化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)綠色化學(xué)教學(xué)改革*

張春勇，劉維橋，舒 莉，文穎頻，鄭純智

(江蘇理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于受到時(shí)代、技術(shù)和理念等限制，科學(xué)家和工程師沒(méi)有全面考慮化工生產(chǎn)過(guò)程對(duì)社會(huì)、資源、環(huán)境的破壞影響，從而造成了資源短缺以及環(huán)境惡化，造成了談“化”色變的被動(dòng)局面[1]。化學(xué)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)和支柱，國(guó)家綜合實(shí)力和人民生活都離不開(kāi)化工。光刻膠、電子工業(yè)中使用的各種功能性膠水、高端油墨、船舶油漆、航空輪胎、軸承鋼等等高端化工產(chǎn)品都依賴進(jìn)口。化學(xué)工業(yè)在部分人眼中是危險(xiǎn)的，但如果一個(gè)國(guó)家沒(méi)有化學(xué)工業(yè)的未來(lái)才更加危險(xiǎn)。

20世紀(jì)90年代美國(guó)學(xué)者首先提出綠色化學(xué)的概念(Green Chemistry)、綠色化學(xué)十二條規(guī)則等[2]，綠色化學(xué)開(kāi)始迅速蓬勃發(fā)展。綠色化學(xué)(Green Chemistry)又稱(chēng)為清潔化學(xué)(Clean Chemistry)或環(huán)境友好化學(xué)(Environmentally Friendly Chemistry)[3]。環(huán)境化學(xué)和工程是對(duì)污染的“末端治理”。綠色化學(xué)包含環(huán)境保護(hù)，是采用“原子經(jīng)濟(jì)性”(Atomeconomy)反應(yīng)，從源頭上、過(guò)程上防止和減少污染，采用無(wú)毒無(wú)害的原料、催化劑和溶劑，利用綠色技術(shù)、清潔生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)“零排放”[4]。綠色化學(xué)核心思想或內(nèi)涵是用化學(xué)新思想、新理論、新技術(shù)、新工藝，從源頭消除污染，阻止或減少環(huán)境污染和危害。發(fā)展高質(zhì)量綠色化工是我國(guó)化學(xué)工業(yè)的必然之路。

中國(guó)最早研究綠色化學(xué)的科學(xué)家有綠色化學(xué)開(kāi)拓者閔恩澤院士、中國(guó)綠色化學(xué)的先驅(qū)和斗士張俐娜院士等。我國(guó)的綠色化學(xué)高等教育處于上升階段，許多高校開(kāi)設(shè)了綠色化學(xué)課程并建成國(guó)家級(jí)精品資源共享課程。但是將綠色化學(xué)教育貫穿整個(gè)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程的比較少見(jiàn)。

江蘇理工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)將綠色化學(xué)教育貫穿整個(gè)專(zhuān)業(yè)教育過(guò)程，使培養(yǎng)的化工專(zhuān)業(yè)人才具有綠色發(fā)展的理念、思想和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)能力。

1 培養(yǎng)目標(biāo)的確立

江蘇理工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)立足江蘇，面向全國(guó)，服務(wù)于長(zhǎng)三角區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)和大化工行業(yè)發(fā)展，以綠色化工技術(shù)與應(yīng)用為主線，培養(yǎng)德、智、體、美、勞全面發(fā)展具有良好的職業(yè)道德和社會(huì)責(zé)任感，良好的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力及創(chuàng)新精神，具備綠色化工實(shí)驗(yàn)技能、工程實(shí)踐、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、科學(xué)研究與工程設(shè)計(jì)方法的基本理論和基本技能，掌握綠色化工生產(chǎn)工藝過(guò)程和設(shè)備的基本規(guī)律和原理，具有從事綠色化工生產(chǎn)的控制與管理、化工產(chǎn)品和過(guò)程的研究開(kāi)發(fā)、化工裝置與流程的設(shè)計(jì)等能力的高級(jí)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

2 課程設(shè)置

開(kāi)設(shè)綠色化學(xué)課程。教材選用高等學(xué)校十二五規(guī)劃教材綠色化學(xué)[5]和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生教材綠色化學(xué)[6]。將無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化工工藝學(xué)、精細(xì)化工、化工設(shè)計(jì)等課程直接采用“綠色”教材，課程名稱(chēng)分別改為綠色無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、綠色有機(jī)化學(xué)、綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、綠色化工工藝學(xué)、綠色精細(xì)化工、綠色化工過(guò)程設(shè)計(jì)。

表1 綠色化課程Table 1 Green curriculum

對(duì)于市面上無(wú)成熟教材的課程，采取部分章節(jié)穿插的方式教學(xué)。如在無(wú)機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)中涉及電化學(xué)的知識(shí)采用綠色電化學(xué)合成[21]這本書(shū)來(lái)講授電化學(xué)知識(shí)。專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)課程中增設(shè)綠色化學(xué)這一章節(jié)。

3 “綠色化”教學(xué)、科研相互促進(jìn)和反哺

江蘇理工學(xué)院化工學(xué)院擁有江蘇省電子廢棄物資源循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇省貴金屬深加工技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室、江蘇省電子廢棄物資源循環(huán)工程中心、江蘇省化學(xué)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、資源循環(huán)利用江蘇省實(shí)踐教學(xué)示范中心、江蘇理工學(xué)院持久性有機(jī)污染物(POPs)分析測(cè)試中心等。軟硬件條件滿足教學(xué)、科研相互促進(jìn)和反哺。

教學(xué)促進(jìn)科研的主要途徑是通過(guò)導(dǎo)師制?？蒲蟹床附虒W(xué)的途徑主要是學(xué)術(shù)講座、教師科研進(jìn)課堂、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)論文等。實(shí)際操作過(guò)程中，“綠色化”教學(xué)促進(jìn)科研，“綠色化”科研反哺教學(xué)兩者是相輔相成、有機(jī)融合在一起的。

導(dǎo)師制是新生入學(xué)時(shí)，將1～3名新生分配給具有博士學(xué)位、副教授以上的老師擔(dān)任導(dǎo)師。導(dǎo)師輔導(dǎo)學(xué)生制定學(xué)業(yè)規(guī)劃、職業(yè)規(guī)劃，指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)和論文，學(xué)生參與導(dǎo)師的科研和教學(xué)過(guò)程。導(dǎo)師制的中心線是學(xué)生參與導(dǎo)師的科研，通過(guò)大一熟悉科研背景、大二進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、大三和大四出成果，完成學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)論文等教學(xué)過(guò)程。解決了本科生參與科研的各種弊端，如學(xué)歷低、時(shí)間短、產(chǎn)出比低，為培養(yǎng)創(chuàng)新性人才打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。為了符合工程認(rèn)證的要求，導(dǎo)師還指導(dǎo)學(xué)生的化工原理課程設(shè)計(jì)、綠色化工過(guò)程設(shè)計(jì)的課程大作業(yè)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽。

將教師的科研成果引入課程也是科研反哺教學(xué)的最重要的手段。一是讓相關(guān)研究方向的老師承擔(dān)相應(yīng)課程或章節(jié)的教學(xué)工作，二是將老師的科研成果轉(zhuǎn)為學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

4 綠色化實(shí)踐教學(xué)

因?yàn)樯a(chǎn)安全、人身安全和生產(chǎn)過(guò)程的制約，化工專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)形式上更接近“認(rèn)識(shí)”實(shí)習(xí)，學(xué)生不能參與到化工生產(chǎn)過(guò)程，如現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)、進(jìn)卸料，DCS控制等實(shí)際操作。學(xué)生將生產(chǎn)實(shí)習(xí)描述為“走馬觀廠”，不清楚現(xiàn)場(chǎng)管線和具體設(shè)備、裝置，收益甚微。因?yàn)榄h(huán)保、安全、效益的原因，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)實(shí)習(xí)也不歡迎。針對(duì)這些弊端，對(duì)生產(chǎn)實(shí)習(xí)進(jìn)行綠色化教學(xué)改革。采取“虛擬仿真(Virtual Reality)加可操作生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地”的方法讓學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中，手可動(dòng)、閥可開(kāi)、DCS可控，實(shí)現(xiàn)一種“沉浸式、體驗(yàn)式”生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程。

化學(xué)工程系建立了化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，擁有計(jì)算機(jī)80臺(tái)、工作站2臺(tái)、圖形工作站2臺(tái)。購(gòu)買(mǎi)了生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真軟件3套，分別是典型化工產(chǎn)3D虛擬現(xiàn)實(shí)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)仿真軟件、丙烯酸甲脂3D虛擬現(xiàn)實(shí)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)仿真軟件、甲醇工藝3D虛擬現(xiàn)實(shí)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)仿真軟件。生產(chǎn)實(shí)習(xí)分為三周，第一周在機(jī)房操作三套工藝的DCS控制系統(tǒng)，完成安全教育、熟悉工藝、掌握開(kāi)停車(chē)、學(xué)會(huì)工藝參數(shù)控制和故障診斷等。

單純的仿真是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了，還需要實(shí)際的和真實(shí)的下場(chǎng)實(shí)習(xí)。聯(lián)系3家具有代表性的制藥、石化、精細(xì)化工企業(yè)，用一周時(shí)間帶領(lǐng)學(xué)生下廠實(shí)習(xí)，重點(diǎn)關(guān)注企業(yè)的文化、安全控制、管理架構(gòu)，熟悉化工工藝流程(化工工藝流程、設(shè)備布置、管路布置)、化工設(shè)備(設(shè)備總圖、裝配圖等)、化工機(jī)器(泵、風(fēng)機(jī)、攪拌裝置等)等。

有了仿真操作和認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，就可以動(dòng)手操作，花一周時(shí)間在江蘇省工程訓(xùn)練中心對(duì)均100噸/年苯四甲酸二酐裝置進(jìn)行真工藝、真設(shè)備、真場(chǎng)景、真操作、真系統(tǒng)實(shí)操訓(xùn)練。通過(guò)虛擬仿真加可操作生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地的方式讓學(xué)生有的看、有的動(dòng)、有的練，切實(shí)可行地提高了學(xué)生的實(shí)訓(xùn)質(zhì)量。

化學(xué)學(xué)科具有其自身的特點(diǎn)，化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科?；瘜W(xué)工程與工藝的學(xué)生要完成的實(shí)驗(yàn)課程有綠色無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)(化學(xué)和儀器)、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化工原理實(shí)驗(yàn)、化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡量遵循綠色化學(xué)十二條規(guī)則，防止污染物的生成，使用對(duì)人體健康和環(huán)境無(wú)毒、無(wú)害(包括極小毒性和無(wú)毒)的原料、溶劑、助劑，能耗低、催化劑綠色化，使收率最大化，產(chǎn)品壽命結(jié)束后可分解。除了直接開(kāi)始綠色化無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和綠色化有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)外，其他實(shí)驗(yàn)過(guò)程盡可能采用“微型化、串聯(lián)循環(huán)實(shí)驗(yàn)”。微型化實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)效果明顯、藥品使用量少、效率高、污染少、實(shí)驗(yàn)安全的優(yōu)點(diǎn)。串聯(lián)實(shí)驗(yàn)是將所有的實(shí)驗(yàn)盡可能串聯(lián)起來(lái)，將某次實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物當(dāng)做下一次實(shí)驗(yàn)的原材料。打破原有實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置，將所有實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一整合為化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生每次做完實(shí)驗(yàn)得到的產(chǎn)品和廢液統(tǒng)一保存在實(shí)驗(yàn)室單獨(dú)藥品柜中，經(jīng)過(guò)教師統(tǒng)一安排或?qū)W生設(shè)計(jì)，作為下一次實(shí)驗(yàn)的原料或溶劑。例如綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)蒸餾和沸點(diǎn)的測(cè)定的產(chǎn)物蒸餾酒精可以作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)用乙醇。將有機(jī)實(shí)驗(yàn)后成分簡(jiǎn)單的甲醇、乙醇有機(jī)混合液作為化工原理實(shí)驗(yàn)精餾的原料，得到的單組分產(chǎn)品甲醇和乙醇又可以返回作為有機(jī)實(shí)驗(yàn)的原料或溶劑。有機(jī)實(shí)驗(yàn)后成分復(fù)雜的有機(jī)混合液作為專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)精餾(萃取精餾、減壓精餾等)的原料，這時(shí)的實(shí)驗(yàn)變?yōu)榫C合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，2-3人實(shí)驗(yàn)組要根據(jù)原料的組成、相對(duì)揮發(fā)度的大小等獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，得到實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師審核后，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種方式不僅單單是節(jié)省了實(shí)驗(yàn)藥品，還培養(yǎng)的學(xué)生的化學(xué)理念、理論、意識(shí)、知識(shí)和綠色創(chuàng)新思維、能力，同時(shí)還培養(yǎng)了他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。由于受到專(zhuān)業(yè)限制，實(shí)在無(wú)法處理的“三廢”，交由環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生主導(dǎo)處理，作為他們的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)或畢業(yè)論文來(lái)源。本專(zhuān)業(yè)學(xué)生協(xié)作，這樣可以開(kāi)拓學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的跨領(lǐng)域知識(shí)融通能力和實(shí)踐能力，提高創(chuàng)新能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

綠色化學(xué)是化學(xué)工業(yè)發(fā)展的必然之路，綠色化學(xué)教育是化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)高等教育的必然之路。按照綠色化學(xué)的要求，對(duì)化學(xué)工程與工業(yè)專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)重新定位，使培養(yǎng)的化工人才符合綠色化工產(chǎn)業(yè)的要求。除了直接開(kāi)設(shè)綠色化學(xué)這門(mén)課程，對(duì)市面上有綠色教材的課程直接采取綠色化教材進(jìn)行授課。對(duì)于市面上無(wú)成熟教材的課程，采取部分章節(jié)穿插的方式教學(xué)。教學(xué)、科研相互促進(jìn)和反哺共同助力綠色化教學(xué)。采用“虛擬仿真加可操作生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地”和“微型化、串聯(lián)循環(huán)實(shí)驗(yàn)”綠色化實(shí)踐教學(xué)，探索化學(xué)工程與工藝人才培養(yǎng)的全新模式。