化学工艺实验教学改革与实践

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[摘要]化学工艺实验教学是化学工程与工艺专业的重要实践性教学环节。为了提高化学工艺实验课的教学质量，采用设计性工艺研究模式进行实验教学，对传统的教学方法实施改革和创新。实施后得到学生和教师的普遍认同，这种教学方法培养了学生的学习兴趣和团队精神，提高了学生综合实验技能、动手能力、创新精神以及分析问题和解决问题的能力。

[关键词]化学工艺实验课；教学方法；改革与实践

化学工艺实验教学是化学工程与工艺专业教学中重要的实践性教学环节，其教学质量的好坏直接影响学生对专业知识的掌握程度，对于培养学生的创新能力、实践能力、分析问题和解决问题的能力都十分重要[1-2]。但传统的化学工艺实验是学生在实验室按照教师的讲解和教材所讲述的内容，一步一步进行实验操作，最后得到实验结果。学生被束缚在既定的框架中，按照设计好的模式和步骤进行实验，被动地进行验证性实验，所得的实验结果基本相同，出来的实验报告千篇一律，没有学生自己的想法；学生做实验只是为了完成任务，甚至有的同学站在一旁不动手，学生处于被动状态。这种教学方式对学生积极性、主动性、创造性的发挥和理论与实践相结合的思维方式的形成是非常不利的。如何通过实验教学方法创新调动学生的积极性，培养学生综合实验能力和分析解决问题的能力，培养学生创新能力，是目前高等院校实验教学所面临的重要问题[3-4]。江南大学化学工艺实验主要内容是一系列表面活性剂及其原料的合成和洗涤用品的配制，从实验内容上充分体现了专业特色，但是除存在传统化学工艺实验的弊端外，还未反映化学工艺研究与开发的特点，往届学生反馈与有机合成实验区别不大。近年来江南大学对传统的化学工艺实验教学方法实施了改革，采用设计性工艺研究模式进行实验教学，取得了令人满意的效果。在现有实验室条件下，由学生按照产品工程学的研究方式，将原有的实验内容重新组合，分别以工艺路线论证、合成实验工艺条件优化、产品成型(配方)工艺优化、工艺流程模拟和工艺验证等主线串接，大多实验由学生自行设计工艺实验方案，让学生在实验教学活动中处于积极主动的学习状态，主动思考、主动实践，发挥学生主观能动性，在达到原实验教学目标的同时，提高了学生的综合素质和今后独立开展研究工作的能力。

1将简单的合成实验设计成综合型工艺路线比较及论证实验

在原教学内容的基础上，调整部分简单的合成实验为产品工艺路线的选择和论证。例如，原来的椰子油酸甲酯的合成一贯采用椰子油酸与甲醇的酯化路线，现扩展为三种路线：分别以椰子油酸、椰子油和酸化油为原料和甲醇反应。学生通过查阅资料，全班学生根据自己的兴趣选择合成路线，分成三组，自己设计方案，整个实验过程以他们为主体，热情很高，态度非常积极，实验结果或产品的获得使他们很有成就感，对实验产生了浓厚的兴趣。教师指导各组学生重点运用单因素试验法得出各自合成路线的工艺参数。在实验过程中，学生之间要学会合作，明确职责范围，彼此之间互相帮助，工作中互相包容、互相理解、平等交流。通过在组内协作来完成实验，培养了学生的团队协作精神，学会了与他人合作沟通，增强了集体观念和团结精神，为今后走上工作岗位、处理好与同事的关系，奠定了一定的基础。实验结束后全班一起共同分析各组的合成路线的特点和优劣，进行不同路线的工艺条件比较及论证。这样的组与组之间的横向比较使得每位同学均掌握了化学工艺路线的选择与论证。

2合成实验工艺条件和产品成型(配方)的优化

在学生初步掌握了单因素试验法考察工艺路线和条件的基础上，安排实验学习化学工艺优化方法。合成实验工艺条件的优化选择了烷基醇酰胺的合成及脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的合成，指导学生运用正交试验或均匀设计法完成。产品成型(配方)的优化选择了洗衣粉和液洗(包括香波、液体皂和餐洗，可任选)的配制，重点运用响应面分析法和混料配比设计法。每一个班内都能得出最优工艺条件，同时开设的三个班又可得出平行结果。学生在选定要优化的产品工艺后，查找相关文献和书籍，在现有实验室条件的基础上，确定实验材料、工艺、检测方法等，按照教师指导的优化方法独立制定因素与水平，设计可行的实验方案，对实验数据进行处理，对实验结果进行评价，分析实验中出现的问题，探讨解决办法，重复试验得出最优化结果，最后写出实验报告或小论文。由于学生之间的试验条件不一样，总方案需要全班或几个班合作才能完成，得出优化结果时能互相学习，扩大知识面。在实验教学过程中，学生始终是主体，教师辅助指导，纠正学生的方案和操作错误，解答实验过程中的疑问等。进行优化性设计实验，实验工艺过程都是新的，或是在传统工艺上有所改变，书上没有现成的知识，实验结果也是多种多样，这就需要学生自己去探索、去实践。学生要将理论知识与实验操作联系起来，对于出现的实验现象或问题，要分析找到理论支持和解释，并寻找解决问题的措施。例如，影响合成工艺的诸多因素的水平怎样选择才合理；液洗的粘度与加盐量是何种关系；配方中各原料加入次序对洗衣粉料浆的溶解性能影响如何等等，这些问题要学生自己分析原因并想办法解决。学生可以通过多种渠道来解决实验中遇到的问题，这样不仅使学生初步学会如何设计一个化学工艺的条件优化方案，而且使学生动手操作、分析解决问题和创新能力得到提高，这是传统化学工艺实验方法无法比拟的。

3工艺流程模拟和工艺验证

学生进行大量工艺条件实验，能较全面掌握实验基本操作技能，掌握化学工艺研究的方法，也切身感受到了化学工艺实验的特色，学会从物料衡算中找出工艺的不足，但毕竟实验室的小试实验所进行的均是某步反应过程或某些反应、操作过程，不能全面反映工业化大批量生产的整个工艺流程。模拟实验能较全面演示工厂化生产的工艺流程，使学生对工厂化生产有一定的了解。在椰子油酸甲酯的不同合成路线比较和论证实验的基础上，进一(步安排学生运用Aspen、ProⅡ等软件对生物柴油生产的工艺流程进行模拟，不同工艺及其条件下形象地生产出不同规格产品。学生不但开阔了视野，学会了模拟软件，而且还对化工热力学、反应工程、分离工程以及化工原理等理论课有了更深入的理解。但模拟实验未能解决小试技术应用于工业化生产所存在的放大效应问题。因此，在小试实验取得的数据基础上，引导学生学会确定设备的选型，在中试实验中进一步验证各种最佳工艺参数。例如，在烷基苯磺酸钠的小试合成工艺路线比较和论证的基础上，利用江南大学中试级单管磺化装置考察这一产品的生产工艺条件；利用中试级100kg/h高塔喷粉装置验证洗衣粉料浆成型工艺条件；成型产品洗衣粉或液洗的最佳配方的双盲剖析和验证等，均强化了学生对化工企业新产品工艺开发过程的认识，进而提高其解决实际问题的能力。此外，我们还有选择地开放部分教师的科研用喷射式环路工业模拟实验室、高压乙氧基化及酯化中试实验室、化妆品配方试验室等，让有兴趣的学生参加课题研究，弥补化学工艺实验教学的不足。我们还始终保留开设出连串实验即一个产品的合成产物是下一个产品的原料，最终产品要经过几步反应来得到，而每一步反应的转化率对下一步产物的得率都会带来影响。成型(配方)产品的主要原料均来自学生自己合成的产物。通过这种连串实验可以使学生真正了解化工工业产品的实际过程，培养了学生综合应用有机合成、界面化学及化学工程理论和技术，设计、研究和开发以表面活性剂及相关制品为特色的各类精细化学品的综合能力，继承和发扬了江南大学原有的办学特色。

4结语

采用以上改革后的化学工艺实验教学模式，在校毕业班的学生也反映工艺实验课的教学，使理论学习真正转化为形象的感性认识，对化工产品生产和开发有了比较完整的概念，特别是为毕业论文和设计课题的研究、论文撰写打下了良好的基础。采用改革后的教学模式，指导教师对此也作了充分肯定，认为这是化学工艺实验课教学改革的很好探索，特别是对培养工科学生综合思维、锻炼学生动手能力、创新精神以及分析问题和解决问题的能力起到了积极的促进作用。

参考文献

[1]董声雄，叶钊，阮奇，等．加强实践教学改革，提高学生创新能力[J]．化工高等教育，2002，19(1)：75-77．

[2]杨伯伦，刘永忠，．化工实践性教学环节中创新能力的培养[J]．实验研究与探索，2003，22(4)：5-7．

[3]贾冬梅，郭会蕊，张岩．化工专业实验教学改革探讨[J]．广东化工，2009，36(12)：182．

[4]阮长平，刘葵．精细化工工艺学教学探索与实践[J]．广东化工，2017，44(21)：156-158．

作者:刘学民 单位:江南大学