化工工程实践教改综述

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我国现在高等职业教育雏形始于上世纪80年代,办学宗旨是“依靠地方,服务地方”,在培养目标、教育模式、专业设置和管理就业等方面都区别于普通高等院校。1994年,全国教育工作会议明确提出了大力发展高等职业教育,目标是培养一批具有必要的理论和较强的实践能力,服务于生产、建设和管理第一线的急需人才。高职高专在经过了20多年的发展后,教育教学理论已经相当成熟,全国高职院校的总数和在校生人数都得到了跨越式发展。但我们必须承认,现阶段高职教育在工程实践教学方面,无论是办学条件还是教学经验都比较薄弱。本文仅就化工专业教学方面的探索与同行商榷。化工行业属于知识密集、技术密集和资金密集的行业,同时也是一个与现代科学技术相互结合、交叉和渗透最多的一个行业。我们国家近年来经济高度发展,迫切需要一批素质高、知识面宽、适应能力强和具有开拓创新思维的工程技术人才,特别是现代大化工生产的知识含量高,生产设备自动化程度也越来越高,对从事生产第一线的操作人员提出了更高的要求。所以高职院校应该当仁不让地承担起历史赋予的职责,在教学工作中,注重对学生全面能力的培养,即不仅要具有扎实的基础理论知识和专业素质,还应具备一定的工程实践知识和技能。化工工程实践教学专业性较强,它具有“树立工程观念、培养安全意识、启迪创新思维和提高综合素质”的鲜明特点。对高职院校的学生来说,它更是一个必不可少的教学环节。

1.国内高职院校在化工工程实践教学方案的一些探索近年来,我国的一些高职院校在化工工程实践教学方面进行了有益的探索和尝试,下面介绍两种代表性的实践教学方案:

1.1.南方某高职院校

(1)方案的总体原则建设校内实践基地,满足化工技术类专业高职学生实际操作能力培养的需要;满足化工操作中级工、化工操作高级工、技师考工的培训与鉴定及尽可能满足中试放大实验的需要;作为精细化学新产品的孵化器。

(2)具体做法建设两个仿真车间,包括实践教学用生产设备、与化工生产配套的控制系统、真实的仪表系统,学生可以在设备上进行真实的操作。与实际生产不同的是工艺物料采用水、压缩空气(仿真物料)。普通化工工艺车间包含精馏、非均相物系分离、吸附单元。多功能车间由高位槽、反应釜、冷凝器等组成,并配套公用系统(热源、冷冻、真空、空压)。选择典型精细化工单元(如硝化、酯化等),用“仿真物料”进行实际操作。

1.2.北方某高职院校

(1)方案的总体原则校外实习主要承担“生产过程实践”的现场教学任务;校内实习以提高工程综合素质为主线,将工程知识以直观的,易于接受的形式反映出来。

(2)具体做法选择化工生产中具有代表性的大型合成氨装置作为基地建设题材,以立体模型、专题录像片、多媒体教学软件、展板、图片和实物等多种手段,创建化工企业的生产氛围及全方位视角,取材“年产30万吨合成氨装置”,按1:30比例建成立体模型,展示合成氨装置的整体外观,重点反映工艺流程、管线布置和设备外部结构等;利用计算机软件,制作系列多媒体软件,以动画形式表现工艺流程和设备的内外部详细结构,弥补模型教学上的不足。在调查中发现:“在校内进行实际的化工生产有多种不利因素制约,我国高职教育只有少数几所院校在校内实现了真正意义上的化工生产”。还有一些院校开发了小型的反应设备,通过提前安排、辅导学生查资料等手段增加学生的参与意识和创新意识,在实验室完成合成“洗涤剂”配方的基础上进行了小试生产;但对进一步扩大规模存在很多顾虑,主要原因就是化工产品的选择以及车间的运行模式。

总之,现阶段大部分高职院校工程实践教学模式单一的现状制约了学生主观能动性的发挥,完全按照原有的老套路进行,不利于培养学生的开拓创新意识,而且不进行真正意义上化工产品的生产,学生处理问题、解决实际问题的能力也很难得到提高。上面介绍的两种做法都还是规划探索阶段,目前教育权威部门就化工工程实践教学也没有一个成熟的方案在全国推广。因此,摸索出一套既适合教学同时又能体现真实化工工业生产特点的教学方案势在必行。

2.我院在化工工程实践教学方面的改革探索

2.1.准确定位,建设适应现代化工现状的工程实践

教学基地群,提高学生职业岗位群能力实践教学的形式多样,“与企业合作,建立校外实践教学基地”是一种很有效的手段,但受实习时间限制,实习效果不是很理想。同时,现代化工生产自动化、连续化和集成化,加之化工生产的易燃易爆性,学生到现场后,只能学习熟悉流程、认知设备,对一些基本的安全生产控制方法,开停车和简单的事故处理是得不到锻炼的。特别是近年来,我国企业大多进行了改制,技术保密工作要求越来越高,好多企业已经出现了拒绝和学校合作的趋势。在这种发展背景下,石家庄职业技术学院适应社会发展要求,发展建设了新的工程实践教学基地群,包括化工中试车间、化工工程仿真基地、化工原理实验基地等教学设施。在常规的实践教学计划中,加大工程实践教学比重,使得学生具备从事化工生产最基本的职业岗位群能力:化学化工实验能力、化学化工计算能力、化工岗位操作能力、化工生产控制和管理能力。

(1)建设校内工程实践教学基地———化工中试车间,提高学生的实践动手能力在实践教学平台的建设中,浓缩了化工企业中大部分的生产单元,包括公用工程区和生产操作区,公用工程系统可以提供高压蒸气(3~4kg/cm2)、压缩空气(7kg/cm2)、冷冻盐水(-10~-30℃)、真空负压(-1kg/cm2)、循环水系统(5~20℃)等。生产区可以进行一些化工中间体和医药中间体的生产,包括常压设备生产区和高压设备生产区、演示教学区和生产操作区、一般化工原料生产区和耐强酸碱生产区、一般蒸馏区和高效规整填料精馏区、一般精馏区和共沸精馏区,齐全的硬件设施为学生的工程实践提供了很好动手实践平台。车间内所有的设备布置均按照国家标准进行。在生产控制方面从最简单的反应釜间歇手动操作到当代主流的化工生产控制方法DCS集散控制系统,从普通的化工参数测量手段到自动化程度很高的仪表等等。院内中试车间的建立有效弥补了校外生产实习的不足,是高职化工工程实践教学改革的方向。

(2)建设校内化工仿真教学平台,全方位提高学生的综合素质仿真教学是运用实物、半实物或全数字化动态模型,深层次地揭示教学内容的新方法,是计算机辅助教学的高级阶段。按照学院的总体规划,我们引进北京东方仿真公司化工仿真系统,改革实习教学模式,建设适应现代化工的发展趋势的校内教学平台。仿真系统强调工业背景,涉及的仿真软件都具有真实的工业环境,工艺流程、设备结构和自控方案都来源于实际。学生以前的实习不可能亲自动手操作,也就达不到预定教学效果。而仿真可以使学生不进工厂就能得到开车、停车和事故处理操作机会。学生置身于仿真环境之中,可以充分调动感觉通道、运动通道和思维通道的学习机能,接受知识的效率大大提高。

2.2.具体教学实施方案

以提高学生的工程素质为主线,冲破传统的工程实践产品生产束缚,开发新的化工产品用于中试车间的生产实践操作;开拓创新,注重发挥学生的主观能动性,探索一种经济、高效的生产教学模式。传统的工程实践操作是“酒精”的生产精馏,流程简单,知识覆盖面较窄,对学生处理实际问题的能力提高程度有限。辽宁某高职利用国家老化工工业基地优势,和当地科研机构、企业合作,连续生产技术含量较高的化工中间体,取得了一定的经济效益。缺点是生产模式固定,生产不允许大的失误,教学和经营要同时兼顾,学生的主观能动性得不到发挥。在传统工程实践教学的基础上,勇于创新,开发出一套“高效、科学、经济、可行”教学方案是当务之急。

(1)利用有机化学反应的特点,开发新的化工生产品种有机反应都是可逆反应,在改变反应条件后就会向预期的方向进行。从这个角度出发,开发设计适合于教学的化工产品,原料和产品反复使用,这样做就可以节省大量的教学经费投入和回避因教学生产出的产品销售所带来的一系列问题,经济实用。按照实际教学要求,可以开发若干种有机化合物用于教学生产,下面以乙酸乙酯的合成和水解为例作一介绍。乙酸和乙醇在硫酸催化下进行酯化反应,反应步骤包括加料、酯化、粗蒸、中和、洗涤、精馏和出产品,最后利用气相色谱分析产品中的组分含量。乙酸乙酯的水解利用合成的产品进行,反应温度控制65~75℃,催化剂采用无机酸(为防止碱和反应后的乙酸反应,催化剂最好不用碱),同一种催化剂反应速度和用量及浓度有关,反应时间5分钟左右,反应步骤分为加料、水解、精馏、二次精馏、分析等,反应中可以将水过量以便提高乙酸乙酯的转换率,二次精馏进行反应釜内乙酸水溶液的提纯。以上实践操作对提高学生的实际动手能力有很大的帮助,最关键的是,他们可以在操作中体会到成功的喜悦,发挥自己的主观能动性积极查找文献解决生产问题,而且通过对反应工艺不断进行优化,增强他们的信心,实习效果大大提高。

(2)工程实践教学安排(以中试车间为例)第一周教学:教师对学生进行安全教育,阐述实习目的、意义和要求,并做好实习的各项准备工作。进入车间实习后,主要进行以下教学内容:安全教育;中试车间安全管理规定的学习;消防救生知识;中试车间的消防措施;车间水、电、汽的具体位置和相关规定;主要生产设备的名称、结构、性能及工艺原理;各相关岗位的操作和安全规定;主要生产控制点,分析取样点位置;绘制带控制点工艺流程图;生产控制软件“dcs”的认知学习;实践操作酒精生产知识;公用工程(循环水、蒸气、盐水)操作规程;产品检验。第二周教学:这一周内容在前一周基础上进行,学生对化工生产有了一定的认识后“乙酸乙酯”单元的教学就会事半功倍。内容包括:安全生产乙酸乙酯的重要性;生产步骤和注意事项;准备工作、加料开车、酯化反应;粗蒸、中和、洗涤、精馏、出产品、产品分析;总结生产操作经验。几点说明:①首先需要指出的是,以乙酸乙酯为例,不同班次的学生操作是不同的,前一批生产乙酸乙酯,后一批水解上一班生产的乙酸乙酯。循环操作可以有效解决困惑高职院校校内实践教学资金投入较大的问题,当然生产消耗和一些辅料还是必须的。②关于车间的运营模式可以借鉴某些高职院校的经验。“连续生产”作为生产实习的有益补充,可以保证中试车间的不间断运行(开放型)。实践证明:“开放型”教学实践模式有利于学生综合素质的提高,近年来已经逐渐在高职院校中推广普及。另外,辽宁工学院职业技术学院关于石油化工类高职实践教学体系的做法也很值得同行借鉴。

(3)充分利用现有资源,合理配制,提高使用效率对资源的有效利用是一个大问题,不仅在教育行业,其它行业同样存在这个问题。这里旨在抛砖引玉,供参考。

①化工原理实践教学设备的改造:化原实验基地同样属于工程实践教学范畴,实验设备各个院校大同小异,包括:吸收、离心泵曲线、流体阻力、精馏、干燥、过滤等单元。这方面可以借鉴学习的经验很多,我们在教学手段不断完善的同时,重点在“一举两得”上作文章。例如为了配合“化工仪表及自动化”课程的实践教学,将普通的数字显示仪表改造为“无纸记录仪”或“微机显示”,通过观察被控变量的变化过程,进行自控仪表的“PID”参数的工程整定。完成操作后,同学们可以对那些枯燥的理论加深理解,更关键的是这些操作是在“毫无顾虑”的情况下实现的,这在化工企业生产现场是不可能实施的。

②对中试车间生产设备再利用:和到化工企业生产现场一样,到中试车间同样可以进行设备的认知、组装和维护,对化工机械专业的学生很有帮助;对化工工艺专业开发了化工设备工艺图的实训,要求学生对“连接管口方位、管口的定位尺寸,主、侧向视图的对应关系”都必须准确到位;化工工艺、化学制药、化工机械和化工环保专业可以利用中试车间进行AutoCAD的实训;带控制点工艺流程图作为各个专业的基础课实训内容同样可以在中试车间进行;化工医药营销专业的学生可以将其它专业生产的洗涤剂产品进行“包装策划”,完成社会实践教学任务。最后,“化工工程仿真技术”在高职院校的教学中已经得到了大规模应用,本文没有作大篇幅的介绍,但化工仿真技术作为一种新型的教学手段,不仅高职院校,其它教育教学领域也非常有必要加以重点应用、推广。