新工科背景下能源化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)改革探索

朱晟 王羅春 閔宇霖 辛志玲

[關(guān)鍵詞]能源化工;化學(xué)工程與工藝;專業(yè)實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革

近年來，隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，國家大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、環(huán)保產(chǎn)業(yè)、綠色經(jīng)濟(jì)等關(guān)系到未來環(huán)境和人類生活的重要戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。為培養(yǎng)適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要和符合未來化學(xué)工業(yè)高速發(fā)展要求的合格人才，上海電力大學(xué)在2012年組建環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院后，成立了以化工為基礎(chǔ)、能源化工為特色的化學(xué)工程與工藝新專業(yè)，并于當(dāng)年開始招生，目標(biāo)是培養(yǎng)國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)需要的人才。該專業(yè)涉及可再生能源技術(shù)、節(jié)能減排技術(shù)、清潔煤技術(shù)、節(jié)能環(huán)保和資源循環(huán)利用等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科院校重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論教學(xué)的繼續(xù)和延伸，在新專業(yè)的課程體系建設(shè)中，一個(gè)重要的任務(wù)就是構(gòu)建能源化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[1-4]。通過建立專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、內(nèi)容及實(shí)施方法，加深學(xué)生對(duì)專業(yè)課的理解和掌握，鞏固學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，提高學(xué)生觀察、分析、解決問題的能力，為學(xué)生掌握專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐技能奠定基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的建設(shè)與探索，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已初具規(guī)模，但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中仍存在一些問題，主要表現(xiàn)為：1.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目演示型和驗(yàn)證型多，綜合型和設(shè)計(jì)型少;2.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“能源化工”特色不明顯;3.教學(xué)方式單一，無法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性;4.實(shí)驗(yàn)室開放利用率不高。針對(duì)上述問題，以新工科建設(shè)為背景，以高水平地方應(yīng)用型大學(xué)建設(shè)為契機(jī)，結(jié)合專業(yè)工程教育認(rèn)證和學(xué)科評(píng)估，充分發(fā)揮學(xué)院和學(xué)科特色，上海電力大學(xué)探索能源化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

（一）指導(dǎo)思想

為了更好地對(duì)接國家新能源戰(zhàn)略，適應(yīng)化學(xué)工程與工藝學(xué)科發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的要求[5-7]，結(jié)合國家和上海市教育發(fā)展規(guī)劃綱要，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為核心，按照上海電力大學(xué)“立足電力、立足應(yīng)用、立足一線”的辦學(xué)方針和“務(wù)實(shí)致用，明理致遠(yuǎn)”的辦學(xué)理念，平臺(tái)建設(shè)以“突出理論基礎(chǔ)，強(qiáng)化生產(chǎn)應(yīng)用，著力科技創(chuàng)新，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)”為指導(dǎo)思想，突出電力工業(yè)發(fā)展特點(diǎn)，以滿足目前學(xué)生在夯實(shí)基礎(chǔ)、提高動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力方面培養(yǎng)的要求。

（二）教學(xué)理念

平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念是：以學(xué)生為主，“厚基礎(chǔ)、重能力、強(qiáng)實(shí)踐”三位一體?！昂窕A(chǔ)”即在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中加強(qiáng)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和基本操作的培養(yǎng)和鞏固，注意理論聯(lián)系實(shí)際;“重能力”即在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中重視培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?“強(qiáng)實(shí)踐”即在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中鼓勵(lì)學(xué)生不受實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)教材的限制，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和完成實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是人才培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié)，以平臺(tái)建設(shè)的指導(dǎo)思想和教學(xué)理念為準(zhǔn)線，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，平臺(tái)按照學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解、掌握知識(shí)的規(guī)律，遵循促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力梯級(jí)遞增、注重學(xué)生個(gè)性發(fā)展的原則，構(gòu)建分層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)、技能訓(xùn)練、綜合實(shí)踐和應(yīng)用創(chuàng)新四個(gè)層次。1.基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)：主要學(xué)習(xí)掌握最根本的基礎(chǔ)理論知識(shí)，認(rèn)識(shí)各種儀器的構(gòu)件、工作原理，如二氧化碳臨界狀態(tài)觀測(cè)及氣體p-V-T關(guān)系測(cè)定。2.技能訓(xùn)練：主要通過儀器的使用，體驗(yàn)實(shí)際操作過程，掌握操作技能，增強(qiáng)動(dòng)手能力，如煤的發(fā)熱量測(cè)定、石油產(chǎn)品餾程測(cè)定等。3.綜合實(shí)踐：主要結(jié)合實(shí)際任務(wù)，使學(xué)生面向工程實(shí)際應(yīng)用，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、對(duì)知識(shí)的融會(huì)貫通能力、獨(dú)立思考問題的能力和團(tuán)隊(duì)合作協(xié)調(diào)能力，如鼓泡反應(yīng)器中汽泡比表面及氣含率的測(cè)定、碳分子篩變壓吸附氣體分離實(shí)驗(yàn)等。4.應(yīng)用創(chuàng)新：主要鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好參加科研項(xiàng)目和科技創(chuàng)新活動(dòng)，全面培養(yǎng)和提高學(xué)生的科研能力、探索能力和創(chuàng)新能力，如能源與環(huán)境催化材料制備和測(cè)試實(shí)驗(yàn)，包括碳基復(fù)合催化材料的合成實(shí)驗(yàn)（發(fā)展以碳納米管、碳納米纖維、石墨烯負(fù)載金屬氧化物催化體系）、新型多孔功能催化材料以及環(huán)境催化材料的合成與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)等。通過增加能源化工相關(guān)的應(yīng)用創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)一步突出能源化工特色，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

另外，通過課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、課內(nèi)與課外、校內(nèi)與校外的實(shí)踐和科技創(chuàng)新活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加，自主思考，勇于探索，構(gòu)建一個(gè)從認(rèn)識(shí)、掌握、應(yīng)用到創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。平臺(tái)對(duì)外積極開展校企合作，與上海高橋石油化工有限公司、華能上海石洞口第二電廠、上海石油天然氣有限公司、寶山鋼鐵股份有限公司等多家大型企業(yè)建立了長(zhǎng)期合作關(guān)系，提高了學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)分析、解決實(shí)際問題的能力，真正實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)教融合、學(xué)以致用。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革

（一）引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

在部分與儀器操作相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。教師要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以采用微課、慕課、圖像、視頻等網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行“線下”教學(xué)，將事先拍攝制作的儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和完整實(shí)驗(yàn)操作等視頻資料上傳，要求學(xué)生上課前觀看視頻資料，完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)。課堂上教師再以提問的方式明確實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要點(diǎn)、關(guān)鍵步驟、儀器操作順序等，引導(dǎo)學(xué)生回顧、思考，從而完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。應(yīng)用“翻轉(zhuǎn)課堂”，使部分課堂教學(xué)時(shí)間轉(zhuǎn)化為學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)和實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手操作時(shí)間，提升學(xué)生的參與性，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，充分發(fā)揮課外與課堂教學(xué)相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與合作學(xué)習(xí)能力。

（二）在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入思政元素，發(fā)揮育人功能

習(xí)近平總書記在2016年全國高校思想政治工作會(huì)議上指出，要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人。專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高校教學(xué)工作的重要組成部分，同樣需要在教學(xué)過程中融入思政教育的內(nèi)容，充分挖掘?qū)I(yè)實(shí)驗(yàn)課中的思政元素，發(fā)揮育人功能[8]。在實(shí)驗(yàn)開始前，教師可先將實(shí)驗(yàn)潛在的危險(xiǎn)性和相應(yīng)的應(yīng)急措施告知學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范操作和安全意識(shí)，同時(shí)可以介紹實(shí)驗(yàn)相關(guān)的一些工業(yè)應(yīng)用實(shí)例和發(fā)展歷程等，幫助學(xué)生樹立綠色化工、循環(huán)低碳經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的理念。開展實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，要求學(xué)生精確控制實(shí)驗(yàn)條件，認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，真實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生精益求精、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的“工匠精神”，胸懷匠心。處理實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的廢液時(shí)，告誡學(xué)生不能隨意將其倒入下水道，要分類收集在廢液桶內(nèi)統(tǒng)一由專門的環(huán)保公司進(jìn)行回收，以增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和法治觀念。在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果時(shí)，需要學(xué)生從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中總結(jié)出一般的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和結(jié)論，即從特殊性中總結(jié)出普遍性，由感性認(rèn)識(shí)上升為理性認(rèn)識(shí)，這可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)事物實(shí)事求是、仔細(xì)分析的科學(xué)方法和科學(xué)精神。

（三）建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開展實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)

化工生產(chǎn)過程具有設(shè)備龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素多、需要高溫高壓、具有一定的危險(xiǎn)性等特點(diǎn)，很難在實(shí)驗(yàn)室完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，這增加了學(xué)生對(duì)工業(yè)級(jí)化工裝置、工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行模式學(xué)習(xí)的難度。即使有簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也不能體現(xiàn)各因素相互影響的效果，學(xué)生很難從整體上深入掌握化工生產(chǎn)過程的原理和應(yīng)用。因此，立足當(dāng)前化工專業(yè)人才培養(yǎng)的實(shí)際社會(huì)需求，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來加強(qiáng)學(xué)生化工單元的操作能力，提升專業(yè)技能，這對(duì)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用型工人才培養(yǎng)目標(biāo)意義重大[9]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是基于Web技術(shù)、VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化，具有技術(shù)層面的科學(xué)性、應(yīng)用層面的經(jīng)濟(jì)性、操作層面的安全性和開放層面的共享性等優(yōu)勢(shì)，開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，依托真實(shí)實(shí)驗(yàn)室，在“理論—仿真—真實(shí)—仿真”循環(huán)學(xué)習(xí)中，鞏固加深學(xué)生對(duì)化工過程的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。能源化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，新增了CO2壓縮機(jī)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)、固定床反應(yīng)器系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)、CO中低溫串聯(lián)變換反應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)、煤制甲醇工藝仿真實(shí)驗(yàn)等多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成了綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，從而提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

（四）學(xué)科競(jìng)賽與實(shí)驗(yàn)室開放相結(jié)合，全面提高實(shí)驗(yàn)室利用率

學(xué)科競(jìng)賽作為一種教學(xué)活動(dòng)，是課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充和延伸，是學(xué)生應(yīng)用能力提升、綜合素質(zhì)提高、實(shí)踐能力增強(qiáng)的有效途徑[10]，在高校教學(xué)工作中發(fā)揮著越來越重要的作用。學(xué)科競(jìng)賽一般以專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，但又不限于學(xué)生平時(shí)課堂所學(xué)知識(shí)，具有較強(qiáng)的靈活性、綜合性和創(chuàng)新性。以全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽為例，學(xué)生除了需要掌握化工原理、化工熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、化工分離過程、化工節(jié)能原理與技術(shù)等專業(yè)知識(shí)外，在設(shè)計(jì)過程中還需要熟練使用大量專業(yè)軟件，如Aspen Plus、Aspen Energy Analyzer、Aspen Exchanger Design and Rat?ing、AutoCAD、SW6、Risksystem、SmartPlant 3D 等，這就需要指導(dǎo)教師在課外利用專門的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與儀器設(shè)備對(duì)學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)室開放既可滿足學(xué)科競(jìng)賽的需求，又可充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室資源，提高實(shí)驗(yàn)室利用率。學(xué)院出臺(tái)了《環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開放管理辦法》，對(duì)實(shí)驗(yàn)室開放的條件和形式、組織與實(shí)施、程序和要求等內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)范，同時(shí)采取一系列措施鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)室開放，如學(xué)生參加開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)獲得一定成果的，可申請(qǐng)創(chuàng)新學(xué)分認(rèn)定，用于抵充全校任意選修課學(xué)分，并將開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為教師年終考核（評(píng)優(yōu)）的重要依據(jù)之一。通過實(shí)驗(yàn)室開放，近三年來，我校學(xué)生在全國和上海市的各類大賽中多次獲獎(jiǎng)，包括全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)1項(xiàng);全國大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)大賽全國總決賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng);“協(xié)鑫杯”國際大學(xué)生綠色能源科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng);“挑戰(zhàn)杯”上海市大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)2項(xiàng)等。

（五）科研反哺教學(xué)，從科研項(xiàng)目中提煉應(yīng)用創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

依托上海市電力材料防護(hù)和新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市熱交換系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心兩個(gè)省部級(jí)科研平臺(tái)，能源化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)積極利用科研反哺教學(xué)，通過大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方式，鼓勵(lì)學(xué)生組隊(duì)參與到教師的科研項(xiàng)目中。學(xué)院每年會(huì)組織科創(chuàng)項(xiàng)目的立項(xiàng)申請(qǐng)和答辯，確定院級(jí)、校級(jí)和省市級(jí)等大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目并進(jìn)行公示，同時(shí)對(duì)項(xiàng)目執(zhí)行過程進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督，按時(shí)組織立項(xiàng)項(xiàng)目進(jìn)行中期答辯和結(jié)題答辯，對(duì)取得一定成果的項(xiàng)目予以經(jīng)費(fèi)支持。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、開展實(shí)驗(yàn)研究、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、撰寫研究報(bào)告等過程，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，提高學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。這樣將科研資源轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，逐步形成了“研教一體”的育人環(huán)境。近三年來，學(xué)生與教師共同署名發(fā)表論文86篇，其中SCI論文34篇。尤其是在2017年，學(xué)院2016屆本科生黃倩倩以第一作者在SCI 一區(qū)雜志《Chemical EngineeringJournal》上發(fā)表了學(xué)術(shù)論文。另外，教師積極將現(xiàn)有科研中與本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的研究工作納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，更新專業(yè)課實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過科研工作和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

三、結(jié)語

以新工科建設(shè)為背景，以上海電力大學(xué)高水平地方應(yīng)用型大學(xué)建設(shè)為契機(jī)，能源化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)改革與實(shí)踐，進(jìn)一步確立了實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)在本專業(yè)人才培養(yǎng)中的重要地位，建立了以實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐為主體，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力為核心的化學(xué)工程與工藝實(shí)踐訓(xùn)練體系?；A(chǔ)認(rèn)識(shí)、技能訓(xùn)練、綜合實(shí)踐和應(yīng)用創(chuàng)新四個(gè)不同層次的實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)成了一個(gè)層次清晰、基礎(chǔ)扎實(shí)、循序漸進(jìn)、具有特色的完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。同時(shí)，通過引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式、引入思政元素、建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、學(xué)科競(jìng)賽與實(shí)驗(yàn)室開放相結(jié)合、科研反哺教學(xué)等一系列方式推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革，有力地推動(dòng)了化學(xué)工程與工藝實(shí)踐體系的整體優(yōu)化，推動(dòng)了人才培養(yǎng)模式改革。這些做法得到了廣大師生的肯定和支持。