面向化工專業(yè)科教融合的微化工概論與典型實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

［摘 要］微化工具有傳熱傳質(zhì)速率快、安全可控、節(jié)能高效等優(yōu)點(diǎn)，為化工本征安全帶來了希望，對(duì)未來化工的發(fā)展至關(guān)重要。為順應(yīng)綠色化工、低碳化工的發(fā)展戰(zhàn)略需求，開設(shè)微化工相關(guān)課程勢在必行。文章立足微化工技術(shù)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，開展課堂教學(xué)與科創(chuàng)研究融合的微化工概論與典型實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)，推動(dòng)化工人才培養(yǎng)的改革與創(chuàng)新，以期為化工學(xué)科培養(yǎng)新型高層次人才貢獻(xiàn)力量。

［關(guān)鍵詞］化工；微化工；科教融合；課程設(shè)計(jì)

［中圖分類號(hào)］G642.423 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］2095-3437（2025）09-0023-05

化工是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，在社會(huì)生產(chǎn)中占據(jù)舉足輕重的地位，極大地促進(jìn)著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和人類文明的進(jìn)步?；瘜W(xué)工程學(xué)科的科技革命及教育改革，對(duì)學(xué)科建設(shè)及高素質(zhì)人才培養(yǎng)至關(guān)重要。微化工技術(shù)集微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和化學(xué)化工基本原理于一體，是一種新興的多學(xué)科交叉前沿技術(shù)，其特征尺度在數(shù)微米到數(shù)百微米之間，具有傳熱傳質(zhì)速率快、安全可控、節(jié)能高效等優(yōu)點(diǎn)，為化學(xué)工程學(xué)科的基礎(chǔ)研究指明了全新的方向，為化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了新模式。微化工技術(shù)是傳統(tǒng)化工的重要補(bǔ)充，然而目前微化工的研究仍處于起步階段，微尺度下流體流動(dòng)、傳遞、反應(yīng)機(jī)制等相關(guān)理論不夠完善，因此開設(shè)微化工相關(guān)課程，培養(yǎng)新一代微化工技術(shù)人才，為微化工的理論與技術(shù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量尤為重要。

微化工概論與典型實(shí)驗(yàn)課程（以下簡稱本課程）結(jié)合南京工業(yè)大學(xué)生化工學(xué)院的化工特色和當(dāng)下社會(huì)對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求，將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，將課堂教學(xué)與科學(xué)研究相融合，能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與理論運(yùn)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探索能力、科研實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，為未來化工行業(yè)培養(yǎng)高端人才。本文從課程內(nèi)容、教學(xué)模式和課程考核方式等角度對(duì)本課程的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

一、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

本課程對(duì)微流控技術(shù)近年來在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)及典型實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行了總結(jié)，主要內(nèi)容包括緒論、微流控技術(shù)基本特性及參數(shù)測定、微流控芯片設(shè)計(jì)與制備、微流控液滴的制備與混合、微流控技術(shù)制備微球、微流控技術(shù)制備納米材料、微流控紡絲及紡絲化學(xué)、微流控技術(shù)制備先進(jìn)材料、微流控反應(yīng)合成精細(xì)化學(xué)品、微流控技術(shù)構(gòu)筑2D和3D結(jié)構(gòu)材料、微化工典型工業(yè)化裝置等。課程內(nèi)容設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)“微尺寸、微流控、微結(jié)構(gòu)”三微合一的化工未來發(fā)展理念。

教材是課程成功的重要基礎(chǔ)。本課程精選了《微化工概論與典型實(shí)驗(yàn)》和《微化工技術(shù)》兩本教材，既符合教學(xué)大綱要求，又有科學(xué)研究作為支撐，所選教材聲譽(yù)高、質(zhì)量好。本課程教學(xué)不限于教材內(nèi)容，課程團(tuán)隊(duì)篩選出最新的科研成果與產(chǎn)業(yè)化案例進(jìn)行講解，讓學(xué)生了解學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)；在教學(xué)過程中廣泛查閱搜集國外的微化工教學(xué)案例，取其精華，培養(yǎng)學(xué)生的國際化視野。

二、課程教學(xué)模式

本課程采取理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的模式，有利于學(xué)生充分了解微化工的研究進(jìn)展以及基本理論知識(shí)，并通過實(shí)驗(yàn)掌握微化工的實(shí)際應(yīng)用。

在理論內(nèi)容方面，本課程將充分利用現(xiàn)代信息教育技術(shù)，精心制作多媒體課件。課件在教材的基礎(chǔ)上融入最新的科研動(dòng)態(tài)以及相關(guān)視頻案例，做到教學(xué)豐富有趣，講解翔實(shí)生動(dòng)，以充分吸引學(xué)生的注意力。此外，針對(duì)不同教學(xué)模塊精選最新的微化工研究論文進(jìn)行輔學(xué)輔教，并與學(xué)生在現(xiàn)場展開熱烈討論，從而引導(dǎo)學(xué)生開展啟發(fā)性、探究性、研究性學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與課堂參與度。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生深化理論知識(shí)的最基礎(chǔ)、最有效、最直觀的手段，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、思考能力培養(yǎng)具有啟發(fā)和導(dǎo)向作用。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，本課程針對(duì)每一章節(jié)內(nèi)容設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)案例，包括流速測定，芯片制備，液滴、微球、納米材料和精細(xì)化學(xué)品合成，微流控紡絲和微流控3D打印等。學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過引入新穎的、前沿的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，理論聯(lián)系實(shí)際，讓學(xué)生化被動(dòng)為主動(dòng)，這樣不僅能使學(xué)生鞏固微化工的理論知識(shí)，而且能使學(xué)生直觀地對(duì)比微化工與傳統(tǒng)化工的異同點(diǎn)與優(yōu)劣勢，從而對(duì)理論知識(shí)形成更深層次的理解。此外，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐可以激發(fā)學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力，達(dá)到科教融合的目的。理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式不僅能提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與實(shí)際應(yīng)用能力，而且能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與知識(shí)交叉整合能力，達(dá)到真正培養(yǎng)出高素質(zhì)應(yīng)用型人才的目的。以下以微流控基礎(chǔ)特性實(shí)驗(yàn)、微流控技術(shù)制備液滴、微流控合成納米材料、微流控紡絲化學(xué)實(shí)驗(yàn)為代表性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（一）實(shí)驗(yàn)案例1：毛細(xì)管測表面張力

當(dāng)微反應(yīng)器的尺寸大幅度減小時(shí)，微通道的表面積與體積比大大增大。在微尺度下，流體的流動(dòng)性質(zhì)與常規(guī)尺度流體有一定差別，此時(shí)表面張力對(duì)流體流動(dòng)起主導(dǎo)作用。液滴通過最小化表面積來使其自由能最小化，造成這種情況的有效力稱為表面張力（γ）。表面張力的方向與液面垂直，將毛細(xì)管插入水中，水對(duì)玻璃的浸潤作用使管內(nèi)的水面形成凹面（如圖1所示）。由于液面總是趨向平整，彎曲的液面會(huì)對(duì)下層液體施加壓力，水面會(huì)沿毛細(xì)管壁上升。當(dāng)液體不再上升時(shí)，表明液面的上下壓強(qiáng)趨于平衡。毛細(xì)管內(nèi)受力平衡方程為：

[F1+mg-F2-fcosθ=0] " " " " " " " " " " " " " （1）

式（1）中，[F1]為毛細(xì)管內(nèi)液面上部壓力，[F2]為下部托力。液柱下端與管外水面等高，壓力為大氣壓力，則[F1=F2]。[mg=ρghπr2]（h為毛細(xì)管內(nèi)液柱上端凹面到管外液面的高度），為液柱的重力。[ fcos θ]為表面張力， [f=γ2πr]。r為毛細(xì)管內(nèi)半徑，[θ]為液面接觸角。

理想狀態(tài)下，純凈水與光滑玻璃間的接觸角[θ=0]時(shí)，則式（1）可簡化為：

[ρghπr2=γ2πr] " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

[γ=12ρghr] " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

當(dāng)接觸角[θ=0]時(shí)，液柱凹面為半球形，凹面周圍液體體積等于半徑為r、高為r的圓柱體積減去半球體積，相當(dāng)于管中r/3高的液柱體積，式（3）中的h應(yīng)當(dāng)增加r/3的修正值，則表面張力為：

[γ=12ρgr（h+r3）] " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

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圖1 毛細(xì)管測表面張力實(shí)驗(yàn)原理圖

（二）實(shí)驗(yàn)案例2：微流控技術(shù)制備液滴

微流控技術(shù)制備液滴是在微流控芯片上產(chǎn)生液滴，使其中一相流體分散于另一相不互溶或部分互溶流體中的過程。將其中一種流體作為連續(xù)相，另一種互不相溶的流體作為分散相，分散相將以微小體積（10-15～10-9 L）單元的形式分散于連續(xù)相中，從而形成液滴。在微流控領(lǐng)域，主要采用被動(dòng)法來制備液滴。

實(shí)驗(yàn)采用微流體高效反應(yīng)/組裝儀和T型微流控芯片進(jìn)行（如圖2所示）。該微流控裝置由30 G毛細(xì)管鋼針、T型微流控芯片和PDMS軟管組成流體通道，30 G針頭通過醫(yī)用注射器與微流體泵連接。在注射泵的推動(dòng)下，兩相流體在針頭末端匯聚。在液滴剪切應(yīng)力和表面張力的共同作用下，流速比較慢的水溶液（分散相）被流速較快的甲基硅油（連續(xù)相）剪切成單分散的液滴模板，并隨甲基硅油從PDMS軟管的出口流出、收集。

（三）實(shí)驗(yàn)案例3：微流控技術(shù)制備碳量子點(diǎn)納米材料

微流控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速傳質(zhì)和傳熱，可調(diào)的反應(yīng)微環(huán)境提高了反應(yīng)的均一性，克服了傳統(tǒng)方法制備納米材料粒徑分布較寬的缺點(diǎn)，已經(jīng)成為納米材料制備的有效手段之一。本實(shí)驗(yàn)以檸檬酸和尿素為前驅(qū)體合成碳量子點(diǎn)，檸檬酸和尿素的混合速率決定了反應(yīng)過程，混合物的溫度影響了反應(yīng)速率。因此，兩種原料在混合前經(jīng)過預(yù)熱，確保了在反應(yīng)溫度下的直接反應(yīng)和更快的傳熱速率。根據(jù)LaMer理論，當(dāng)單體濃度過飽和到一定程度時(shí)，會(huì)析出大量的晶核。在微流控合成碳量子點(diǎn)的過程中，在高溫下短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了大量的單體，產(chǎn)生了更多的晶核，而在傳統(tǒng)的間歇反應(yīng)釜中單體的過飽和度會(huì)較低，晶核會(huì)較少。此外，微流控合成避免了傳統(tǒng)碳量子點(diǎn)合成方法中高壓反應(yīng)釜的使用，極大地提高了碳量子點(diǎn)合成過程的安全性。

碳量子點(diǎn)的微流控合成過程主要分為三部分：進(jìn)料段、高溫反應(yīng)段和冷凝縮合段（如圖3所示）。除反應(yīng)管道外，進(jìn)料段還包括兩臺(tái)微流體注射泵，高溫反應(yīng)段為油浴，冷凝縮合段為水浴。將檸檬酸溶液和尿素溶液預(yù)熱至反應(yīng)溫度，在微混合器中混合?；旌锨拔⑼ǖ纼?nèi)徑為0.6 mm，混合后內(nèi)徑變?yōu)?.0 mm?；旌锨暗墓軓街暂^小，是為了保證原料被充分加熱，在固定的流速下更有效地混合，從而提高傳質(zhì)和傳熱速率。檸檬酸在反應(yīng)溫度下分解為二氧化碳和水，導(dǎo)致微通道中的氣液分段流動(dòng)。在合成單分散碳量子點(diǎn)時(shí)，停留時(shí)間分布比較窄。

（四）實(shí)驗(yàn)案例4：微流控紡絲化學(xué)法一步制備鈣鈦礦納米晶纖維膜

微反應(yīng)器能夠?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)提供一個(gè)空間受限的反應(yīng)環(huán)境，與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，其優(yōu)勢包括高效的傳質(zhì)傳熱效率、高的比表面積、優(yōu)秀的溫度控制和停留時(shí)間管理、低能源消耗等?；诖耍緦?shí)驗(yàn)采用纖維紡絲化學(xué)的方法來制備鈣鈦礦納米晶。該方法是指利用紡絲纖維作為化學(xué)反應(yīng)微反應(yīng)器，優(yōu)化紡絲條件，并提供毫米級(jí)、微米級(jí)和納米級(jí)的反應(yīng)器。

PMMA因其高達(dá)92%的高透明度、優(yōu)異的力學(xué)性能以及與CsPbBr3前驅(qū)液的良好相容性而被選為內(nèi)相材料。TPU由于其良好的抗氧化性和耐水性，被用作外相材料。本實(shí)驗(yàn)采用了一種三流體同軸靜電微流控紡絲工藝，使Br-/PMMA流體與Cs+/Pb2+/PMMA流體在Y型微流控芯片入口處混合為內(nèi)相，TPU流體作為外相，在PMMA/TPU核殼納米纖維中原位生成CsPbBr3鈣鈦礦納米晶。實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。紡絲化學(xué)法制備的量子點(diǎn)纖維薄膜具有良好的光學(xué)性能、穩(wěn)定性、耐水性和柔韌性，在柔性/可穿戴光電器件中具有潛在的應(yīng)用。另外，這種紡絲化學(xué)策略可以普遍用于各種高性能納米粒子/聚合物納米纖維薄膜的綠色合成。

通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生掌握微流控技術(shù)制備納米材料的方法、原理與優(yōu)勢，以及微流控合成納米材料過程中的過程強(qiáng)化理論。在此過程中，不僅能使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解、掌握基本的實(shí)驗(yàn)操作，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，真正達(dá)到科教融合的目的，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

三、課程考核方式

在傳統(tǒng)的課程中，成績評(píng)定多以“出勤考核+期末考試”的形式進(jìn)行。這種方式容易讓學(xué)生形成考試導(dǎo)向的學(xué)習(xí)，忽視學(xué)習(xí)過程中知識(shí)的積累與鞏固，往往造成考完就忘的結(jié)果。在本課程中，考核由“出勤考核+實(shí)驗(yàn)考核+PPT答辯”組成。出勤考核是為了確保學(xué)生能到課堂學(xué)習(xí)，汲取相關(guān)理論知識(shí)；實(shí)驗(yàn)考核即考核平時(shí)實(shí)驗(yàn)課堂表現(xiàn)，包括實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范、數(shù)據(jù)處理能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度等方面；PPT答辯即課程總結(jié)，是“以學(xué)生為中心”對(duì)所學(xué)課程的總結(jié)與感悟。這種考核方式可以使學(xué)生注重學(xué)習(xí)過程，在理論與實(shí)驗(yàn)課中不斷積累課程知識(shí)。此外，實(shí)驗(yàn)課程不僅可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)，而且可以讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)處理手段和發(fā)展創(chuàng)新能力。PPT總結(jié)環(huán)節(jié)是學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的總結(jié)與提升，此過程可以促進(jìn)學(xué)生綜合能力的提升：一方面學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)從而掌握知識(shí)要點(diǎn)，另一方面PPT的制作也能鍛煉學(xué)生的邏輯能力、學(xué)習(xí)能力與演講能力。因此，這種考核方式完全順應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求，符合“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，能真正培養(yǎng)出綜合型應(yīng)用人才。

四、結(jié)語

本課程通過精心設(shè)計(jì)課程內(nèi)容、教學(xué)模式和課程考核方式，實(shí)現(xiàn)科教融合，不僅使學(xué)生掌握了微化工技術(shù)理論與實(shí)驗(yàn)知識(shí)，而且培養(yǎng)了學(xué)生的科研興趣、創(chuàng)新思維和綜合能力。課程設(shè)計(jì)注重以學(xué)生為中心，目的是為化工領(lǐng)域培養(yǎng)綜合型應(yīng)用人才與科研人才，為化工學(xué)科的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：唐玉萍］