化學工藝實驗教學改革與實踐

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[摘要]化學工藝實驗教學是化學工程與工藝專業(yè)的重要實踐性教學環(huán)節(jié)。為了提高化學工藝實驗課的教學質(zhì)量，采用設計性工藝研究模式進行實驗教學，對傳統(tǒng)的教學方法實施改革和創(chuàng)新。實施后得到學生和教師的普遍認同，這種教學方法培養(yǎng)了學生的學習興趣和團隊精神，提高了學生綜合實驗技能、動手能力、創(chuàng)新精神以及分析問題和解決問題的能力。

[關鍵詞]化學工藝實驗課；教學方法；改革與實踐

化學工藝實驗教學是化學工程與工藝專業(yè)教學中重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，其教學質(zhì)量的好壞直接影響學生對專業(yè)知識的掌握程度，對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、實踐能力、分析問題和解決問題的能力都十分重要[1-2]。但傳統(tǒng)的化學工藝實驗是學生在實驗室按照教師的講解和教材所講述的內(nèi)容，一步一步進行實驗操作，最后得到實驗結(jié)果。學生被束縛在既定的框架中，按照設計好的模式和步驟進行實驗，被動地進行驗證性實驗，所得的實驗結(jié)果基本相同，出來的實驗報告千篇一律，沒有學生自己的想法；學生做實驗只是為了完成任務，甚至有的同學站在一旁不動手，學生處于被動狀態(tài)。這種教學方式對學生積極性、主動性、創(chuàng)造性的發(fā)揮和理論與實踐相結(jié)合的思維方式的形成是非常不利的。如何通過實驗教學方法創(chuàng)新調(diào)動學生的積極性，培養(yǎng)學生綜合實驗能力和分析解決問題的能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，是目前高等院校實驗教學所面臨的重要問題[3-4]。江南大學化學工藝實驗主要內(nèi)容是一系列表面活性劑及其原料的合成和洗滌用品的配制，從實驗內(nèi)容上充分體現(xiàn)了專業(yè)特色，但是除存在傳統(tǒng)化學工藝實驗的弊端外，還未反映化學工藝研究與開發(fā)的特點，往屆學生反饋與有機合成實驗區(qū)別不大。近年來江南大學對傳統(tǒng)的化學工藝實驗教學方法實施了改革，采用設計性工藝研究模式進行實驗教學，取得了令人滿意的效果。在現(xiàn)有實驗室條件下，由學生按照產(chǎn)品工程學的研究方式，將原有的實驗內(nèi)容重新組合，分別以工藝路線論證、合成實驗工藝條件優(yōu)化、產(chǎn)品成型(配方)工藝優(yōu)化、工藝流程模擬和工藝驗證等主線串接，大多實驗由學生自行設計工藝實驗方案，讓學生在實驗教學活動中處于積極主動的學習狀態(tài)，主動思考、主動實踐，發(fā)揮學生主觀能動性，在達到原實驗教學目標的同時，提高了學生的綜合素質(zhì)和今后獨立開展研究工作的能力。

1將簡單的合成實驗設計成綜合型工藝路線比較及論證實驗

在原教學內(nèi)容的基礎上，調(diào)整部分簡單的合成實驗為產(chǎn)品工藝路線的選擇和論證。例如，原來的椰子油酸甲酯的合成一貫采用椰子油酸與甲醇的酯化路線，現(xiàn)擴展為三種路線：分別以椰子油酸、椰子油和酸化油為原料和甲醇反應。學生通過查閱資料，全班學生根據(jù)自己的興趣選擇合成路線，分成三組，自己設計方案，整個實驗過程以他們?yōu)橹黧w，熱情很高，態(tài)度非常積極，實驗結(jié)果或產(chǎn)品的獲得使他們很有成就感，對實驗產(chǎn)生了濃厚的興趣。教師指導各組學生重點運用單因素試驗法得出各自合成路線的工藝參數(shù)。在實驗過程中，學生之間要學會合作，明確職責范圍，彼此之間互相幫助，工作中互相包容、互相理解、平等交流。通過在組內(nèi)協(xié)作來完成實驗，培養(yǎng)了學生的團隊協(xié)作精神，學會了與他人合作溝通，增強了集體觀念和團結(jié)精神，為今后走上工作崗位、處理好與同事的關系，奠定了一定的基礎。實驗結(jié)束后全班一起共同分析各組的合成路線的特點和優(yōu)劣，進行不同路線的工藝條件比較及論證。這樣的組與組之間的橫向比較使得每位同學均掌握了化學工藝路線的選擇與論證。

2合成實驗工藝條件和產(chǎn)品成型(配方)的優(yōu)化

在學生初步掌握了單因素試驗法考察工藝路線和條件的基礎上，安排實驗學習化學工藝優(yōu)化方法。合成實驗工藝條件的優(yōu)化選擇了烷基醇酰胺的合成及脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉的合成，指導學生運用正交試驗或均勻設計法完成。產(chǎn)品成型(配方)的優(yōu)化選擇了洗衣粉和液洗(包括香波、液體皂和餐洗，可任選)的配制，重點運用響應面分析法和混料配比設計法。每一個班內(nèi)都能得出最優(yōu)工藝條件，同時開設的三個班又可得出平行結(jié)果。學生在選定要優(yōu)化的產(chǎn)品工藝后，查找相關文獻和書籍，在現(xiàn)有實驗室條件的基礎上，確定實驗材料、工藝、檢測方法等，按照教師指導的優(yōu)化方法獨立制定因素與水平，設計可行的實驗方案，對實驗數(shù)據(jù)進行處理，對實驗結(jié)果進行評價，分析實驗中出現(xiàn)的問題，探討解決辦法，重復試驗得出最優(yōu)化結(jié)果，最后寫出實驗報告或小論文。由于學生之間的試驗條件不一樣，總方案需要全班或幾個班合作才能完成，得出優(yōu)化結(jié)果時能互相學習，擴大知識面。在實驗教學過程中，學生始終是主體，教師輔助指導，糾正學生的方案和操作錯誤，解答實驗過程中的疑問等。進行優(yōu)化性設計實驗，實驗工藝過程都是新的，或是在傳統(tǒng)工藝上有所改變，書上沒有現(xiàn)成的知識，實驗結(jié)果也是多種多樣，這就需要學生自己去探索、去實踐。學生要將理論知識與實驗操作聯(lián)系起來，對于出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象或問題，要分析找到理論支持和解釋，并尋找解決問題的措施。例如，影響合成工藝的諸多因素的水平怎樣選擇才合理；液洗的粘度與加鹽量是何種關系；配方中各原料加入次序?qū)ο匆路哿蠞{的溶解性能影響如何等等，這些問題要學生自己分析原因并想辦法解決。學生可以通過多種渠道來解決實驗中遇到的問題，這樣不僅使學生初步學會如何設計一個化學工藝的條件優(yōu)化方案，而且使學生動手操作、分析解決問題和創(chuàng)新能力得到提高，這是傳統(tǒng)化學工藝實驗方法無法比擬的。

3工藝流程模擬和工藝驗證

學生進行大量工藝條件實驗，能較全面掌握實驗基本操作技能，掌握化學工藝研究的方法，也切身感受到了化學工藝實驗的特色，學會從物料衡算中找出工藝的不足，但畢竟實驗室的小試實驗所進行的均是某步反應過程或某些反應、操作過程，不能全面反映工業(yè)化大批量生產(chǎn)的整個工藝流程。模擬實驗能較全面演示工廠化生產(chǎn)的工藝流程，使學生對工廠化生產(chǎn)有一定的了解。在椰子油酸甲酯的不同合成路線比較和論證實驗的基礎上，進一(步安排學生運用Aspen、ProⅡ等軟件對生物柴油生產(chǎn)的工藝流程進行模擬，不同工藝及其條件下形象地生產(chǎn)出不同規(guī)格產(chǎn)品。學生不但開闊了視野，學會了模擬軟件，而且還對化工熱力學、反應工程、分離工程以及化工原理等理論課有了更深入的理解。但模擬實驗未能解決小試技術應用于工業(yè)化生產(chǎn)所存在的放大效應問題。因此，在小試實驗取得的數(shù)據(jù)基礎上，引導學生學會確定設備的選型，在中試實驗中進一步驗證各種最佳工藝參數(shù)。例如，在烷基苯磺酸鈉的小試合成工藝路線比較和論證的基礎上，利用江南大學中試級單管磺化裝置考察這一產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝條件；利用中試級100kg/h高塔噴粉裝置驗證洗衣粉料漿成型工藝條件；成型產(chǎn)品洗衣粉或液洗的最佳配方的雙盲剖析和驗證等，均強化了學生對化工企業(yè)新產(chǎn)品工藝開發(fā)過程的認識，進而提高其解決實際問題的能力。此外，我們還有選擇地開放部分教師的科研用噴射式環(huán)路工業(yè)模擬實驗室、高壓乙氧基化及酯化中試實驗室、化妝品配方試驗室等，讓有興趣的學生參加課題研究，彌補化學工藝實驗教學的不足。我們還始終保留開設出連串實驗即一個產(chǎn)品的合成產(chǎn)物是下一個產(chǎn)品的原料，最終產(chǎn)品要經(jīng)過幾步反應來得到，而每一步反應的轉(zhuǎn)化率對下一步產(chǎn)物的得率都會帶來影響。成型(配方)產(chǎn)品的主要原料均來自學生自己合成的產(chǎn)物。通過這種連串實驗可以使學生真正了解化工工業(yè)產(chǎn)品的實際過程，培養(yǎng)了學生綜合應用有機合成、界面化學及化學工程理論和技術，設計、研究和開發(fā)以表面活性劑及相關制品為特色的各類精細化學品的綜合能力，繼承和發(fā)揚了江南大學原有的辦學特色。

4結(jié)語

采用以上改革后的化學工藝實驗教學模式，在校畢業(yè)班的學生也反映工藝實驗課的教學，使理論學習真正轉(zhuǎn)化為形象的感性認識，對化工產(chǎn)品生產(chǎn)和開發(fā)有了比較完整的概念，特別是為畢業(yè)論文和設計課題的研究、論文撰寫打下了良好的基礎。采用改革后的教學模式，指導教師對此也作了充分肯定，認為這是化學工藝實驗課教學改革的很好探索，特別是對培養(yǎng)工科學生綜合思維、鍛煉學生動手能力、創(chuàng)新精神以及分析問題和解決問題的能力起到了積極的促進作用。

參考文獻

[1]董聲雄，葉釗，阮奇，等．加強實踐教學改革，提高學生創(chuàng)新能力[J]．化工高等教育，2002，19(1)：75-77．

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[4]阮長平，劉葵．精細化工工藝學教學探索與實踐[J]．廣東化工，2017，44(21)：156-158．

作者:劉學民 單位:江南大學