《特殊蒸餾與液液萃取》課程建設(shè)、教學方法改革實踐與探索

雷志剛　代成娜

摘要：《特殊蒸餾與液液萃取》課程課題體系內(nèi)涵豐富，與多門學科互相交叉滲透，教學內(nèi)容與本專業(yè)多數(shù)研究生未來所從事的科研和工作密切相關(guān)，是攻讀化學工程方向研究生的一門核心課程。隨著現(xiàn)代化工分離技術(shù)的不斷發(fā)展，教學內(nèi)容和教學方法必須與時俱進、及時最新，做出相應的調(diào)整。期望研究生通過本課程的學習在培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力、提高綜合素質(zhì)方面能夠取得有益的收獲。

關(guān)鍵詞：特殊蒸餾；萃??；課程建設(shè)；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）27-0146-03

北京化工大學是一所以化工為主、工科實力雄厚、富有特色的多科性研究型大學。近期學校提出了建設(shè)世界一流大學和一流學科（“雙一流”）的重大戰(zhàn)略目標，核心任務是培養(yǎng)具有歷史使命感和社會責任感、富有創(chuàng)新精神和實踐能力的各類創(chuàng)新型、應用型、復合型優(yōu)秀人才，人才培養(yǎng)質(zhì)量已經(jīng)成為評價“雙一流”建設(shè)水平的重要指標。研究生是研究型大學科研的主要力量，人才培養(yǎng)同樣也要強調(diào)研究生教育。研究生教材建設(shè)和教學方法改革的目標是要強化研究生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的提高，為其后續(xù)幾年的實驗室科研工作打下堅實基礎(chǔ)。眾所周知，化工是北京化工大學的重點學科和專業(yè)。單元操作是化學工程的基本要素，而在眾多單元操作之中，特殊蒸餾與液液萃取是應用最廣、能耗最高的單元操作，其一個微小的技術(shù)進步就有可能帶來巨大的經(jīng)濟效益，因而在提高化工生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益和社會效益中起著舉足輕重的作用。因此，作者從2007年起開始講授的《特殊蒸餾與液液萃取》課程是攻讀化學工程方向研究生的一門核心課程，且與多數(shù)研究生未來所從事的科研活動密切相關(guān)。選修該課程的研究生人數(shù)每年接近100人，一直是一門深受研究生歡迎的專業(yè)課程。

一、課程建設(shè)與改革的依據(jù)和主要思路

教學內(nèi)容和教學方法直接反映教學目的和人才培養(yǎng)的目標。[1，2]《特殊蒸餾與液液萃取》課程具有內(nèi)容豐富、理論深刻、實踐性強、與多門學科互相交叉滲透的特點，必須結(jié)合專業(yè)特色認真挑選教材及授課內(nèi)容。但是，作者在多年的教學實踐中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的教材體系存在如下缺點。

第一，教材內(nèi)容陳舊、重復，甚至有少量錯誤，部分內(nèi)容不符合北京化工大學化工學科發(fā)展目標和現(xiàn)階段國內(nèi)外的研究特色。為實現(xiàn)北京化工大學成為國內(nèi)高水平研究型大學的奮斗目標，現(xiàn)有的教材必須改革，以適應現(xiàn)代化工科技發(fā)展的要求。

第二，教材文字刻板、可讀性差，缺少一些色彩鮮艷的圖片以及介紹化工新技術(shù)與新理論產(chǎn)生的案例。需要通過生動的案例教學，激發(fā)研究生的創(chuàng)新意識。另一方面，教學方法也存在形式單一的缺點，主要是采用傳統(tǒng)的“以教為主”的“灌輸式”教學和卷面考試方法，難以體現(xiàn)本課程培養(yǎng)創(chuàng)新型、研究型人才的目標。

二、更新、充實課程內(nèi)容，及時把最新的專業(yè)知識傳達給學生

在特殊蒸餾與液液萃取領(lǐng)域，與本課程同類的國外經(jīng)典教材是：Seader，J.D.；Henley，E.J.；Roper，D.K.Separation Process Principles （3rd）；Wiley：New York，2010. 但是這本教材的大部分內(nèi)容依然陳舊、沒有充分考慮本領(lǐng)域的國際學術(shù)前沿和當前的研究熱點，例如離子液體分離過程及其預測型分子熱力學理論等。在近10年化工主流國際期刊發(fā)表的學術(shù)論文中，與離子液體相關(guān)的論文占比最大。因此，在課堂教學過程中，作者還結(jié)合自己的科研實際情況，穿插介紹離子液體特殊蒸餾與特殊吸收新技術(shù)、用整體式結(jié)構(gòu)化催化劑與反應器的反應/分離耦合新技術(shù)及其相應的預測型熱力學新理論的研究進展。如此，學生在進入第二、第三學年的課題研究階段對一些新的學術(shù)術(shù)語不至于感到很陌生。特別地，介紹在化學工程領(lǐng)域科學發(fā)現(xiàn)的故事和科學家（特別是中國本土科學家）的科研經(jīng)歷，使學生在學習理論知識的同時感受科學家追求真理的精神，感受化工改變?nèi)祟惿畹木薮罅α浚瑹釔圩约核x擇的化工事業(yè)——化育天工。

作者目前更新的該課程教學大綱框架如圖1所示。

該課程體系涉及從微觀尺度到系統(tǒng)尺度，順應當今“分子化學工程與過程強化”的要求。與之相配套的教學參考書和重要論文見文獻，[3-8]其中文獻[4]是第1部中國學者在Elsevier B.V.出版的化工類英文專著。2007年，作者受邀參與編寫了“歐洲過程強化路線圖”（European Roadmap For Process Intensification）技術(shù)報告之中的“萃取蒸餾”和“吸附蒸餾”2個特殊蒸餾技術(shù)。10年之后（2017年），作者又對這些過程強化技術(shù)進行了更新（http：//www.rvo.nl/sites/default/files/bijlagen/European_Roadmap_Process_Intensification.pdf）。將這些最新、實用的化工技術(shù)及時傳授給研究生，使其在以后的科研和工作中受益。

三、教學方法改革

第一，改變傳統(tǒng)由教師講述的滿堂灌的教學方法。研究生自由提取課堂內(nèi)容的一個片段（如一種新型分離技術(shù)或新理論）進行深入學習，并形成一份PPT形式的專題報告，自己上臺講解（5—10min），其他同學則提問互動，激發(fā)了學習的主動性和積極性，從“要我學”到“我要學”轉(zhuǎn)變。

第二，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立班級微信群，適應“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，線上線下相互銜接。

第三，邀請校外專家講課并介紹最新的學科發(fā)展動態(tài)和其自身的實踐經(jīng)歷，豐富了教學內(nèi)容。作者曾經(jīng)邀請國際知名化工專家Prof.Andreas Klamt來北京化工大學面對面地向研究生講授COSMO-RS預測型熱力學模型的基礎(chǔ)理論以及現(xiàn)場演示如何在COSMOtherm軟件上實現(xiàn)COSMO-RS計算。研究生自帶筆記本電腦、免費安裝軟件，Prof.Andreas Klamt則在現(xiàn)場手把手傳授如何進行操作。隨后的反饋意見表明：這堂課在研究生當中產(chǎn)生了強烈的共鳴，因為他們感受到了在學術(shù)大師親自指點下在課堂上就學會了一門學習和工作技能。

第四，利用作者主持召開本領(lǐng)域國際、國內(nèi)學術(shù)會議的機會，組織研究生參加或旁聽這些會議，與專家面對面交流，激發(fā)研究生的學習熱情。2016年5月，作者主持召開了第5屆國際化工分離技術(shù)大會（ICSTC-5）。參加本次大會的代表有中國、美國、俄羅斯等國際高校、研究機構(gòu)以及化工企業(yè)的70多名學者和技術(shù)人員，同時作者還要求選修《特殊蒸餾與液液萃取》課程的研究生也參與其中（免交會議注冊費）。來自國際上的專家及學者針對科學技術(shù)的重大課題或前沿領(lǐng)域提出了最新的綠色分離技術(shù)，展示了當前國際及國內(nèi)的分離技術(shù)發(fā)展最新研究成果。作者藉此機會開辟第二課堂，以最低成本實現(xiàn)了研究生參與國際學術(shù)交流，提升了研究生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

第五，不僅在課堂上講解特殊蒸餾與液液萃取的基本原理與新技術(shù)，而且還帶領(lǐng)研究生參觀申請人團隊的實驗室，從抽象到具體，認識和使用相關(guān)的實驗裝置，使他們盡快地熟悉科研工作。2015年，作者研發(fā)了一種新型的、短平快的離子液體氣體干燥實驗裝置（ZL 201510191695.0）。本學科的研究生和本科生均可自由安排時間來實驗室操作，體驗新型分離技術(shù)在實現(xiàn)過程強化和節(jié)能減排方面所發(fā)揮出的巨大作用。

四、考核評定方法改革

改變“一考定終身”的單一考評方式，加大平時成績的權(quán)重，平時成績根據(jù)課堂出勤率、在課堂上的表現(xiàn)情況（回答問題等）、平時作業(yè)完成情況、國際和國內(nèi)學術(shù)會議的參與程度而定，最終考核成績的評定是由平時成績+課程報告+卷面理論考試三方面成績的加權(quán)平均。在課程報告方面，不僅可選擇追蹤一種自己感興趣的特殊蒸餾、液液萃取、超臨界萃取或其他化工過程強化新理論、新技術(shù)和新裝備，而且還可選擇編寫平衡分離過程的計算程序（計算機語言不限，但應包括題目、每行解釋語句、每步計算結(jié)果和說明等），這樣有助于研究生深刻地理解各類化工流程模擬軟件的求解過程。在卷面理論考試方面，經(jīng)常出現(xiàn)關(guān)于采用夾點技術(shù)計算換熱網(wǎng)絡(luò)的最小加熱公用工程和最小冷卻公用工程的計算題目。目的是使研究生通過本課程的學習至少掌握一種實用的化工節(jié)能減排技術(shù)，未來具有獨立從事相關(guān)工作的能力。此外，還側(cè)重考察研究生分析和解決實際工程問題的能力。例如，設(shè)計一個采用特殊蒸餾方法分離工業(yè)C4混合物（包括丁烷、丁烯和丁二烯等）的工藝流程。

五、結(jié)論

蒸餾、吸收和萃取依然是現(xiàn)代化學工程單元操作的主體。從平衡分離過程的本質(zhì)來看，狹義的特殊蒸餾是指針對相對揮發(fā)度α<1.2的液體混合物需通過添加第三組分（溶劑或分離劑）以提高被分離組分相對揮發(fā)度的蒸餾過程（如萃取蒸餾、恒沸蒸餾等）；而廣義的特殊蒸餾是指添加的第三組分不局限于液體溶劑，也可以是催化劑（如催化蒸餾）、吸附劑（如吸附蒸餾）或特殊裝備（如分子蒸餾、熱泵蒸餾）等。該課題體系內(nèi)涵豐富，從如下幾方面進行了課程建設(shè)和教學新模式的探索。

第一，更新、充實課程內(nèi)容，把最新的專業(yè)知識及時傳達給學生。

第二，教學方法多樣化，即二個轉(zhuǎn)變：“以教為主”向“以學為主”轉(zhuǎn)變、“課堂為主”向“課內(nèi)外結(jié)合”轉(zhuǎn)變。

第三，考核評定方法多樣化，即一個轉(zhuǎn)變：“結(jié)果評價為主”向“結(jié)果和過程評價結(jié)合”轉(zhuǎn)變，加大平時成績的權(quán)重。

參考文獻：

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