物聯(lián)網(wǎng)在應用化學專業(yè)課程建設中的總結(jié)

王榮耕，周長杰，閻晨光，劉天山

摘要：為了更好地解決應用化學專業(yè)的定位問題，根據(jù)學校向應用型轉(zhuǎn)型的實際情況，采用發(fā)揮數(shù)理化多學科綜合優(yōu)勢的方式，培養(yǎng)學生將物聯(lián)網(wǎng)概念應用于化學化工生產(chǎn)實際過程的操作中，綜合應用于化工、生物、環(huán)保、材料等多領域，并靈活運用知識產(chǎn)權(quán)概念，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)奠定基礎。經(jīng)過幾年實踐，培養(yǎng)出的復合型人才在實際工作中都能得到良好的發(fā)展。創(chuàng)新點在于將視野拓寬到應用化學專業(yè)之外，將物聯(lián)網(wǎng)概念與其他學科相結(jié)合。

關鍵詞：復合型人才;物聯(lián)網(wǎng)應用;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè);知識產(chǎn)權(quán)

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）01-0143-03

一、前言

隨著學校向應用型轉(zhuǎn)型的推行，作為傳統(tǒng)基礎學科的應用化學專業(yè)，應如何適應新的形勢，如何培養(yǎng)服務于地方經(jīng)濟建設的有用人才，成為應用化學專業(yè)教學改革的重點和難點。應用化學專業(yè)，本身介于化學與化工之間的應用型理工專業(yè)，但又是化學工程與技術一級學科下的一個二級學科。如何準確定位應用化學的培養(yǎng)方向與特色，成功找到與化工專業(yè)的區(qū)別，充分發(fā)揮理科的優(yōu)勢，是應用化學專業(yè)目前需要解決的首要問題。

國內(nèi)750余所高等院校中，有447所設立應用化學本科專業(yè)，這些院校涉及理、工、醫(yī)、藥、農(nóng)、林、軍和師范等眾多高校，其學校歷史和學科背景不僅不盡相同，而且有較大差異性。如何建設有特色的應用化學專業(yè)，是這些高校所面臨的共同問題。

國內(nèi)在這方面的研究，主要是圍繞化學教學內(nèi)容自身的改革[1]，李群等提出“應根據(jù)地域優(yōu)勢性與學科先進性原則和寬口徑原則建設具有特色的應用化學專業(yè)”[2]，林榕光提出“加強師資隊伍建設，提高科研水平，加強實踐教學環(huán)節(jié)”等理念[3]，王俊等提出“利用自身行業(yè)優(yōu)勢，發(fā)展有特色的應用化學專業(yè)”[4]，黃忠京提出“根據(jù)地方經(jīng)濟，發(fā)展符合地方特色的應用化學培養(yǎng)模式”[5]，潘路等提出“結(jié)合本專業(yè)成長經(jīng)歷，發(fā)展具有特色的應用化學專業(yè)”[6]。蘇立強提出“應用化學專業(yè)是應用研究型專業(yè)，而不是工程型專業(yè)，應根據(jù)學校的特色，重點發(fā)展儀器分析與應用有機”[7]。許嘉等提出“本校應用化學的重點是‘培養(yǎng)掌握從材料制備，物質(zhì)分離，分析檢測到性能評價等完整知識體系的應用型專門人才，專業(yè)方向為分析測試技術和材料化學”[8]。王榮耕等提出“綜合數(shù)理化知識，培養(yǎng)綜合型應用人才[9]，提出利用河北科技大學理學院具有數(shù)理化的優(yōu)勢，開展物聯(lián)網(wǎng)在化學化工中的應用，并取得一定的效果”。

二、建設內(nèi)容

（一）設計理念

重點培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維與意識，讓數(shù)理化及知識產(chǎn)權(quán)方面的知識在學生頭腦中形成立體的知識網(wǎng)，形成可持續(xù)進行的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的培訓系統(tǒng)，在理學院形成持續(xù)的學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的培養(yǎng)模式，具體包括培養(yǎng)方案、課程體系、教材、實驗室建設、師資隊伍等，組織在校學生全方位地開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，為我校今后的多學科合作發(fā)展，配合學校向應用型高校轉(zhuǎn)型，培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力方面的發(fā)展奠定良好的基礎。該項目研究成功后，可應用于我?；W院、環(huán)境學院與生工學院，具有較好的推廣意義。

（二）設計思路

物聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，對各行各業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響，簡單說，物聯(lián)網(wǎng)就是將傳感器技術、信息技術綜合應用于各種實際系統(tǒng)中。

理學院擁有數(shù)理化方面的專業(yè)優(yōu)秀人才，具有開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)的人才優(yōu)勢和技術優(yōu)勢：物理系的應用物理專業(yè)負責各種型號的傳感器的選擇、開發(fā)與調(diào)試，通過選擇性離子電極或其他傳感器進行信號收集與檢測，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將各種信號如溫度、壓力、反應物濃度等轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谔幚砗蛡鬏數(shù)臄?shù)字信號。數(shù)學系應用數(shù)學專業(yè)建立相應的數(shù)學模型，對化學反應進行仿真和求解，并對各種參數(shù)進行比例控制與反饋。在此基礎上，應用數(shù)學專業(yè)的知識，對控制過程進行精準的模擬和建模，配合物理學及化學方面的相應知識，對各種操作進行精準控制。

化學系應用化學專業(yè)提出需要控制的參數(shù)與控制條件，并將數(shù)學系與物理系的研究成果應用于化學反應系統(tǒng)。如利用溫度傳感器，對反應體系的溫度進行檢測和控制，并通過網(wǎng)絡系統(tǒng)將溫度信號傳輸?shù)轿锪系渭酉到y(tǒng)，利用比例控制（PID）技術，對物料的加入速度進行控制，以保證反應體系的溫度保持在預先設定的溫度。同樣還可以應用于對反應體系pH值的監(jiān)測與控制，對溶液中液位、某種離子濃度的控制、體系壓力及顏色變化等諸多因素的監(jiān)測與控制。在形成一個由監(jiān)測—傳輸—統(tǒng)計—建?！抡妗蠼狻刂啤答伒耐暾到y(tǒng)后，可以引導學生將這個體系應用到不同的化學反應過程中，實現(xiàn)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的可持續(xù)發(fā)展。

在以上基礎上，進一步培養(yǎng)學生檢索有效信息的能力和知識產(chǎn)權(quán)保護與戰(zhàn)略運用的能力。面對知識爆炸的時代，如何有效地在海量信息中收集并辨別真實有效的信息，是從事科研工作的基礎。因此，需要培養(yǎng)學生形成良好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和能力，而如何對這些成果進行有效的知識產(chǎn)權(quán)保護，是實現(xiàn)由創(chuàng)新到創(chuàng)業(yè)的關鍵節(jié)點。

（三）實施安排

首先在理學院選取少數(shù)學生，小范圍地進行課外培訓，講授與物聯(lián)網(wǎng)在化學化工中應用的相關專業(yè)知識，并引導學生開展此方面的學習。在教師的指導下，由學生提出問題、自行查閱相關資料并經(jīng)過不同專業(yè)的學生之間綜合交流討論后，制定解決方案，經(jīng)過指導教師認可后，開展實驗室工作，進行軟硬件開發(fā)與綜合調(diào)試，反復試驗后，制備出樣機。在以上工作的基礎上，由學生撰寫論文，由指導教師審閱指導修改完善后，投稿于專業(yè)雜志。同時引導學生綜合運用知識產(chǎn)權(quán)方面的知識，積極開展發(fā)明專利與實用新型專利等知識產(chǎn)權(quán)的申請，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)奠定知識產(chǎn)權(quán)的基礎。

1.課程建設情況。課題組成員經(jīng)過綜合討論與交流后，優(yōu)選教學內(nèi)容，安排合理的實驗項目，合理的分配課時，并在小范圍內(nèi)組織學生開展課外科技活動?，F(xiàn)已經(jīng)完成教學大綱和教案的制定，在河北科技大學開設《物聯(lián)網(wǎng)在化學化工中的應用》創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程，并實現(xiàn)在線開放課程。

2.教學效果與成果。通過一段時間的實踐，組織學生研究2017年河北省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“智能化氨基酸精制控制系統(tǒng)項目”（項目編號：201710082030），已經(jīng)順利結(jié)題，并以學生為第一作者發(fā)表論文一篇，申請國家發(fā)明專利與實用新型專利各一項。該項目的實施使得學生深入體會到數(shù)理化知識聯(lián)合在化學化工生產(chǎn)中具體應用的好處，同時提高了學生的獨立思考能力、寫作能力和靈活運用知識產(chǎn)權(quán)概念的能力，學會了不同專業(yè)之間的相互協(xié)調(diào)合作與配合，強化了團隊意識和協(xié)作意識。在以上工作的基礎上，引導學生承擔校級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“智能加料控溫裝置”（項目編號：2018063），實現(xiàn)了該項目的可持續(xù)發(fā)展。

3.本課程與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)關系。本課程提出將數(shù)理化等基礎學科的知識綜合應用于化學化工類的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目中，打破了不同學科各自獨立相互不聯(lián)系的傳統(tǒng)模式，本身就具有極大的創(chuàng)新性。因為在學生畢業(yè)后從事具體工作時，面對各種實際情況，往往是需要多學科的綜合知識，組織不同學科的專業(yè)人員聯(lián)合攻關，才能解決實際問題。因此學習本課程時，學生首先要在頭腦中形成立體的、綜合的知識網(wǎng)絡，可以從不同角度對實際問題進行思考分析和判斷，極大地增強了自身解決實際問題的能力。從知識儲備方面，具有了綜合不同學科來處理現(xiàn)實中復雜問題的能力和想法，對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作提供了極大的幫助。

4.培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。本課程在教授不同專業(yè)知識的同時，還強調(diào)這些傳感器、數(shù)學建模、數(shù)據(jù)傳輸與存儲等基礎知識，學生可以將其靈活地綜合應用于具體的化學化工過程。例如，可以使用玻璃電極對溶液的pH值進行檢測，從而開發(fā)智能化氨基酸精制裝置;同樣道理，可以利用溫度傳感器對放熱或者吸熱反應過程的加料進行智能化控制，從而開發(fā)智能化感溫加料裝置;利用不同的傳感器（如壓力傳感器），某種離子的選擇性電極、液位傳感器等不同傳感器技術，可以開發(fā)系列智能化的控制裝置。利用這樣舉一反三的教學理念，傳授給學生基礎的知識和理論架構(gòu)，由學生自行選擇具體的傳感器或者具體應用，使得該課程具有可持續(xù)發(fā)展的特點，解決了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程難以持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題。

5.培養(yǎng)學生創(chuàng)業(yè)意識。現(xiàn)在的學生不缺乏創(chuàng)業(yè)意識，而是缺乏創(chuàng)業(yè)所需要的基本知識和能力。在經(jīng)過我們創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程的基礎教育后，學生可以靈活地綜合應用數(shù)理化知識，根據(jù)實際情況提出各種新奇的、實用的想法，并用于學生將來的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動中。但是由思路和實驗室圖紙到規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)，是一個相當復雜的多因素的變化過程，因此，創(chuàng)業(yè)需要足夠的資金、優(yōu)秀的人才組合、合理的市場策劃等眾多因素支持。

我們認為首先應該培養(yǎng)學生靈活應用知識產(chǎn)權(quán)的能力。在學生提出新的想法與設想時，經(jīng)過學生與導師的反復討論，選擇具有一定發(fā)展?jié)摿Φ捻椖?，積極申請國家發(fā)明專利，申請對該知識產(chǎn)權(quán)的保護，并培養(yǎng)學生考慮以技術入股的方式吸引投資的思維，提高創(chuàng)業(yè)的成功率。

（四）實施過程和總結(jié)

以“智能化氨基酸精制裝置”項目為例，我們對該課程的實施過程和效果進行了總結(jié)和說明。

1.問題的提出。該項目來源于工廠對氨基酸精制過程的實際需求：氨基酸精制過程要求中和的終點準確停止于特定的pH值，否則對產(chǎn)品的收率和質(zhì)量有很大的影響。國內(nèi)的小型化工廠還是采用傳統(tǒng)的人工控制方法進行控制，非常容易發(fā)生多加或少加堿液的問題，而且操作過程無法實現(xiàn)實時的記錄與控制，容易造成產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)率的不穩(wěn)定。

2.解決思路。我們綜合理學院數(shù)理化專業(yè)的優(yōu)勢，引導學生研發(fā)了一種智能裝置，利用可智能控制流量的蠕動泵精確控制加酸的數(shù)量，提高產(chǎn)品的收率和質(zhì)量，而且減少高位槽的建設費用，節(jié)省安裝空間，減少高位槽中強酸溶液因腐蝕等原因造成的安全隱患。其工作原理綜合了應用物理專業(yè)的傳感器技術和應用數(shù)學專業(yè)的信息技術，并將這兩項技術綜合應用于化工生產(chǎn)的實際過程中。

這套智能裝置利用傳感器技術對反應體系的pH值進行檢測，并通過網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂浦行模ɑ蚩刂破鳎?，通過對比實時的pH值與設定值，并根據(jù)兩者的差值確定加料的速度，通過比例分析技術（PID）對加料裝置進行精準控制，常用的加料裝置有蠕動泵、隔膜泵等。首先，使用溫度檢測探頭對精制系統(tǒng)的溫度進行檢測，并與預定的溫度值相對比，當系統(tǒng)溫度超過預設溫度值時，停止加酸，降溫并發(fā)出報警信號，待系統(tǒng)溫度降低到設定溫度以下后繼續(xù)加酸。這樣的設置可以避免系統(tǒng)溫度過高，對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。其次，采用pH傳感器對溶液pH值進行實時監(jiān)測，并將檢測值與預先設定值進行對比，并根據(jù)兩者差值對加酸流量進行控制：加酸流量隨差值變化而按比例變化，當差值較大時，加酸流量較大，隨之差值的減小到零，加酸流量逐漸減小至零。這樣可以實現(xiàn)對溶液pH值進行精制的控制，以使其準確地停在其等電點。同時，該裝置還可以選擇對總體積進行檢測和控制，當總體積超過預設值時，管理系統(tǒng)停止加酸操作，以保證精制容器中物料不會因加酸過多而溢出。

該系統(tǒng)還可以根據(jù)預先設定的參數(shù)，將系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡發(fā)送給不同的平臺和終端。

該項目成功地將數(shù)理化三個基礎學科，有機地結(jié)合在一起，用于解決實際生產(chǎn)過程中的精準控制與安全問題。

3.成果。本項目完成后制作出智能化氨基酸精制控制系統(tǒng)一套，并經(jīng)過實驗室實驗和工廠試用，效果良好。本研究成果《綜合發(fā)揮數(shù)理化多學科優(yōu)勢，開發(fā)智能化氨基酸類產(chǎn)品精制控制裝置》發(fā)表在《煤炭與化工》雜志，同時已經(jīng)申請國家發(fā)明專利和實用新型專利各一項。

4.創(chuàng)新點。將數(shù)理化三個基礎學科的知識有機地結(jié)合起來，應用于化工生產(chǎn)的實際過程，具有較強的應用性和綜合性，可以將學生培養(yǎng)成復合型、應用型人才。同時在該項目的基礎上，可以通過更改不同的傳感器，實現(xiàn)對化工生產(chǎn)過程中的不同參數(shù)，如溫度、壓力、某種離子的濃度等進行在線檢測與控制，因此該項目具有良好的持續(xù)性，可以用于系統(tǒng)地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，使學生再次體驗“學好數(shù)理化，走遍天下都不怕”的理念。

三、問題與不足

綜合不同學科開展在校生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程，也是我們?yōu)榻虒W改革做出的初步嘗試，由于經(jīng)驗不足、精力有限和經(jīng)費限制，目前該項目運作中尚有一些不完善的地方，例如學生的時間得不到充分的保證，平時課程比較緊張，特別是考試階段，學生很難保證有充裕的時間開展這些工作，而假期學?；咎幱陉P閉狀態(tài)，教師平時科研教學任務繁重，精力、時間和經(jīng)費也得不到充分的保障。

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The Summary of Curriculum Building Internet of Things for Applied Chemistry

WANG Rong-geng，ZHOU Chang-jie，YAN Chen-guang，LIU Tian-shan

（Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：In order to solve the orientation problem of applied chemistry，agree with university turn to applied，comprehensive play the school of science include applied math，applied physics and applied chemistry，train student to take the concept of Internet of things applied in chemistry and chemical industry，combine the concept of intellectual property，get good foundation for ?innovation and entrepreneurship.The innovation point was combine different knowledge for chemistry and chemical industry.

Key words：compound talents;applied of Internet of things;innovation and entrepreneurship;intellectual property