新形势下能源化工专业实验教学改革与探索.pdf

实验与实践教学652023年4月第40 卷第2 期新形势下能源化工专业实验教学改革与探索李志勤，邱泽刚，丁亮，徐海升，曹彬（西安石油大学，陕西西安7 1 0 0 6 5）摘要在我国现代能源体系向清洁低碳、安全高效发展的新形势下，西安石油大学能源化工专业基于石油石化特色改革实验课程，使之向煤、新能源进行延伸，并以成果导向教育理念为指导，对课程目标进行设计和分解。该课程以学生为中心，以碳基能源为特色，以过程层递、有机互补、典型性为导向构建综合性和设计性实验；注重实验与理论教学的时间安排，以实际应用为契机使学生树立标准化理念，加强实验项目与实习内容的结合；以目标达成为指引，构建多层次、多环节的课程考核体系。改革后的能源化工专业实验课程教学提高了学生的实践能力、工程意识和创新精神。关键词能源化工；实验教学；成果导向教育；碳基能源Reform and Exploration of Experimental Teaching forEnergy and Chemical Engineering under the New SituationLi Zhiqin,Qiu Zegang,Ding Liang，,Xu H a i s h e n g,Ca o Bi n(Xian Shiyou University,Xian 710065,Shaanzi,China)Abstract:The modern energy system of China is developing towards cleanness,low-carbon,safety andefficiency.The experiment of energy and chemical engineering specialty is based on the characteristics ofpetroleum and petrochemical in Xian Shiyou University,and extends to coal and new energy.Theexperimental course objectives are designed and decomposed based on the outcome-based education(OBE)concept.Comprehensive and design experiments featuring carbon-based energy are constructedby taking students as the center,and guided by process layering,complementarity and typicality.Thetime-series collaboration between experiments and theoretical teaching is emphasized,the practicalapplication is taken as an opportunity to promote students establishing standard concepts,and thecombination of experimental projects and practice content is strengthened.A multi-level and multi-linkcurriculum assessment system is constructed guided by the achievement of goals.The practical ability,作者简介李志勤（1 98 0-），女，硕士；邱泽刚（1 98 1-），男，教授，博士。通信作者邱泽刚，E-mail：q i u z e g a n g x s y u.e d u.c n。*基金项目：国家重点实验室开放课题（2 0 2 2-K50）；西安石油大学教改项目“能源化工专业综合改革研究”。66李志勤，等.新形势下能源化工专业实验教学改革与探索engineering awareness and innovative spirit of students have been improved after many years of teachingreformand exploration.Key words:Energy chemical engineering;Experimental teaching;Outcome-based education;Carbonbased energy能源化工主要涉及化石能源优化利用、新能源和可再生能源开发利用等过程中的应用基础研究与关键技术开发和应用门。化石能源主要指煤炭、石油和天然气，新能源和可再生能源主要指生物质能、太阳能、电能、氢能、风能、地热能和海洋能等2 。在“双碳”目标下，随着能源利用结构和方式的转变，煤、石油等化石能源将作为“原料”来生产化学品，而新能源则被赋予“未来能源主力军”的角色。在此形势下，能源化工的原料和产品也将发生显著变化。这种转变对能源化工的发展提出了新的要求。面对我国现代能源体系向清洁低碳、安全高效的目标发展的新形势，能源化工的发展需要能源化学工程教育作为支撑3 自2 0 1 1 年起，全国多所高校就开设了能源化学工程专业4，对该专业的研究和改革也逐渐展开5-8 。西安石油大学是西北地区一所以石油石化为特色的普通高校，学校设置的能源化学工程专业依托陕西省优势学科化学工程与技术进行建设。该专业经过多年的发展，在人才培养和科学研究方面形成了鲜明的特色，注重培养学生的思想道德素质、文化素质、专业素质和身心素质，使之达到社会对能源化工领域人才的要求。本专业的课程体系清晰，课程结构合理，通识教育课、学科基础课、专业课、实验和实践教学环节等有效衔接、合理匹配。同时，本专业还注重培养学生的实践能力、工程意识、创新精神。实验教学是能源化工专业建设与改革的重要环节 。西安石油大学能源化学工程专业实验室以陕西省化学化工实验教学示范中心为依托，已经发展成为具有一定规模的能源化工专业实验教学平台。一、实验教学改革的总体构思（一）大加强学科交叉陕西省“十四五”规划提出，要提升能源产业高端化水平，包括推动煤油气高效集约绿色开发，实施能源化工延链补链行动，推动煤炭清洁高效转化，拓展煤、油、气、盐多元综合循环利用途径，有序开发建设水电和生物质能等。碳基能源、电能、太阳能、热能等的转化与利用所涉及的化工过程、化工材料存在显著差异1 0-1 1。电能、太阳能的利用呈现出明显的学科交叉特性1 2 ，这两种能源的转化利用更倚重于化工材料的发展。基于西安石油大学化学工程与技术学科石油石化特色和能源化工专业在碳基能源转化利用方面的长期积累，能源化工专业实验课程教学内容以化石能源和生物质能为核心，向煤化工、生物质转化、合成气转化等方向交叉和延伸，突出碳基能源转化的特色。（二）贯彻OBE理念学生中心、成果导向教育（Outcome-basededucation，O BE)和持续改进，构成了工程教育专业认证的三大核心理念1 3-1 4。实验实践是工科专业教育的重要组成部分1 5 ，学校基于OBE理念将实验课程目标进行分解，使之支撑毕业要求。能源化工专业实验课程目标可分为4个子目标。课程目标1 为能够基于科学原理并采用科学方法对能源化工领域的复杂问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据，以及通过信息处理、耦合得到合理有效的结论；课程目标2 为能够设计针对能源化工领域复杂问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素；课程目标3 为能够结合能源化工相关知识及相关实验操作，理解和遵守能源化工领域的工程职业道德和规范；课程目标4为在实验研究过程中具有团队合作精神，具备认识和发现问题的能力及团队协作解决工程问题的能力，并勇于承担责任。67李志勤，等.新形势下能源化工专业实验教学改革与探索二、实验教学改革特色与举措（一）以学生为中心的实验课程建设我们围绕能源化工专业实验课程目标，在学习方式、实验操作、过程考核等方面进行改革，构建了以学生为中心的专业实验课程，以提高学生的学习主动性，强化学生的工程实践能力，培养学生的创新精神。实验项目类型包括验证性实验、设计性实验和综合性实验。该课程的教学是对学生实验技能的综合训练，对提升学生综合能力起着关键作用。能源化工专业实验课程建设的主要举措包括：1.强调实验前的预习，并专设理论课时，以使学生在实验前掌握实验目的、关键影响因素、数据呈现方式和准确度等。2.实验开始前设置安全教育环节，要求学生对实验过程中可能存在的安全风险进行分析，教师再补充讲解和强调安全注意事项。3.以学生为主导进行实验操作，授课教师和实验教师全程观察并解答学生提出的问题，避免实验停滞或出现安全问题。学生独立完成实验数据的获取、记录和处理以及实验报告的撰写。4.在设计性实验中，学生可根据实验目的自行设计实验方案、拟定实验步骤，并采用适宜的数据处理方法。在与授课教师讨论并完善实验方案后，学生独立完成实验操作、数据处理、结果分析，并得出实验结论。（二）以过程层递、有机互补、典型性为导向的实验内容设计能源化工专业实验主要支撑能源化工工艺学、煤化学、石油炼制与化工等专业理论课程的教学。这些理论课程围绕能源利用和转化过程中的重要化工现象与关键化工过程展开，涉及化石能源、新能源和可再生能源开发应用过程中的典型工艺与关键技术。对于传统化石能源，需要以“最少的能量使用、最低的物料消耗、最小的污染排放”获得最大的目标产品收率或能量；而对于各种替代能源或新能源，则需要在提高能量密度、能量高效生产和储存、提高能量转化效率等方面寻求突破。在新能源中，生物质虽是一种碳基能源，但本身能够实现“碳中和”，因此其产生和利用过程不会产生额外的碳排放。我们以能源化工发展趋势为指引，结合专业特色，从煤的化学加工人手选择能源化工专业实验内容，涵盖合成气的转化，并延伸至生物质的转化利用。同时，实验内容与化学工程与技术学科的石油化工专业实验内容相融合。首先，实验内容具有过程层递的特点。从固体煤、生物质的初级转化到液体产物的深加工，再到气体产物的深度转化，形成了固、液、气加工的层递过程链条。如煤的低温干馏实验会产生固态的半焦、液态的焦油和水以及以CO为主的气态产物，然后CO经中低温变换反应再深度转化。可见，煤的低温干馏和CO中低温变换反应是串联反应，这两个实验的内容是相互衔接的。其次，实验内容具有交叉互补的特点。生物质转化技术与煤化工技术有诸多共通之处，生物质热解、气化、液化的基本原理与煤热解、气化、液化的基本原理相似，生物质基合成气的加工方法与煤基合成气的加工方法也相似，因此煤和生物质的热解、气化及合成气转化实验可以实现互补。同时，石油化工专业实验补充设置了煤、生物质基液体产物的加工内容，以避免实验过程相似造成的实验资源浪费。再次，实验内容具有典型性和代表性。如CO中低温变换反应亦称水煤气变换反应，它是工业上煤、生物质和天然气通过合成气转化制化学品和氢气过程中的重要反应，也是典型的气固相催化反应过程1 6 ，而气固相催化反应是一类应用广泛的化工单元工艺。因此，设置这些实验内容可使学生加深对关键化工单元工艺的认识，掌握典型化工反应器的操作；同时能够避免知识的过度割裂，加深学生对碳基能源加工共性及特性的认识。三以碳基能源为核心的实验项目设置学习煤的化学加工利用前，学生必须先掌握煤的组成和特征，并对煤炭进行检验分析。这些煤质分析指标对煤的后续加工利用具有重要的指导作用。我们设置了精煤样的制备、煤的工业分析（水分、灰分、挥发分和固定碳）、煤中全硫含量测定、煤中碳氢氮元素含量测定、煤炭发热量的测68李志勤，等.新形势下能源化工专业实验教学改革与探索定、烟煤黏结指数的测定以及煤还原灰融性实验等实验项目，这些项目是煤质分析的主要内容。另外，气化、热解是煤转化和生物质转化的关键源头技术，也是学生必须掌握的核心内容，因此我们设置了煤的格金低温干馏实验（简称煤的低温干馏），还增设了生物质气化实验项目和水煤气变换反应实验（简称CO变换反应），后者是煤转化和生物质转化过程中的经典反应之一。围绕煤化工和生物质化工方向，我们开设了两门必修实验课程，总计6 4学时。煤化工、生物质化工方向的所有实验项目如图1 所示，煤质分析煤转化生物质转化人精煤样的制备煤的工业分析煤中全硫含量测定煤中碳氢氮含量测定煤炭发热量的测定烟煤黏结指数的测定煤还原灰融性实验煤的低温干馅0变换反应生物质气化串联反应串联反应图1煤化工、生物质化工方向的实验项目此外，石油化工方向的选修实验项目（见图2）为48 学时，包括石油产品硫含量测定、热值测定、运动黏度测定、闪点测定、凝点测定等石油产品性质分析实验，以及原油实沸点蒸馏、石油产品催化裂化等石油利用转化实验，这些实验涉及典型的石油化工工艺。石油性质分析石油转化石油产品硫含量测定石油产品热值测定石油产品蒸馏实验石油产品黏度测定石油产品闪点测定石油产品水分测定石油产品密度测定石油产品凝点测定原油实沸点蒸馏石油产品催化裂化图2石油化工方向的实验项目能源化工专业实验课程中的实验项目覆盖化石能源、新能源和可再生能源的相关内容，以碳基能源为核心，较为全面和合理，具有一定的系统性和深度，且包含比较新的技术。这些实验项目能使学生对能源化工中的原理与方法、原料选择、工艺路线选择、典型单元操作和主要设备等形成深刻的理解和认识，并且使学生具备对工艺过程进行分析、改进和开发新产品的能力。而且，实验课程教学以化工工艺的开发思想和思路为重点，有利于增强学生独立思考、分析和解决问题的能力。（四）以实验与理论课程的合理安排促进教学实验课程与理论课程的时间顺序安排非常重要。若实验课程安排过早，则学生尚未形成对课程的整体认识，教学效果难以实现最大化；若实验课安排过晚，则不利于学生巩固所学的理论知识。在能源化学工程专业建设初期，理论课和实验课安排在两个学期开设，教学效果不佳。后来我们对培养方案进行了优化，在煤化学课程教学完成后随即安排能源化学工程专业实验（I），在能源化工工艺学课程教学完成后随即安排能源化学工程专业实验（），并将理论课程和实验课程的考试安排在同一时间段。这样能够促进学生对理论和实验知识的融会贯通，对提升教学效果也能够起到很大的作用。（五）以实际应用为契机使学生树立标准化的意识能源化工专业实验课程涉及的煤质分析和石油产品测试仪器同时归属于学校现代仪器中心平台，这些仪器的维护、使用符合专业煤质分析实验室的标准。同时，能源化工专业实验讲义中也融人了相关国家标准的内容与要求。我们在实验教学中注重理论讲解和对学生实验操作、结果分析、实验报告的标准化要求，以使学生树立标准实验室、标准方法和规范实验报告的意识，并形成相应的习惯。这对学生综合能力的提升能起到积极的作用。（六）与生产实习内容的结合与能源化工专业合作的生产实习基地大多是能源化工领域的企业，生产实习内容与实验课内容可以相互结合。以一家大型煤制烯烃企业为例，该企业建有完善的原料煤分析室，生产工艺包括煤的气化、合成气净化、CO变换和甲醇制烯烃等单元。学生完成煤质分析实验的理论学习后，再到原料煤炭分析检验室现场学习，可以进一步69李志勤，等.新形势下能源化工专业实验教学改革与探索加强对煤的认识，并深刻体会到原料分析及其标准化对工业生产的重要性。同时，实验课程中的气化、CO变换等关键反应过程与实习基地的煤气化、CO变换工业装置也能很好地结合。学生在熟悉实验室规模的装置后，与现场的大型工业生产装置进行对比，对原料预处理、反应和产品分离等工艺流程以及反应器、换热器、泵等设备之间的差异会产生更加直观的认识，对能源化工反应的工业放大过程也会有更深入、更全面的理解。（七）基于OBE理念的课程考核我们基于OBE理念，对课程考核环节进行了细化和改进，针对课程目标构建了明确、合理的支撑内容，并制定了可量化的考核指标。课程教学由原来的两个环节改为实验预习、实验操作、实验报告和期末考试等四个环节（见表1），其中实验预习环节占比为1 0%，其他各环节占比均为30%。实验预习环节的考核主要是对学生的实验预习报告及实验原理、步骤的掌握情况进行评定；实验操作环节的考核主要是对学生的实验操作情况、实验记录情况进行考查；实验报告环节的考核主要是对学生的实验报告撰写情况进行评定，包括实验数据记录、处理、分析和实验结果讨论等内容；期末考试题目与课程目标相对应，主要考核学生对知识的综合运用能力。另外，我们针对每个课程考核环节，均制定了详细的评分标准，以便于计算课程目标的达成度。如实验预习、实验报告、期末考试环节均支撑课程目标1，因此对于课程目标1 的达成度考核就细化到这三个环节中，三个环节的占比分别为2 0%、5 0%和3 0%。这样的考核设计可促进课程目标的达成，同时便于教师了解学生学习中的薄弱点并进行有针对性的持续改进。表1能源化工专业实验课程考核方式序号考核环节实施途径与措施总评占比对学生的实验预习报告及实验原理、步骤的掌握情况进行评定；支撑课1实验预习10%程目标1、2、3对学生在实验过程中的操作情况、实验记录情况进行考查；支撑课程目2实验操作30%标2、3、4对学生的实验报告撰写情况进行评定，包括实验数据记录、处理、分析3实验报告30%及实验结果讨论等内容；支撑课程目标1、2、3（1)开卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分为1 0 0 分；（2）考核学生4期末考试30%对知识的运用能力，针对课程目标1、2、3 出题三、结语建立清洁低碳、安全高效的现代能源体系对能源化工专业的人才培养提出了新的要求。新形势下，随着能源化工教育研究和改革的持续深人推进，以OBE理念为导向进行能源化工专业实验教学改革有助于提升学生的实践能力、工程意识、创新能力，从而适应我国蓬勃发展的能源化工领域对人才的需求。我们针对能源化工专业实验课程，对课程目标、课程内容、课程教学和考核方式等进行持续改进，以期培养能够适应能源化工发展需要的高素质工程技术人才。（责任编辑：李丽妍）参考文献：1孙宏伟，张国俊.化学工程：从基础研究到工业应用M.北京：化学工业出版社，2 0 1 5：2 2 7-2 2 8.2 邱泽刚，徐龙.能源化工工艺学M.北京：化学工业出版社，2 0 2 2：1-2.3 朱兵，陈定江，蒋萌，等.化学工程在低碳发展转型中的关键作用探讨一从物质资源利用与碳排放上接第8 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