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摘要：为促进理论与实践教学的融合，提高学生的实践及创新能力，化工专业优化整合现有实验资源，在项目驱动教学法的指导下，从教学目标、项目设置、项目运行与管理、成绩评定等方面对化工专业综合实验课程进行重新设计，不仅培养学生从事科研和生产工作的能力，还能促进教学相长，保证实验教学质量的不断提升。
关键词：项目驱动；化工专业；综合实验；课程设计
本文引用格式：宁汇,等.基于项目驱动的化工专业综合实验课程设计[J].教育现代化,2019,6(70):129-132.
Course Design on Chemical Engineering Specialty Comprehensive Experiment Guided by Project-driven Teaching Method
NING Hui,LIU Hui-e,LIU Xin-mei
(College of Chemical Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao,Shandong,China)
Abstract:In order to promote the integration of theory and practice teaching,improve the practice and innovation ability of the students,the chemical engineering specialty optimize and integrate the existing experimental resources,re-design the comprehensive experimental courses from the aspects of teaching objectives,project settings,operation,management，and performance evaluation under the guidance of project-driven teaching method.It will not only cultivate students’ability to engage in scientific research and production,but also ensure that teaching benefits teachers as well as students is truly realized and the quality of experimental teaching is going to be improved continuously.
Key words:Project-driven;Chemical engineering specialty;Comprehensive experiment;Course design
化工专业实验是化工专业教学的重要环节，综合性、实践性强，与专业理论知识结合紧密，对培养具有创新精神的高素质化学工程技术人才具有重要意义。
我校始终高度重视专业实验课程的建设，投入了大量人力、物力建成化工原理、化工热力学、化学反应工程、化工仿真等各种类型的专业实验室、配备了实沸点蒸馏、甲醇裂解制烯烃、分子筛吸附脱芳香烃等多套实验装置并安排了专业的师资力量负责实验的运转和实验室的维护，经过半个多世纪的发展和改进，已经形成了较为完善的专业实验教学体系。但进入新世纪以来，随着社会的发展和科技的进步，对专业人才的要求进一步提高，传统教学模式已不能满足新时期高素质人才培养的需求，必须与时俱进，从多个层面进行改革[1,2]。最近教育部、财政部、国家发改委联合印发了《统筹推进世界一流大学和一流学科建设实施办法（暂行）》，提出在人才培养方面，积极推进课程体系和教学内容改革，注重培养学生的创新精神和实践能力。化工专业是我校的优势专业，争创世界一流学科是我校化工专业建设的终极目标。专业实验作为化工专业培养的重要组成部分，对培养学生的创新精神和实践能力具有不可替代的重要作用[3-5]。专业实验课程教学也应与时代同步，寻找适合本校特色和自身发展的新道路，真正为培养满足社会需要的优秀化工人才服务[6-8]。
在专业实验课程的改革方面，有许多切实有效的方法值得我们借鉴。周秦武等[9]提出了一种项目驱动导向的专业综合实验教学方法，得到了学生的广泛欢迎，对学生的工程实践能力和创新能力有明显的促进和提高。谭大为等[10]提出了一种以“兴趣牵引，任务驱动，现象启发引导”为指导原则的增量式专业综合实验设计思路，促使学生从“被教学”到“主动学”转变，为学生未来进行研究性、探究性学习和实现可持续发展打下了良好基础。陈翠雪等[11]提出了一种实验教学与科研相结合的实验教学新模式，将实验作为教学与科研的结合点，从创新层次化的开放教学模式、构建集成化和模块化的实验教学体系、增加选修性实验及开放性实验、提供学生创新实践活动基地四个方面系统阐述了专业综合实验的设计思路。
项目驱动教学法是在构建主义理论的指导下，师生通过共同完成一个项目而进行教学活动的教学方法[12]。这种教学法突破了传统的教学模式，学生通过完成一个完整的项目实现对知识的掌握，通过将教学内容与实践项目结合，增强学生的实践能力，提高学生的学习兴趣，改善实验教学效果，是一种具有良好应用前景的教学方法。因此，本文将在已有化工专业实验教学经验的基础上，结合我校化工专业的特色，提出基于项目驱动的化工专业综合实验课程设计思路，以解决传统实验教学模式的弊端，提升实验教学水平，以更好的服务于建设一流化工专业，培养一流化工人才的目标。
一教学目标
化工专业综合实验的教学目标是培养学生的实践能力和创新精神，使学生更加深入地理解所学化工专业的理论知识，掌握典型的化工产品生产过程及仪器设备的使用方法，掌握化工专业实验技能、实验数据处理方法以及工程实验的设计和组织方法，熟悉实验室安全技术，为学生今后从事化工实验室工作、科学研究工作以及新产品、新工艺和新单元操作技术开发工作打下扎实的基础。
二 项目设置
化工专业综合实验在本科三年级开始实施。我校化工专业在本科三年级为学生提供三个选修方向：石油化工、能源化工和化工安全。首先，石油化工是现代化工的基石，一直以来是我校化工专业的特色，学生认可度高，选择该方向的学生较多，因此在进行实验项目设置时有所侧重。其次，随着社会发展和科技进步，人们积极寻求可替代石油的新能源和清洁能源，与此相关的能源化工方向也越来越受到人们的重视，未来有广阔的发展前景，应引起足够的重视。第三，无论是石油化工还是能源化工，都要立足化工安全的基础上展开，因此，化工安全了对上述两个方向都至关重要。
（一）石油化工实验
石油化工实验由三个相互联系的综合实验组成。首先通过油品分析对石油进行切割，学会对各种馏分的组成和性质进行分析，然后根据不同馏分的组成和性质选择合适的热加工或者催化加工方案，并对产物进行分析，从而调整和优化加工方案，具体介绍如下：
1.油品分析
油品分析是石油化工的基础实验，重点培养学生利用专业基础课的理论知识解决实际应用问题的能力。油品分析是指用国家或行业规定的实验方法，分析检验油品的化学组成、理化性质和使用性能，是进行生产装置设计、提高和监督产品质量、完成生产任务的基础和依据。油品分析包含诸多小型实验项目，如水分测定、馏程测定、常压蒸馏特性测定、密度和粘度测定、硫含量测定、闪点和燃点测定、凝点和倾点测定、酸度和酸值测定、残炭及灰分测定等。学生可自主选择原油、汽油、煤油或柴油开展油品分析实验，并提前做好预案，根据项目需要自主选择所需的分析实验，最终要求给出详细的油品分析报告：对于原油，需要明确其类型、特征和基属，给出原油及其窄馏分的物理性质及化学组成，提出合理的加工方案；对于汽油、煤油和柴油，要求绘制恩氏蒸馏曲线，测定主要质量指标，判断是否符合现行质量标准，并提出进一步的加工或改质方案。
2.烃类的管式炉裂解
烃类的热裂解反应是生产烯烃的典型反应，是石油热加工过程的基础反应之一。烃类的管式炉裂解实验是评价石油的热加工性能的一种重要手段，重点培养学生独立分析问题，解决问题的能力。实验室小型管式炉装置简单，操作方便，可用来研究不同原料裂解的最佳工艺条件，取得关键的反应动力学数据，对理解石油的二次加工过程具有典型的代表意义。学生可从油品分析实验中得到的石脑油或轻柴油馏分中选择某种已知组成和性质的油品作为原料，要求根据原料的油品分析数据，预先设计关键的操作条件（如温度、空速等），并预测产物分布规律，实验结束后进行物料平衡计算、分析产物的收率和化学组成、计算反应速率常数，总结分析温度、停留时间等对裂解过程的影响规律，给出原料油裂解性能报告。
3.固定床乙苯脱氢制苯乙烯及流化床反应器流动特性
固定床和流化床是两种石油化工过程中进行催化反应时最常使用的两种床层，两者都极具代表性且优缺点具有互补性。本实验将增强学生对固定床和流化床反应器特点的认识，重点培养学生综合分析和解决复杂工程实际问题的能力。
固定床又称填充床反应器，固体催化剂在反应器内堆积成一定高度的床层，反应过程中床层静止不动，流体通过床层进行反应。苯乙烯是一种重要的化工原料，可用于合成性能优良的聚合物，工业上主要通过乙苯脱氢方法生产，本实验在固定床乙苯脱氢实验装置上进行，要求学生首先对乙苯脱氢反应的本征热力学和动力学特征进行深入分析，对固定床的结构、装配及操作进行全面了解，预习固定床乙苯脱氢实验装置的组成及工艺流程，预测反应温度、反应时间、催化剂性质等对反应结果的影响，预先设计各反应条件的操作范围，实验结束后要求进行物料衡算、计算乙苯转化率、苯乙烯的选择性及收率，总结反应规律，分析固定床反应器的优点和缺点，提出实验改进方案。
与固定床不同，流化床中的固体颗粒在气体的作用下上下翻滚，作剧烈的流动运动。流化床在传质、传热方面优于固定床，但返混现象较为严重。观察固定床与流化床状态的转化过程，测定上述过程中床层压降的随气体流速的变化，确定固定床与流化床的操作气速范围，学会针对不同化工过程选择合适的反应器或者根据不同床层的特点预测产物分布，具有重要意义。为了能更直观的观察到固体颗粒床层的变化，实验采用透明玻璃反应器。实验用氮气作为主流体，以氢气作为示踪物，要求学生通过实验绘制压差-气体流量曲线，确定流化床的操作气速范围，绘制停留时间分布曲线，根据实验结果和所观察到的现象，用计算机模拟床层的流动状态，建立流化床的传质和传热模型，分析床层流动状态对反应的影响，提出流化床反应器的设计思路。
（二）能源化工实验
能源化工综合实验重点培养学生的创新能力。能源化工属于国家战略性新兴产业。近年来，我校加大了在能源化工方向（煤化工、生物质能源化工、化学储能）的投入，引进和培养了许多优秀的科研团队，新建了一批高水平实验室并配备了许多现代化仪器设备，形成了相当规模的创新力量。目前，所有科研实验室都能开放并承接大学生创新实验，在此基础上，我们将能源化工方向的综合实验与大学生创新实验进行衔接，设置了一批能源化工创新实验项目，如煤干馏、生物质裂解、锂电池制备与性能测试等。学生可以根据自己的兴趣选择上述三个方向中的任何一项，并与对应的科研实验室进行联系，在专业教师的指导下设计创新实验，并按照大学生创新实验的相关要求完成项目。
（三）化工安全实验
化工安全综合实验重点培养学生在从事科研和生产工作中的安全意识及预防和应对安全事故的能力。化工生产过程具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等特点，如何保证化工过程的安全是所有化工行业从业者必须掌握的基本技能。由于化工安全事故不可重现，实践教学一直一来是困扰化工安全专业教学的主要问题，而虚拟仿真技术为解决这一问题提供了最佳途径[13]。依托我校石油化工与装备国家级仿真实验教学中心，我们设置了常减压炼油工艺、催化裂化反应再生工艺、甲醇合成工艺、甲醇精制工艺、二甲醚合成精制工艺、加压气化工艺、水处理工艺等典型化工过程的仿真教学项目，利用虚拟仿真手段，模拟危险化学品泄漏事故应急处置、化工生产过程安全事故处理及生产安全操作等实验内容，要求学生自选工艺过程，熟悉工艺流程，开展开停车及事故处理实验，在操作过程中发现安全事故易发点，总结事故发生原因，采取科学的应急处置办法，最终针对所选工艺过程编写详尽的安全操作规范，提出安全整改方案。
三 项目运行与管理
化工专业综合实验采用分组完成的方式，实验运行过程中坚持以项目驱动为导向、以学生为主体，以教师为主导的模式，体现出三个特点：导向性、选择性和开放性。
首先，开放所有综合实验项目对应的实验室，引导学生根据自己的专业方向选择最为相关的项目并自由组队，人数根据项目内容预先设定，每个队伍推选一名组长，确定一名指导教师；然后指导教师与学生充分讨论后确定项目的具体内容、任务分工、预期目标、实验进度等；在项目运行期间，指导教师与学生定期沟通，及时答疑，保证实验良性运转；最后，组织所有项目组进行总结汇报并进行成绩评定。
四 成绩评定
实验课程考核和成绩评定对完善教学内容、改进教学方法、引导学生学习、保证人才培养质量至关重要。为保证实验成绩的公平公正，在最终的成绩评定上采用多元评价方法[14]。学生成绩=实验报告（50%）+组内互评（20%）+教师评价（30%）。其中，实验报告是指学生按照项目要求独立完成一份完整的实验报告，其中应重点介绍自己在项目中所负责的内容，并制作PPT进行汇报；组内互评是指根据学生在项目运行过程中的表现以及对项目所作的贡献，由同一小组的不同成员之间互相给包括自己在内的所有成员评分，然后取平均值；教师评价是指教师根据学生在项目运行中的表现以及学生对项目的贡献给学生评分。实验报告属于结果评价，组内互评和教师评价属于过程评价，通过这样的评分方式既可以提高学生的积极性，又可以保证教师的主导性，同时加强对实验过程的监督和控制，促进学生自我认知和团队协作能力的提升。
五 总结
与传统专业实验教学相比，基于项目驱动的化工专业综合实验课程设计具有如下优势。
（一）更能调动学生积极性
基于项目驱动的化工专业综合实验教学模式本身使得专业实验具有更高的开放性和选择性，让学生获得最接近真实的项目完成经验，使学生更有主体意识和成就感，学生可以根据自己的兴趣选择项目，还可以在很大空间内根据需要自由配置项目的内容，促使学生在教师引导下对自己提出更高的要求，而不是像以前一样被动的听从教师的指令，因此，更能发挥学生的主动性，调动学生的积极性。
（二）逻辑性更强，更有利于知识的融会贯通
传统的实验教学过程中，各个实验项目是相对独立的，而基于项目驱动的化工专业综合实验中的实验项目都为完成项目的总体目标服务，按照一定的逻辑关系进行组织，相互联系。在项目运行过程中，靠单一课程或者知识点难以达成整个项目的目标，要求学生必须综合运用所学过的理论和实践中获得的多种知识解决项目运行中遇到的问题，提高了学生的主动学习能力。
（三）更有利于实验资源的有效配置和高效利用
基于项目驱动的化工专业综合实验属于一种集约型实验设计，传统实验教学模式按照实验类型安排实验室，而项目驱动的综合实验按照项目安排实验室，即将与同类项目相关的实验设备安排在同一个实验室，这样既避免了实验空间的浪费，又避免了同样实验装置的重复配置，实现了实验装备的集约化管理，避免了实验资源的浪费和实验活动的重复。
（四）更能调动实验教师的积极性，促进教学相长
传统实验教学模式下实验教师只是按照预先规定的实验方案完成实验教学任务，可以发挥主观能动性的余地很小，不能与学生形成良性互动。基于项目驱动的化工专业综合实验设计给教师和学生都留下了足够的发展空间，允许教师和学生发挥各自的创造性，将最新的科研进展融合到实验项目中，使实验项目与时俱进，不断完善，这不仅让学生更有创新的动力，而且可以有效地调动实验教师从事科研和教学的积极性，从而有利于实验教师的发展，真正实现教学相长。
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