學中重點講解化工單元操作內容:如流體流動與輸送、傳熱、吸收、精餾等,而這些單元操作恰恰又是學生考研的主要內容。
同時,對于一些主要內容,我們還會安排專門的習題、例題討論課,還會給學生布置一些課后作業,通過做習題可以使學生牢固地掌握基本概念、基本定理和基本計算,同時通過習題還可以了解和解決生產實際中可能遇到的一些問題,包括設計性和操作型問題。
2豐富教學手段
對于《化工基礎》課程的課堂教學環節,考慮到這是一門實踐性很強的課程,如果還采用“書本加黑板”的傳統教學方法,就會導致教學效率不高,教學效果欠佳。為此,我們在課堂教學過程中,采用多媒體教學,大量引用圖片、設備模型、投影、動畫等直觀教學方式,幫助學生深人理解單元操作過程的原理,形象直觀地了解和掌握設備原理與結構,既培養學生的學習興趣,又加深學生的理解和記憶。每一章內容在講授前會先讓學生了解本章的主要內容,讓大家先做到心中有數,然后再展開具體的介紹,而在每一章內容講解完以后,又會與學生一起共同討論總結,引導同學們在理解的基礎上活記,抓住事物的內在聯系進行比較記憶。為了避免給學生造成這門課程知識離散、內容支離破碎、雜亂而不成體系的現象,在教學中加強各章、節內容之間的銜接,同時也指出其差異。
另外,我們在教學的過程中不忘聯系生活實際,采用聯想教學的手段。我們根據所學內容,巧取生活中的素材進行聯想,把學生引入到實際生活中去,培養學生用化學的眼光來觀察世界,用化學科學來實踐生活,在生活實際中學習知識[4]。事實證明,在教學中聯想生活常識,無形當中就拉近了課本知識與實踐的距離,讓學生真正認識到了知識的重要性。通過聯想生活常識教學,不僅使學生掌握了理論知識,而且培養了學生運用知識的能力,同時也培養了學生的創新思維能力[5]。
3創新實習方式
對于化工生產企業來說,為了確保生產的正常運行,一般不允許學生在較短的實習期間內進行實際操作。在很多情況下學生是以參觀與聽課的形式學習,也就導致了很多學生會出現走馬觀花,應付了事的實習態度,實習效果不好。這樣一來,學生感到乏味,缺乏積極性和主動性,實習質量不高。對此,我們在安排學生去工廠實習之前,先安排他們到一個中試基地(目前已經不再作為中試基地使用了,僅供學生實習使用)去體驗,讓學生親自嘗試一些簡單的操作,這樣學生就有了一定的感性認識,使其動手能力和應變能力得到一定程度的鍛煉和提高。
另外,我們還利用一些仿真軟件幫助學生在實習之前將理論知識和生產實際聯系起來,學生一旦真正到了生產現場,就會很快適應生產環境,進入學習狀態,學生對實習的積極性和主動性也就明顯提高了。
經過調查統計,我國共有100多所高校招有化學工程與技術專業碩士研究生,該專業研究方向過多,一個專業出現87個研究方向。研究方向的劃分有的甚至是跨學科的。如化學工程與技術專業是屬于工學的,應用化學專業是屬于理學,可應用化學居然是化學工程與技術專業的一個研究方向。同屬于一個研究方向,研究方向的名稱也是多樣化的,缺乏統一標準,如安徽大學、南昌大學的綠色化學工程,上海大學就稱為綠色化學與工藝。為了解決上述問題,我們請教了化工領域的專家,給這87個研究方向做一個歸類,分為9個大的方向(表1)。由表1可以發現我國化學工程與技術專業是存在學科集群現象的,表現在:專業的學科建設,已經不單是化學工程的問題,而涉及到了化學化工研究的所有領域,包括應用化學、環境化工、工業催化、資源與材料工程、新能源技術、生物工程與技術、過程系統工程、油氣加工及石油化工等。我國化學工程與技術專業學科集群的力度較大,表現在:各個高校的研究方向基本上都比較多,如清華大學、中國礦業大學、北京工業大學、北京理工大學、華南理工大學、華東理工大學、上海大學等高校,其研究方向都是傳統與現代并存,傳統化學化工的研究方向所占比例較大,如化學工程,包含的研究方向較多。部分代表21世紀化學化工發展方向的研究方向,在很多學校都受到重視,如資源與材料工程,研究方向也比較多。
二、化學工程與技術專業學科集群的創新及競爭優勢
本文選擇山西省高校做研究,分析其師資力量情況,以分析化學工程與技術專業集群的創新及競爭優勢。山西省作為我國化工3大生產基地,化學化工產業是山西省的支柱產業,化學化工專業是山西省高校、特別是工科院校的學科優勢之一。選擇山西大學、中北大學、太原理工大學的化學化工學院為樣本(見表2),按照前文對學科集群的認識,這些學院都有9個以上相關專業和研究方向,已經形成了一定的學科集群規模。其中論文指該學院教師被SCI、EI、ISTP3大檢索刊物收錄的論文數。中北大學的數據包含了CA論文。山西大學的數據不包括ISTP論文。專著指該學院教師出版的學術專著數,不包括教材。項目及獎項指該學院教師申請的省部級以上項目、經費及省部級以上獎項。發明專利指:該學院教師申請并且授權的發明專利。3所高校的化學化工學院擁有一定數量的教授和博士生導師,博士學位的教師也占到了較大比例。3所學院教師的科研成果也較為可觀,被3大檢索刊物收錄的論文數量較多,出版了一定數量的專著,申請了一定數量的國家自然科學基金項目。山西大學化學化工學院承擔了國家自然科學基金的重大攻關項目,以及“863”項目,甚至獲得了國家科技進步獎和國家技術發明獎二等獎各1項。中北大學化學與環境學院承擔過“973”項目,獲得過國家技術發明二等獎1項,三等獎2項,國防科學技術一等獎2項。中北大學和山西大學還擁有發明專利十幾項。從師資力量來看,應該說學科集群讓山西省高校化學化工領域的創新取得了一定的成就,使得山西省高校化學化工專業在全國具有了一定的競爭優勢和影響力。
三、化學工程與技術專業學科集群的協同創新模式
山西大學至今已與國內20余所高校、科研院所建立了學術交流與合作關系;與日本巖手大學、香港浸會大學等國家和地區的高校及科研單位簽訂協議,開展交流。在校企合作方面,與山西三維集團股份有限公司、太原鋼鐵(集團)公司、天脊集團等大型企業,在產品研發、崗位培訓等多方面進行了良好的合作。太原理工大學與山西化工研究所建立了山西省化學工程技術中心,還與山西焦化集團公司等6個企業建立了長期穩定的產學研合作關系。中北大學安全工程系與航天一院、航天三院、北京理工大學、南京理工大學、第二炮兵工程學院、西安近代化學研究所等科研機構和相關生產企業進行了卓有成效的科研項目合作。從產學研合作角度來看,三所高校都與國內外相關院校、科研院所和企業建立了良好的產學研合作關系。從企業合作的視角來看,在研發方面,與山西省的產業集群密切相關,合作領域主要為新能源技術、環境化工、生物工程與技術。3所高校的化學工程與技術學科集群與山西省的產業集群具有一定的協同關系,構建了學科集群與產業集群協同創新的模式,圍繞著山西省的產業特色,為山西省地方經濟服務。
四、我國化學工程與技術專業集群的路徑
從以上3所高校的情況來看,基本上已經完成了單個高校某個學科的集群,在3所高校內部相關專業之間建立了學科集群,集群的方式是建立化學化工學院,統籌化學化工各個專業,從多學科、多專業、多研究方向的角度,進行學科集群。關于區域性學科集群,即單個高校與該高校所在地高校、研究所和企業之間的集群,3所高校都作出了一定的努力,也取得了一定的實效。集群的方式是產學研合作,與山西省高校、科研院所和企業建立合作關系,從而服務地方經濟。關于跨區域性學科集群,即單個高校與該高校所在地之外高校、研究所和企業之間的集群,中北大學有一定的建樹,卻沒有進一步深入。中北大學之所以能夠有一定建樹的原因是該校原來是部屬院校,與其他部屬院校具有一定的合作關系。因此,中北大學的跨區域學科集群,僅僅局限于與兄弟院校的合作,還沒有進一步深入到與其他省份企業的合作上。