蒋兰英
中南大学 湖南长沙 41000
摘要：冶金与环境学院的“膜科学与技术”研究生课程开设于2000年，与冶金工程其它课程一起构建了一个完整的研究生培养体系。但现有课程体系存在下述问题：授课内容缺乏针对性，内容陈旧，且未对基础理论进行系统的梳理 。鉴此，提出本次教学改革研究，主要内容如下：建设更加专业化的授课内容，设计相应的教学模式和引入新的考核方式。基于上述研究，我们希望构建教学内容的改进及相关教学模式的革新与冶金工程研究生的创新能力之间的关联性，为培养冶金工程高层次创新型人才积累理论和实践经验。
关键词：冶金工程；膜分离科学与技术；研究生教学；创新能力培养
创新是一个国家兴旺发达的不竭动力, 创新人才的培育和储备是提高国家提高综合竞争力的战略问题[1]。高等学校是国家创新系统的重要组成部分,肩负着为社会主义现代化建设培养高素质、高层次创造性人才的重任。研究生教育是在本科教育的基础上培养高级专门人才，是高等教育结构中的最高层次，深刻地影响了社会的发展，已经成为关系一个国家未来发展的基础[2]。因此，实施创新教育, 培养研究生创新能力对国家竞争力的提升意义重大。冶金与环境学院的“膜分离科学与技术”研究生课程开设于2000年，与冶金工程其它课程一起构建了一个完整的研究生培养体系。冶金工程是中南大学的特色学科, 分离技术在冶金、尤其是湿法冶金工艺中是必不可少的一个环节。随着资源的贫化和（或）二次化，现代分离技术的重要性日益凸显。就学科而言，膜分离起源于18世纪早期；膜分离作为一项技术得到应用始于20世纪60年代。膜分离技术的共性优势是过程连续、环境友好和空间有效。我国面向冶金工业的膜分离技术的研发和应用起步较晚，但是发展较快。目前，膜分离技术在冶金行业的应用已涉及黑色金属、重有色、轻有色、稀有金属、贵金属各类金属的冶金过程。研究成果清楚而有力地说明，膜分离技术与冶金过程的结合广泛而紧密，为冶金工艺的革新开辟了新路径，为产业界改善能源效率和提升环境水平提供灵活的途径，并带来了切实而显著的社会、经济和环境效益[3]。时至今日，膜分离技术在冶金工业过程的可持续性发展中建立了重要的地位，市场日益壮大。其背后最重要的原因是膜分离在机理、材料和过程领域的创新。仅以应用于冶金废酸处理的特种纳滤膜为例，正是由于在耐酸材料方面的突破，膜分离技术的理论优势得以实践，进而有效的促进了冶金资源的回收和冶金过程的绿色发展。由此可见，膜分离技术的创新对冶金行业的发展具有重要意义，而具有创新能力的人才是所有创新实践的载体和根本。因此，教育者亟需结合学科已经取得的成果、特色和优势，提高认识和开拓思维，对“膜分离科学与技术”研究生专业课程进行积极的教学改革的探索，从而服务于我校冶金工程这一特色优势学科的进一步发展，为培养国家所需的高层次创新型人才积累理论和实践经验。
1、课程内容体系
目前，国内外很多高校都开设了与膜分离相关的课程，部分课程进行了教学改革的探索。林立刚等人研究了教学和科研的结合对“膜分离技术”课程教学的促进作用[4]。他们指出我国分离膜领域科研及产业化已彰显出了较强的国际影响力和竞争力，对分离膜领域专业人才提出了需求。但现有教学模式存在对实验教学重视不足和将科研成果引入教学的意识薄弱、教研结合不紧密的问题。教改尝试了将国内外最新学术及产业化成果与课堂教学结合，以大型综合实验辅助课堂教学和以多媒体手段强化课堂教学，取得了一定的效果。许程等以能源材料国家级特色专业体系中的“薄膜材料与技术”课程教学为切入点，运用交互性教学理论诠释其教学活动，提出交互性“薄膜材料与技术”课程教学模式[5]。通过该模式的实施，学生作为课堂活动的主体通过教学交互、环境交互和情感交互三方面多流向、多维度地对材料信息进行调整与积累，获得了良好的学习效果。武占省等面向环境工程专业开设了“膜分离技术与应用”特色选修课程[6]，并通过对该课程的教学内容的组织、教学方法的应用以及教学课程的建设等方面都的尝试，构建了新颖的膜分离技术及应用的课程体系和完善了教学方式，初步取得了良好的教学效果，受到了学生的好评。四川大学过程装备与控制专业进行了膜分离技术本科选修课课程建设探索[7]。将膜分离技术作为本科专业选修课程开设，注重培养学生创新意识与创新能力、注重本科生参加科研训练，提高了本科教育教学质量。所编著“膜分离技术概论”教材具有独创性、新颖性和实用性，填补了缺少基础膜分离技术入门教材的空白。河海大学市政工程研究生专业开设了“水的膜分离技术”专业课程[8]。许航等基于当代水的膜分离技术发展背景及教学现状，从优化扩展教学教材、改进教学方法、改善考核方式三个方面入手探讨了新型课程教学思路和方法。为适应行业快速发展对专业人才队伍建设的需求，激发学生的学习兴趣，培养学生的自主学习能力提供了新的途径。
总的来说，上述教改工作对各自院校的人才培养和学科发展起到了积极的作用。事实上，我们在过去的“膜科学与技术”教学工作中也开展过一系列类似的尝试，如教学内容的系统化，教学手段的多样化，教研结合等等，并收到了良好的效果。但是，针对我院冶金工程研究生的创新能力的提升这一目标，仍然需要对“膜科学与技术”课程进行教学改革探索。冶金工程研究生的培养目标是面向冶金领域的复杂问题的高层次人才。对他们的要求之一是需要掌握专业性的知识，且这些专业知识需要具有深度和高度以及一定的难度。知识是系统地总结前人的创新，所有创新都是在前人工作基础上的延续，知识是创新的必要条件。面对多元问题，一个人的知识越专业，层次越丰富，可供调用的知识元素就越多，运用起来就可能越灵活，产生新思想的几率就越大[2]。课程教学总的来说是以知识的传授为核心。要契合上述研究生培养目标的实现，我们认为课程教学最应该去尝试的是让学生借助学习过程对相关知识有更深入的把握。
首先，内容要有针对性和专业性。冶金过程有其独特性，教学活动应最大可能地使学生对冶金分离过程和膜分离技术的特点有更深刻的认识，这样才能对能否和如何借助膜分离协助冶金分离过程有切中要害的理解和分析。其次，专业基础理论知识的学习需要深化。没有扎实的学科理论知识为基础，面对复杂情境的创新就会成为空中楼阁。一个学生如果不了解膜分离处理冶金废水的传质机理，想要通过膜材料的改进来获得更好的分离效果是不可能的。第三，课程体系要有时效性。现代社会的知识体系不断扩充，新的理论和观点不断出现，最重要的是一些旧理论的缺陷逐步被揭示。通过及时的补充或更新，可以使学生避免错误的方向，同时有更多的选择。前面提到的其它高校的课程建设围绕化工、药物生产、能源、常规的水处理等进行，又或者涵盖所有行业，其模式并不完全适合我院的特点。最为重要的是我们自身的课程体系存在不足。现有的授课覆盖了大量非冶金相关的内容，缺乏针对性。其次，内容陈旧，没能及时地将冶金分离和膜分离领域的最新成果进行总结和归纳。此外，缺乏对基础理论的系统的梳理，比较散乱。
2、课程教材建设
教材是传播知识的重要载体，是进行教学的基本工具，更是教学内容改革的重要体现形式。本课程此前一直没有指定教材，授课内容是在教师的教学和科研经验基础上从关于膜分离的书和国内外期刊中选择、整理而成。
以下著作或编著在部分章节对膜分离在冶金领域的应用案例和研究成果进行了介绍，作为授课的参考资料：
?C. A. Young, P. R. Taylor, C. G. Anderson (Eds.), Hydrometallurgy 2008: Proceedings of the Sixth International Symposium, Society for Mining Metallurgy & Exploration, 2008, ISBN: 9780873352666.
?张 启 修 ( 著 ), “ 冶 金 分 离 科 学 与 工 程 ”, 冶 金 工 业 出 版 社 , 2004, ISBN: 7030135717/0.1998.
?闫旭(编),“湿法冶金新工艺新技术及设备选型应用手册”, 冶金工业出版社, 2006, ISBN: 7534236588.
?G. Gore (Ed.), Electrolytic Separation, Recovery and Refining of Metals. Wexford College Press, 2003, ISBN 9781929148349.
?姜志新(编), “湿法冶金分离工程”，原子能出版社, 1993, ISBN: 9787502209025. T. J. Veasey, R. J. Wilson, D. M. Squires (Eds.), The Physical Separation and Recovery
?of Metals from Waste: Volume One. Taylor & Francis Ltd., 1993, ISBN: 9782881249167.
上述书籍虽然对膜分离与冶金的结合进行了介绍，但还存在以下问题：
1）缺乏系统性。膜分离技术本身涉及化工、材料、生物、化学等多个学科；膜分离在冶金及相关环保过程中的应用还要考虑冶金过程分离体系的独特性，如料液的成分对膜及膜过程的稳定性的影响，如何选择膜的类型和分离性能以促进冶金过程的优化，等等。因此，了解和把握膜分离在冶金中的应用需要系统的学习多学科领域的知识。显然上述书籍没有做到这一点。
2）不够全面。膜分离在冶金中的应用已经涵盖了所有金属种类，但上述著作主要关注常规金属，如黑色金属，种有色金属；对其它门类的金属，如稀有金属，贵金属等没有提到，或仅一笔带过。此外，与冶金膜分离过程紧密相关的两个方向，一个是适用于冶金工业的特种工业膜，另一个是冶金过程废弃物的处置，在上述专著、教材中没有得到足够的重视。
3）不具备时效性和新信息完整性。上面这些著作即使最新的也是在 2008 年出版的。膜分离与冶金过程结合这一方向发展迅速，近 5 年在研究和应用的深度和广度上都得到了拓展，体现在以下几方面：传统技术得到进一步深入探讨和分析；传统技术的改进或转移带来了改良革新；开发了一系列全新的过程。
相与本课程相关的期刊种类较多，范围广，在此不详细列表。期刊能够较灵活地公开一些科学前沿信息，但由于分布零散，并不利于全面把握学科方向。
综合上述观点，我们认为非常有必要编写专门的教材，对相关领域进行系统地分析和探讨。以膜分离教学的深度和学生知识体系的层次化为目标，笔者提出了以下膜分离课程教材建设的模式：以综合性的教材为脉络，帮助学生宏观把握基础和全局；同时，在每个方向提供一本精深的专业教材，结合课堂教学、专题讨论和课后实践，实现以学生志趣为引导的深入思考和学习。
2.1 综合性教材
冶金工程学科有其独特的学科体系。大部分的教学和科研工作的方向安排是按照金属的门类来进行的，如重金属、钢铁冶金、稀有金属等等。冶金科学为了自身的发展，不断从新兴科学分支中汲取营养，开辟了许多新的学科生长点，膜分离技术就是其总之一。以往研究显示膜分离技术在冶金中的应用在可行性、种类、问题等方面的特征与金属门类存在一定的关联性。鉴此，以冶金工程学科体系的组织架构为基础来编写本书是该课程教材改革的总体思路。其次，冶金科学的发展具有明显的地域性和时期性，与所在国家的资源特点和社会、政治、经济发展状况密切相关，各个国家都必须根据自己的国情来选择与之相适应的发展模式。
?以上述专著为基础，整理了近 5 年冶金膜分离会议论文和相关国内外期刊的相关论文，做到整合了学科发展基础和最新前沿。
?以英文为编写语言：冶金工业是全球多个国家都拥有的产业，英文版教材面向更广的群体，满足全球面对可持续发展对技术得需求。英文版教材也能培养本国学生的英文能力。
?组织了多所高校的教师共同编写：正如前面提到的，冶金膜分离是一个高度交叉的学科。由来自不同高校学术背景互补 的教师共同参与，能更好的把握这一方向的特点
2.2 专业教材
中国的膜分离产业和学术研究在近十年中得到了快速发展，其中纳滤膜分离技术尤为受到关注。纳滤膜分离在冶金、环保、化工等领域得到应用，如水处理、有机溶剂的处理、有价金属的回收等。纳滤分离的独特性和优势体现在对不同价态的离子和不同分子量的溶质的分离，能更有效地解决许多传统的分离问题，带来良好的社会、环境和经济效益，因而越来越多的工业企业开始从事纳滤膜的生产和工程应用。但由于起步较晚，国内产业界仍然面临很多难题，尤其是膜材料方面，真正具备实力的企业为数不多，工程应用多以进口产品为依托。国内企业需要对纳滤技术有更深入、更全面的认识，从而实现技术的突破。解决这些问题在很大程度上有赖于技术人才的专业知识的丰富和创新能力的提升，这无疑对高校和科研院所的人才培养提出了新要求。冶金、环境和化学工程是中南大学的特色和重点学科，而膜分离技术技术在这些领域都是非常重要的一个分支。我校及时应对需求，从本科到研究生阶段都开设了膜分离的专业课程。知识的深度和广度是分析问题和创造性地解决问题的基础。针对国内在纳滤技术领域面临的问题，更系统的了解纳滤技术以促进学生的专业知识体系的完善很重要。
Nanofiltration: Principles and Applications一书是三位在纳滤研究领域具有丰富的理论和实践经验的学者编写，全面系统地梳理了纳滤领域的理论和工程应用的进展，涵盖了纳滤分离技术各个层面的信息。正值我国膜分离事业的高速发展时期，国内高校和科研院所已经对纳滤膜分离技术给予了更多的重视，但纳滤方面的专业书籍严重匮乏。该书译本的出版对于我校乃至全国各大高校膜分离教学和研究型人才培养而言是非常必要的，具有重要的参考价值和借鉴意义。
上述教材将会成为他们很好的学习教材，并且也将带动起这门课程更广泛的开设。
3、注重理论联系实际
膜分离技术是一项以应用为目标的、基于多学科知识的交叉学科。膜分离技术的应用面临的很多问题需要融汇贯通各方面的知识。除了通过课堂学习和教材阅读所习得的经验知识一位，创新思维非常重要。随着社会发展，分离问题变得复杂化和多样化，用传统的经验能解决传统的问题，但对于新出现的问题，创造性才是最有效的途径。因此，在实施课程教学的同时，我们注意充分发挥学生的主动性和积极性，鼓励并尽可能协助他们（主要是自己所指导的学生）去企业进行调查研究，让他们了解一些先进的技术和原理，不拘泥于所学内容，通过新旧技术的交叉，为解决所研究问题提供创新思路。
膜分离科学技术研究生选修课程教学改革进行以来部分膜分离方向研究生在校期间发表论文、申请国家发明专利和获奖情况如下：
①研究生在校期间申请与膜分离有关的国家发明专利
?CN201910886849.6，一种超疏水纳米纤维、纤维膜及其制备和应用。授权
?CN201810754366.6，一种焦化废水的处理方法。授权
?专利申请，适用于冶金萃取乳化液分离的新型三维PDMS海绵材料的制备。
② 研究生在校期间发表与膜分离有关的论文
?Incorporation of UiO-66-NH2 into modified PAN nanofibers to enhance adsorption capacity and selectivity for oil removal. Journal of Polymer Research, 发表。
?Preparation of flexible electrospun AOPAN/PVDF membranes for removing Pb2+ from water. Applied Water Science (SCI), 发表。
4、结语
作为多学科与交叉学科教育的膜分离科学与技术选修课课程建设探索，几年来成就显著，许多学习了《膜分离技术概论》选修课程的青年已走上社会，活跃在过滤与分离、化工装备及过程强化、膜材料与膜过程技术等领域和若干交叉学科前沿。膜分离技术本科选修课程建设探索不仅为大专院校相关专业研究生开设膜分离技术课程提供了教材和值得借鉴的经验，也为膜分离技术更进一步发展提供了后备人才。
参考文献
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