过程工程实验教学平台建设研究

来源:用户上传      作者: 刘长海 邓开野 刘晓艳

　　摘要 根据我国高等教育大众化进程特点以及新世纪人才培养要求,对过程工程实验室的功能、实验内容、实验教学方法以及实验室结构、平面布置、运行与管理等几个方面进行探讨,提出把单元操作为特点的过程工程实验室建设成多学科共用的实践教学平台的设想,论述建立相对独立的多专业共用的高水平实验平台的必要性和优越性。
　　关键词 单元操作;实验;教学平台
　　中图分类号:G482 文献标识码:A 文章编号:1671-489X(2010)18-0108-03
　　Research on Experiment Platform Construction of Process Engineering//Liu Changhai, Deng Kaiye, Liu Xiaoyan
　　Abstract On the basis of the characteristics of popular process and the realization of college education purposes such as integrated stuff, practice ability and creativity, it was proposed and discussed that involves the functions, experiments contents, teaching methods, laboratory construction, plan layout and management of process engineering laboratory. Then, it was assumed that the high level unit operation laboratory would be built as a common practice teaching platform used by the whole college, but its necessity and advantages were also discussed in the paper.
　　Key words unit operation; experiment; teaching platform
　　Author’s address Zhongkai University of Agrotechnical, Guangzhou, China 510225
　　
　　过程工程实验以研究制造业共有的单元操作过程与设备为特点,在不同的学校有不同的称谓,如化工原理实验、食品工程原理实验,环境工程原理实验等。仲恺农业工程学院过程工程实验室承担食品科学与工程专业的食品工程原理实验、生物化工与生物工程等专业的化工原理实验、机电工程学院热能与动力工程专业流体力学实验及传热学实验、环境工程专业的环境工程原理实验等课程实验,是一个重要的专业基础平台。随着高等教育大众化的进展及教育改革的不断深入,办学规模进一步扩大,新的专业不断增加,目前的实验室在规模以及设备状况等方面已经不能满足教学的需要,建设高水平以单元操作为特点的实验教学平台成为学校基本建设的重要任务。本文将根据21世纪人才需求特点,结合学校实际情况,探讨过程工程实验室建设问题,为高等院校过程工程实验平台建设提供参考。
　　
　　1 过程工程实验室的功能
　　
　　近年来,高等教育的观念和培养目标发生很大的变化,主要表现:以专业为主的技术教育转向以学科为主的综合教育;教育目标从单纯业务教育培养“专”才,向综合素质教育培养通才转变;在教学内容方面从以讲授当代水平为主转为讲授当代水平与启发未来创造并重;毕业生的素质从过去只适合本专业转变为不仅能适应本专业,而且可以适应不断变化的专业与技术。随着高等教育的大众化和教育观念的转变,社会对高等教育培养学生规格的要求与过去也不同。进入21世纪,教育更加重视学生全面素质的提高及适应能力和创造能力的培养,在教学内容上宽基础、重实践成为主流方向[1-3]。
　　过程工程实验室是工科类学生重要的实践教学基地之一,功能上应该把过去单一验证型实验的实验室逐渐建设成集验证性实验、综合性实验、设计性实验及过程研究与开发为一体的综合型实验教学平台。通过开展设计性、综合性的实践教学环节,培养学生的综合实验能力和独立工作能力,增强创新意识和创新能力。在实验教学手段上通过引进电子教案和计算机仿真实验系统等现代教学手段,加大教学信息量,在多方面培养学生的实践能力,提高教学质量[4-5]。
　　综上所述,过程工程实验室建设的功能定位应该是多功能实践教学平台。这个平台应能适应多种专业方向本科学生进行流体力学、传热学、传递工程等方面的验证性、设计性、综合性的实验;并具有一定的化工过程、食品加工过程、生物转化过程、环境治理过程等方面的开发与优化能力及产品分离纯化的能力。近年来,学校新开办生物化工、生物工程、环境工程等新专业,及时建设多功能单元操作实验平台,不但可以提高教学质量,而且有利于学科间相互渗透与学科互补,避免重复建设,提高实验室和设备的利用率。
　　把过程工程实验室建设成多专业公用的实验平台,是因为单元操作为特点的课程(尽管名称有区别)是多种专业都开设的重要技术基础课程,课程研究各单元操作过程及设备原理与操作,实验内容丰富。这些实验教学对培养学生的工程观念,提高学生分析与解决工程实际问题能力具有重要的作用。国内很多高校都把过程工程实验室作为重点实验室建设,并获得很好的教学效果[5-6]。
　　
　　2 过程工程实验室的实验内容与结构
　　
　　结构设计是发挥实验室功能和建立良好教学秩序的基础。结构设计包括两方面的内容,首先是根据学校的实际情况分析确定实验的内容,然后根据学生的数量与教学计划确定实验室设备的台套数与实验室的面积,并进行实验室平面布置设计。下面介绍过程工程实验室承担的实验教学内容和建设的基本要求。
　　1)完善基本实验,使其开出率达100%。演示实验基本实验内容包括:流体流型的观测与测定;流体机械能的转换;干燥设备;塔设备及附件;管件、阀门、支座、法兰等。验证性实验基本实验内容包括:流体流动阻力测定;离心泵特性曲线的测定;传热实验;过滤实验;板式精馏塔实验;填料吸收塔实验;干燥速率曲线测定实验;压力表、流量计及热电偶的校验;显示仪表的校验;电动温度变送器、控制器性能测试及调校。
　　按照本科教学评估优秀水平的标准和化工原理课程指导委员会的要求,化工基础实验为每4人一组共用一套装置。可以考虑将所有的验证实验台套数建设为8套,单项实验一次可以接纳1个标准班进行实验。
　　2)在通用验证性实验设备上配套测试仪器设备,以适应现代化工、食品工程、生物工程、环境工程等专业人才培养需要。
　　3)实验室具备开设综合性和设计性实验的基本条件。综合性实验内容可以考虑:离心泵的计算机自动采集与控制;计算机自动采集与控制板式精馏塔实验等。设计性实验内容包括:膜分离实验;离子交换与脱色;蒸发与结晶联合实验;化工单元设备的设计、安装与性能测试;喷雾干燥与产品回收实验;反应―分离集成中试实验集与控制;全数字化板式精馏塔实验装置安装调试实验(含气相色谱仪及计算机数据处理系统)。
　　把综合性和设计性实验内容设计成开放性实验,指派责任心强的教师管理;对各相关专业的本科生、硕士研究生实行预约开放。

　　
　　3 过程工程原理实验室的布局
　　
　　过程工程原理实验室的合理布置,对于有效利用资金,提高建筑面积的利用率和土地利用率都是十分重要的,同时也是组织有序教学工作的基础。平面布置不合理不但占据大量无效面积,而且会给组织实验教学带来很多不便。目前我国各院校的单元操作实验室的布置基本上是按单项实验独立设置的,这样的实验室每项单元操作实验需要一个独立的空间,加上实验的设备较其他学科实验设备体积大,占地面积较大。建设一个功能齐全的实验室至少需要2 500平方米,通常需要较大的投入。若各专业都建设相对独立的实验室,资金投入分散,不但会造成大量的重复建设,水平也难以提高。
　　参考现代建筑的特点,结合专业结构以及过程工程实验的实际特点,可以把验证性实验分成3个大类,即流体力学基础及流体输送相关实验;传热学基础及蒸发、结晶类单元实验;传递过程相关实验,如精馏、吸收、萃取、干燥等。3类实验室相对独立,每个实验室设计成实验平台式,实验设备设计成移动式,需要进行哪个实验就把相应的设备移上平台,其余暂时不用的设备相对集中放置。采用这样的设计完成相同实验所需的实验室面积至少可以减少一半,省出来的建筑面积足以用来建设设计性、综合性实验及清洁生产过程开发实验室。这样的实验室不但可以供本科生教学用,研究生实验也可以使用。
　　
　　4 过程工程实验室及实践教学管理系统
　　
　　把过程工程实验室建设成相对独立的工程实验中心,可以强化实验室管理和设备管理,使其成为多专业共用的实验教学平台。实验室除了安排本科生正常教学实验外,其他时间对全校师生开放,通过预约有效安排时间,最大效率利用实验设备,使实验室成为开发学生创造潜力,提高学生实践动手能力,集教学与技术开发于一体的教学基地。单元操作实验可以单独开设实验课,列入教学计划。教师通过讲述实验设计、数据处理、单元操作规程和组织实验等系列教学活动,培养学生的工程观点,提高学生分析解决工程问题的能力,增强创新意识和创新能力。
　　根据本科学生培养目标要求,为了保证教学质量,实现高校优质教学管理,可以考虑如下安排。
　　1)实验指导教师的确定。学生创新能力的培养是一个非常复杂的问题,涉及许多方面,但教师的作用是非常重要的[6]。教学问题,首先是教师问题,良师出高徒。应选择责任心强,具有较高理论水平、丰富实践经验的教师担任实验指导教师。根据学校实际情况,建议每个实验安排2名指导教师,其中1名是青年教师。2名教师指导实验有利于新老教师优点互补,保证实验效果,同时有利于青年教师的快速成长。
　　2)基础实验学生小组的规模。实验小组人数减少,学生可以获得更多动手操作的机会,有利于学生操作能力的提高。工程设备的实际操作通常是由一组人共同完成的,所以几个人共同承担实验工作,相互配合完成预定的实验任务,可以培养学生的合作精神和团队意识。因此,实验小组人数确定为4人。这个分组方案与教育部本科教学水平评估方案中优秀水平的标准及化工原理课程指导委员会的要求是一致的。
　　3)设计性、综合性实验的安排。尽量多安排一些设计性和综合性实验内容,通过开设设计性和综合性实验,扩大学生的知识面,启发创新思维,培养创新能力。通过开放实验室,保证学有余力的学生获得更多实验机会。
　　如:通过实验设备管道安装与组合,可以使学生了解更多化工单元操作的实际操作知识,缩短学生毕业后对新工作的适应期;在膜分离实验中,针对不同的专业学生提出不同的处理体系和分离要求,而具体的工艺流程参数、操作方案、测试方法等则可根据实际物系,由学生查阅文献资料拟定,教师审查通过后再实施;在反应―分离集成中试实验中,对学生实验的要求是得到某种产品,具体的反应条件、后续的分离纯化、产品成形、质量检测等一系列的工艺流程方案均由学生自行设计,这样的实验过程能给学生完全工程化的锻炼,使学生分析和解决实际工程问题能力得到极大的提高。
　　4)采用先进的教学手段。由于化工单元操作种类及设备类型较多,新的设备不断涌现,学校不可能把所有的设备搬入校园。因此,采用如投影、幻灯、录像、计算机仿真等现代教学手段,增大教学信息量,使学生了解更多当代单元操作过程与设备知识,加深对理论教学内容的理解是必要的。过程工程综合实验室应配备较先进的现代教学设备,实验教师应充分利用先进的教学手段扩大信息量,提高教学质量。
　　5)学生实验成绩的评定。学生实验成绩应该根据学生在实验中的表现、实验报告的质量来决定。注重考查学生出勤情况和预习情况、动手操作情况、数据处理的方法与准确情况、分析问题与解决问题的能力、有无创新思维等。教师要及时进行实验报告批改与实验情况总结,及时解决学生实验中的问题,鼓励学生采用创新方法,把学生对知识的理解引向深入。
　　6)实验室开放与管理系统。过程工程类实验室建设成相对独立教学单位,国内已经有很多成功的经验。如清华大学、北京化工大学的化工原理实验室是相对独立的教学单位,是学校的一级实验室,实验室有稳定的教师队伍,由二级学院管理。天津大学的化工基础实验中心、郑州轻工业学院的化学与化工基础实验中心管理方式也可以参考。上海大学的化工实验中心包括化工原理实验室、化学工程实验室、化学工艺实验室和化工仿真实践基地等,可以满足多专业的技术基础课与专业课的教学和实训。北京化工大学实验室改革的经验表明,学校的过程工程实验室在管理上相对独立有利于发挥实验室的作用,有利于实验室建设和开放实验室的管理。在实验室建立实验操作监控系统,是实验室全面开放的基础建设之一。单元操作实验课程独立开课,建立实验教学多媒体教室和开放实验室等一系列实验室建设与改革,有利于学生动手能力的提高,加深对化工单元操作过程的认识,培养学生的计算机应用能力。
　　
　　5 结束语
　　
　　综上所述,过程工程实验室建设的目标是把实验室建设成多学科教学需要的、可以为多专业共用的实践教学基地,建设成培养学生分析问题、解决问题能力,提高学生实践动手能力,强化创新意识和培养创新能力的专业基础实验教学平台。
　　建设高水平过程工程实验室是大学扩大招生后很多学校急需解决的办学条件问题。为了保证实验教学的质量,充分发挥过程工程实验室的作用,对实验室进行准确的功能定位,合理设计实验室结构是必要的。新建设的过程工程实验室应根据学校教学的具体情况安排设备的数量和实验室面积,根据当前社会对各种专业人才的要求设计实验类型和实验内容。通过配备现代教学手段,扩大信息量。通过多样化的实验装置、开放式的教学过程、分层次的教学模式以及动态化、综合式的成绩评定方式,强化学生的主体作用、教师的主导作用。整体教育与个性化教育相互配合,调动学生学习的主动性、积极性,强化创新意识和创新能力的培养。
　　把过程工程实验室建设成多专业共用的高水平实验平台,可以避免各专业的重复建设,节约资金;有利于开放实验室的管理;也有利于集中高水平教师,提高教学质量;方便实验教师间的交流与提高,从而把我国高等教育实践教学质量提高到一个新的水平。
　　
　　参考文献
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　　[3]石山鹰,肖瑞泉.实验教学改革与创新能力培养的探讨[J].实验室研究与探索,2001(5):14-15
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　　[6]郭庆丰,彭勇,余立新,等.在化工原理实验教学中培养学生综合素质及创新能力[J].化工高等教育,2004(1):45-47

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