以大工程观的视角建设现代化工实验教学示范中心——专访常州大学现代化工实验教学示范中心主任陈群

中国教育装备采购网2014-04-14 14:42围观990次我要分享

  陈群,研究员,博导,常州大学现代化工实验教学中心主任。国务院特殊津贴获得者,全国先进教育工作者,江苏省有突出贡献的中青年专家,江苏省“333工程”科技领军人才,江苏省化学工程与技术优势学科带头人。江苏省化学化工学会第十届理事会理事,中国化工学会精细化工专业委员会委员,江苏省化工学会精细化工专业委员会委员,江苏省环境科学学会环境治理专业技术委员会委员,《离子交换与吸附》《化工进展》《化工新型材料》《江苏安全生产》等杂志编委会委员,常州市政府安全生产委员会专家组专家,常州市经贸委科技专家。担任国家级特色专业化学工程与工艺专业负责人,国家级化工虚拟仿真实验教学示范中心主任,江苏省优秀教学团队化学工程与工艺专业教学团队负责人,江苏省科技创新团队负责人。

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  主讲精细有机合成工艺、绿色化工、创新与方法等课程,近年获江苏省教学成果一等奖2项、二等奖1项。承担或完成省部级等各类科技开发项目26项,申请发明专利40余项,发表学术论文147篇,出版著作5部。获国家科技进步二等奖1项,江苏省科技进步一等奖2项,中石化科技进步三等奖和国家教委科技进步三等奖各1项。

  常州大学现代化工实验教学中心成立于2006年,是在学校实验室建设管理“中心化”进程中,整合了分析测试、基础化工、化学工程、化工过程、化工工艺等教学科研资源建成的。中心建成不久,就因其工程化特色,集约、集成、共享的先进建设理念,于2007年被遴选为“江苏省实验教学示范中心建设点”,2009年以优秀成绩通过省级验收,并被评为“国家级石油化工国际化工程人才培养模式创新实验区”,2013年成为“国家级实验教学示范中心建设单位”。

  中心现有教师64人,其中正高职称占比58%,青年教师中硕士以上学历占比91%,87%以上教师具有工程实践经历及背景,3名教师获化工注册工程师资格。

  中心现有实验室面积14 000平方米,固定资产总值7 700万元,设备3 200台套,10万元以上设备220台。下设化工原理实验室、反应工程实验室、分离工程实验室、化工工艺实验室、化工计算与模拟实验室、啤酒中试车间实验室、精细化学品合成中试车间、分析测试实验平台、液相色谱开放实验室、气相色谱开放实验室、石化工业展馆、创新实验室等,承担了学校6个学院、23个专业的22门实验及实训、创新等教学任务,年均承担17万人次的教学,还向周边高校、企业及中学提供开放实习、技术服务、员工培训及参观体验等,年均接待2 000余人次。

  理念先行,建设有思路

  当今社会急需怎样的化工人才?与一些发达国家的高等教育进行横向比较,我们的距离在哪里?与高等教育大众化之前的中国高等教育进行纵向比较,明显的差异在哪里?学校发展历程中最鲜明的特点是什么?基于对这些问题的思考,常州大学在建设化工实验教学中心的过程中始终遵循着一个明确的理念—“大工程观”。

  近3年,围绕化工专业工程教育,中心教师承担了“构复合型人才培养体系,建立体化实验实训中心,育创新型卓越工程人才”“基于CDIO与‘卓越工程师教育培养计划’的石油化工卓越人才培养的研究与实践”等4项省级教改课题,“与IchemE接轨的化学工程与工艺专业培养体系的研究与实践”“现代化工实验创新模式的研究与实践”等17项校级教改课题。中心以平台建设为主要内容的教学研究工作获6项省级教学成果奖,在《中国高等教育》等杂志上发表教学研究论文39篇。

  仪器装备,自制有特色

  为了践行化工教育“大工程观”理念,中心将仿真技术、数字化在线检测显示技术、控制技术和多媒体交互技术引入实验装置开发中,研制了DCS控制填料精馏塔、填料吸收塔、流体流动—输送机械—传热综合实验平台、洞道干燥、板框过滤、固定床微型反应器、MCGS组态控制筛板精馏塔、MCGS组态控制转盘萃取塔、mini plant等40余套实验装置,所有装置均由教师设计、指导制作、安装和调试。这些装置汇集了国内外化工实验装置先进装备技术,融入了较新科技发展和教师的科研成果,具有多功能化、集成化、数字化、自动化和中型化等特色,受到了闵恩泽、金涌、袁渭康等院士的好评,前来中心进行专题交流的国内外高校有100余所。其中,“DCS控制液体流动—输送—传热—精馏综合实验平台”获“首届全国高等学校自制教学仪器设备优秀成果奖”。


图1 自制药物中间体合成mini Plant

  虚实结合,装置有互补

  一系列工程化特色鲜明的中型实验装置建成后,应用于实验及实习教学中,一定程度上加大了学生工程实践能力的培养,然而仍然没有真正破解“实习动手难”的难题。由于化工装置存在自动化程度高、危险性高等原因,化工专业学生进入企业实习时,比其他专业的学生更加难以获得实际的动手机会,“实习动手难”的问题尤为突出。

  为了解决这一难题,中心提出了“化工单元装置以‘实’为主,以‘虚’为辅;全流程生产装置以‘虚’为主”的进一步建设思路。2010年,中心以自制的40余套实体装置为原形,开发“网上3D实验室”,将这40余套装置在网络共享,实现了远程实验、远程预习指导、在线成绩生成、教学视频浏览、实验报告上传、人机互动等功能,同时开始探索3D仿真软件的开发。2012~2013年,中心先后建成了“常减压3D仿真软件”“甲醇合成与精制3D仿真软件”(第一产权单位),率先在全国化工类高校中建成“化工3D虚拟仿真实验教学中心”。2013年5月,中心实现了“甲醇合成与精制3D仿真软件”的远程登录、广域网运行,标志着化工3D软件的全球共享。2014年,该虚拟中心被评为首批“国家级虚拟仿真实验教学示范中心”。


图2 化工虚拟仿真实验中心场景(模拟外操)

图3 化工虚拟仿真实验中心场景(模拟内操)

  实验改革,内涵有提升

  在自制工程化装备及虚拟仿真软件的基础上,中心将所有实验项目优化调整为综合型、设计型实验,包括将以往认为只能是验证型实验的项目,也改造为综合型实验,有力地支撑了学生知识应用能力、工程实践能力、科技创新能力的培养。具体的做法是:

  (1)全流程自制中试装置很好地满足了工程性训练要求。由于自制的设备规模均采用小型工业化设备尺寸,过程原理、控制方式、测试方法均来自实际工业过程,学生可在校内进行两类工程性训练。一是进行工业化中试规模生产实训:从原料纯化、流程匹配、操作参数优化、开停车调试、分析方法建立、化工仪表控制,到设备清洗与检修等生产各环节进行全面训练,让学生熟悉原料与产品性能、反应原理、生产过程、流程组织、主要设备基本原理,懂得有关机、电、仪、分析方面的基本知识,体会现代化化工生产的特点。二是参与指导教师研究课题,进行工程性放大研究实验:以小试结果为基础,进行中试放大数据采集、数据处理、宏观动力学数学模型建立、基础设计,为工程设计奠定基础,让学生体会化工过程开发与工程放大的全过程,真正提高学生的工程能力。

  (2)在验证型实验中增加流程模拟软件Aspen Plus的使用。在原为验证型基础数据测试实验中,在学生完成实验数据点的测试与结果计算后,要求学生再利用理论课程中涉及的Aspen Plus软件,模拟计算相应的数据,与实际实验得出的数据相比较,再查阅相关文献资料,最后对三条途径得出的数据进行综合误差分析。例如:在“二元气—液平衡数据的测定”实验中,要求学生用三点实验数据以Aspen plus对气液平衡数据进行回归,拓展了学生数据处理的思路,也进一步增强了学生对以往所学知识的运用能力。

  (3)在综合型实验中增加工程设计内容。中心把工程设计内容引入到实验教学中,打破以往实验教学的局限。例如,在“乙苯脱氢制苯乙烯工艺实验”中,要求学生将实验得到的混合物作为原料,延伸设计乙苯、苯乙烯的精馏分离,并绘制简单的流程示意图及物料流程图。

  开放运行,自主学习有平台

  中心自2006年以来,始终坚持开放式教学。在实验项目中,既可以由中心提供选题(主要为选修实验、实习项目),也可以由学生自带课题,中心为学生提供技术指导、场地支持,构建“以学生为主体、以能力培养为核心、以挖掘学生潜力为宗旨的学生自主学习和实验”的开放实验教学管理运行机制。

  (1)自助式开放实验“超市”。校企共建的气谱实验室(30台气谱仪、1台气质联用仪)、液谱实验室(10台液谱仪、1台液—质联用仪)和化工计算及仿真实验室(含100台笔记本电脑、138台台式电脑,配置ORIGION,CAD,ASPEN,CHEMDRAW等专业工具软件以及包含2个3D仿真流程模拟软件在内的40余种仿真软件)全天面向学生开放。


图4 30台GC的色谱“超市”

  (2)预约开放大型仪器。从2011年起,现代分析实验室逐步实现大型仪器的开放。从最初开放一些毕业环节中使用频率高、操作难度相对较低的仪器,到目前多数大型仪器的预约全时开放。预约开放的大型仪器包括核磁共振波谱仪、场发射扫描电镜、透射电镜、哈克流变仪、X—射线衍射仪等30余台,提高了学生高端仪器的分析技能与创新科研水平,提高了大型仪器的使用效能。主要做法是:通过专题培训与考核学生取得操作资格,并在中心教师指导下操作一定时数,取得独立操作资格,然后可以网上预约使用,最后参与绩效及信誉考核。

  (3)实验室场地及项目开放。学生自行组成学习小组,预约“阿司匹林生产工艺”“啤酒生产工艺”“原油实沸点”等实验,或学生根据自己的兴趣自拟实验项目预约场地进行实验。场地及项目的开放,有效地促进了学生工程能力、操作技能和创新思维能力的培养。

  开放的支持平台,培育了一批创新科技成果。近3年,学生获得包括“挑战杯”全国大学生科技作品竞赛特等奖、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛一等奖在内的省级及以上奖励200余项;中心教师获得包括2项国家科技进步奖二等奖在内的科技成果奖60余项。

  示范辐射,彰显“大工程观”特色

  自2006年6月建成投入使用以来,中心发挥了巨大的教学、科研、培训和示范功能。

  中心每年接待省内外10余所高校化学化工专业学生来中心实习、实验。作为神华、南炼、高桥石化等一批国家大型企业的员工培训基地,中心每年承担350名企业员工培训工作。中心吸引美国康宁公司、联想集团,合作共建微通道反应技术研究院、精细化学品研发中心。作为“常州市石油化工科普基地”,中心接待常州、江阴、无锡等地区部分中学学生在高考前到中心进行理工科工程的基本认识教育,每年接待中学生参观学习约2 500人。此外,中心还为国家重点中学江苏省常州高级中学等学校学生参加全国化学竞赛提供了支持,为周边地区企事业单位、科研机构提供了分析测试服务,接待国内外院校专家同行近千人前来参观考察,“大工程观”办学特色受到专家肯定。(本刊记者 安健 张鹏)

来源:《中国现代教育装备》杂志

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