新工科背景下材料化學(xué)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建探索

耿樹(shù)東,江麗麗,于曉波,張 鈺

(吉林化工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 吉林 132022)

在主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，建設(shè)新工科的背景下[1-3]，要求我們?cè)趯W(xué)生的培養(yǎng)過(guò)程中要加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)與改革。材料化學(xué)作為一門(mén)交叉學(xué)科，其本科專業(yè)即可授工學(xué)學(xué)士，也可授理學(xué)學(xué)士。我校材料化學(xué)專業(yè)成立于2004年，授予工學(xué)學(xué)士學(xué)位，目前已經(jīng)培養(yǎng)了11屆畢業(yè)生。為滿足目前新工科和工程認(rèn)證的要求，專業(yè)積極進(jìn)行專業(yè)建設(shè)與改革，尤其是需要進(jìn)一步優(yōu)化和改革實(shí)踐教學(xué)體系[4，5]。本文結(jié)合材料化學(xué)專業(yè)的實(shí)際情況，著重闡述了實(shí)踐環(huán)節(jié)中的實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的一些優(yōu)化措施和改革方法[6，7]。

一、結(jié)合科技發(fā)展前沿，實(shí)時(shí)更新實(shí)驗(yàn)題目

《材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)》是面向材料化學(xué)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，其內(nèi)容覆蓋了玻璃、陶瓷、水泥熟料、水泥生料、硅酸鹽礦物分析、檢測(cè)手段等專業(yè)課程的相關(guān)內(nèi)容。課程分為《材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)Ⅰ》和《材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)Ⅱ》，2016版培養(yǎng)方案中分別開(kāi)設(shè)在第5和第7學(xué)期。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，使學(xué)生能夠在實(shí)踐中親身體驗(yàn)、領(lǐng)會(huì)和運(yùn)用有關(guān)材料化學(xué)專業(yè)的理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)研究方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合的過(guò)程，是培養(yǎng)學(xué)生具備材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施能力，并能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理和分析能力的一個(gè)重要過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)強(qiáng)化材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全教育，使學(xué)生了解、領(lǐng)會(huì)和運(yùn)用相關(guān)法律法規(guī)的意識(shí)得到提高，為培養(yǎng)面向生產(chǎn)、管理一線的現(xiàn)代工程師打下良好基礎(chǔ)。

本課程是為培養(yǎng)工程師基本素質(zhì)和解決工程實(shí)際問(wèn)題的基本能力而設(shè)置的。課程以四大化學(xué)理論課程、實(shí)驗(yàn)課程及《化工原理》、《化工原理實(shí)驗(yàn)》和材料化學(xué)專業(yè)課程為理論基礎(chǔ)的一門(mén)綜合性很強(qiáng)的實(shí)踐課程。實(shí)驗(yàn)類型包括演示性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)題目的設(shè)置源于《無(wú)機(jī)非金屬材料實(shí)驗(yàn)》、《新型功能材料設(shè)計(jì)與制備工藝》、《精細(xì)化工綜合實(shí)驗(yàn)》、《無(wú)機(jī)非金屬材料實(shí)驗(yàn)教材》專業(yè)課程的相關(guān)理論內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，不但可以鞏固加深對(duì)專業(yè)課程的理論知識(shí)的理解，同時(shí)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用能力、科學(xué)研究能力、表達(dá)能力和人際交往能力及團(tuán)隊(duì)合作精神起著重要作用，為學(xué)生能夠很好地完成畢業(yè)環(huán)節(jié)教學(xué)任務(wù)打下基礎(chǔ)良好。因此，本課程在材料化學(xué)專業(yè)的課程體系中處于核心地位。

目前，本課程的實(shí)驗(yàn)題目包括差熱分析、粉體真密度的測(cè)定、材料氧化物含量的測(cè)定、激光粒度分析法粉料粒度的測(cè)定、水泥指標(biāo)參數(shù)含量值的測(cè)定、材料線膨脹系數(shù)的測(cè)定、三氧化硫含量的測(cè)定、硅酸鹽制品化學(xué)穩(wěn)定性的測(cè)定、粉體比表面積的測(cè)定、用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定聚合物濃溶液的流動(dòng)曲線、共沉淀法制備鈦酸鋇納米粉及分析表征、材料顯微硬度的測(cè)定、顯微熔點(diǎn)的測(cè)定、微孔分子篩的制備與性能測(cè)試、納米氧化鋅的制備及光催化降解有機(jī)污染物、金屬的顯微分析、玻璃材料的制備及性能測(cè)試。和之前的實(shí)驗(yàn)題目相比，不但增加了綜合性計(jì)性實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)數(shù)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更貼近生產(chǎn)實(shí)際，符合科技發(fā)展趨勢(shì)。

二、優(yōu)化仿真實(shí)習(xí)內(nèi)容，滿足企業(yè)需求

(一) 課程教學(xué)目標(biāo)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是當(dāng)今化學(xué)工程技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一，仿真實(shí)習(xí)技術(shù)是以仿真機(jī)為工具，用實(shí)時(shí)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型代替真實(shí)工廠進(jìn)行化工裝置運(yùn)行的一門(mén)新技術(shù)?；し抡鎸?shí)習(xí)是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，仿真教學(xué)的重要用途是解決學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)中不能在生產(chǎn)裝置上動(dòng)手操作的問(wèn)題，可以使學(xué)生不進(jìn)工廠、不上裝置就能得到開(kāi)車、停車和事故處理等操作機(jī)會(huì)，是學(xué)校工程實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的主要手段。

仿真訓(xùn)練對(duì)于學(xué)生了解化工過(guò)程的工藝和控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、提高對(duì)工藝過(guò)程的運(yùn)行和控制能力具有特殊的效果。這種運(yùn)行、調(diào)整和控制能力集中反映了學(xué)生運(yùn)用理論識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的水平，對(duì)加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題以及動(dòng)手能力起著重要的作用。所以，仿真訓(xùn)練是運(yùn)用高科技手段強(qiáng)化學(xué)生掌握知識(shí)和理論聯(lián)系實(shí)際的新型教學(xué)方法，也是現(xiàn)場(chǎng)工程師培養(yǎng)方案中要求學(xué)生必須掌握的技能之一。

(二) 教學(xué)內(nèi)容及基本要求

(1) 仿真實(shí)習(xí)技術(shù)及常用DCS控制系統(tǒng)介紹。

(2) 離心泵：掌握離心泵的工作原理，離心泵的“氣縛”和“氣蝕”現(xiàn)象及消除方法，離心泵的工藝流程，離心泵啟動(dòng)的操作要點(diǎn)，分程控制調(diào)節(jié)器，離心泵停車要點(diǎn)。

(3) 液位控制：了解液位控制系統(tǒng)的工藝流程；掌握單回路控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)開(kāi)車操作、液位的控制方法、停車方法。

(4) 換熱器：掌握換熱原理、換熱器系統(tǒng)流程、開(kāi)車及停車操作規(guī)程、換熱溫度的控制方法、事故的處理方法。

(5) 精餾塔：了解乙烯裝置中脫丁烷塔的工藝過(guò)程；了解精餾控制系統(tǒng)及操作方法、精餾操作的正常操作調(diào)節(jié)、精餾塔的冷態(tài)開(kāi)車、正常停車及緊急停車操作規(guī)程、精餾事故的設(shè)定及排除方法；了解精餾過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。

本部分內(nèi)容主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工藝的理解和對(duì)控制系統(tǒng)的操作能力。對(duì)每個(gè)單元均采用模擬測(cè)驗(yàn)方式考核學(xué)生是否達(dá)到了該項(xiàng)能力。

三、改革生產(chǎn)實(shí)習(xí)的教學(xué)過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)

(一) 課程教學(xué)目標(biāo)

材料化學(xué)生產(chǎn)實(shí)習(xí)以培養(yǎng)面向生產(chǎn)一線的現(xiàn)代工程師為目標(biāo)，在實(shí)習(xí)過(guò)程中學(xué)習(xí)企業(yè)文化，并作為一名成員在一個(gè)團(tuán)隊(duì)中工作，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，認(rèn)識(shí)到作為一個(gè)未來(lái)的工程人員應(yīng)具備的社會(huì)責(zé)任感和職業(yè)道德。通過(guò)本教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)，從實(shí)際生產(chǎn)中獲得知識(shí)和技能，進(jìn)一步鞏固和掌握理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程和工藝觀念，訓(xùn)練學(xué)生觀察、思考和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)使學(xué)生了解與熟悉水泥廠各方向的生產(chǎn)技術(shù)與特點(diǎn)，為將來(lái)從事水泥、混凝土的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、革新改造、運(yùn)行管理等工作奠定基礎(chǔ)。

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容之一，是在修完《物理化學(xué)》、《有機(jī)化學(xué)》、《工程制圖》、《化工原理》、《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》等基礎(chǔ)課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程之后，在《材料類認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)》基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)的重要實(shí)踐課程，是學(xué)生在校期間完成理論課向?qū)I(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課過(guò)渡的必要環(huán)節(jié)。通過(guò)本課程的訓(xùn)練，使學(xué)生了解單元設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理和操作方法，了解主要生產(chǎn)裝置生產(chǎn)原理和工藝流程、主要工藝參數(shù)及其控制等生產(chǎn)過(guò)程；認(rèn)識(shí)工藝流程中的各類設(shè)備，如回轉(zhuǎn)窯、除塵器、泵、磨機(jī)以及管道、閥門(mén)等；了解主要裝置的加工原料和生產(chǎn)產(chǎn)品及其特點(diǎn)；認(rèn)識(shí)工廠的生產(chǎn)組織和管理，了解工廠生產(chǎn)的安全與環(huán)保措施及相關(guān)法律法規(guī)。進(jìn)一步強(qiáng)化理論與實(shí)踐的結(jié)合，鞏固所學(xué)的基本知識(shí)，并為進(jìn)一步學(xué)好專業(yè)課程及《畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)》打下良好的基礎(chǔ)。

(二) 教學(xué)內(nèi)容及基本要求

1.教學(xué)內(nèi)容

(1) 查閱、收集與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程有關(guān)的文獻(xiàn)資料；

(2) 工藝流程部分：在掌握實(shí)習(xí)車間(或工段)的工藝流程的基礎(chǔ)上，分析工藝條件的選擇，熟悉實(shí)習(xí)場(chǎng)所的主要設(shè)備和名稱，主要工藝管線的走向，各設(shè)備的位置及生產(chǎn)控制指標(biāo)；

(3) 生產(chǎn)設(shè)備部分：通過(guò)觀察設(shè)備、看圖紙和有關(guān)技術(shù)資料，了解設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，有條件時(shí)指導(dǎo)教師可以帶領(lǐng)學(xué)生觀察舊設(shè)備，重點(diǎn)了解各種除塵設(shè)備、磨機(jī)設(shè)備、回轉(zhuǎn)窯等設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；

(4) 控制方法與手段：認(rèn)真了解實(shí)習(xí)場(chǎng)所各種溫度、壓力、傳輸、配料等各種操作參數(shù)的檢測(cè)、顯示、控制方法及各種調(diào)節(jié)手段；

(5) 選取生產(chǎn)過(guò)程中的某個(gè)單元操作的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

2.基本要求

(1) 掌握實(shí)習(xí)工廠的主要工藝流程、生產(chǎn)原理、工藝組織原則及控制方法；

(2) 掌握主要設(shè)備的工藝原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和操作條件；

(3) 了解水泥廠生產(chǎn)中的檢測(cè)知識(shí)和質(zhì)量體系；

(4) 了解環(huán)境污染狀況及其治理措施；

(5) 了解生產(chǎn)裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

(6) 了解生產(chǎn)過(guò)程的安全、職業(yè)衛(wèi)生要求、環(huán)保措施及相關(guān)法律法規(guī)；

(7) 了解水泥廠生產(chǎn)的組織方式及技術(shù)管理方法；

(8) 培養(yǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)課的知識(shí)和技術(shù)去解決問(wèn)題能力；

(9) 建立初步的工程技術(shù)觀點(diǎn)。

通過(guò)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，對(duì)水泥粉磨—配料—出廠等生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備、原料、產(chǎn)品用途等有了一定的了解，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)有了感性的認(rèn)識(shí)。行走于車間上下，與機(jī)械設(shè)備零距離接觸，看到技術(shù)工人們熟練的操作，深知技能的培養(yǎng)需要實(shí)踐來(lái)鑄造。實(shí)習(xí)培養(yǎng)了我們的觀察能力、自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，同時(shí)還加強(qiáng)了環(huán)境保護(hù)意識(shí)。此外，實(shí)習(xí)有助于我們盡早確立職場(chǎng)目標(biāo)，制定學(xué)習(xí)計(jì)劃，加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)，縮短將來(lái)步入社會(huì)的適應(yīng)期。再者，通過(guò)實(shí)習(xí)，使我們認(rèn)識(shí)到自身的差距和不足，不少同學(xué)意識(shí)到要豐富跨學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)以備不時(shí)之需，對(duì)今后的學(xué)習(xí)起到指導(dǎo)和督促的作用。

四、結(jié) 語(yǔ)

在過(guò)去幾年的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，通過(guò)對(duì)材料化學(xué)專業(yè)內(nèi)涵的深入理解，結(jié)合我院辦學(xué)實(shí)際，依托我校的特點(diǎn)、強(qiáng)化實(shí)踐的傳統(tǒng)，力爭(zhēng)在實(shí)踐教學(xué)體系上體現(xiàn)“理工融合，學(xué)科交叉，強(qiáng)化工程”的特色。充分利用專業(yè)現(xiàn)有資源，整合和優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)體系。全方位掌握企業(yè)需求，培養(yǎng)符合需求的合格畢業(yè)生。這些都是非常艱巨的任務(wù)，需要我們進(jìn)行長(zhǎng)期的實(shí)踐與探索。