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【交大化工70年】 交大化工教育70年回眸与展望

 

【编者按】    七十载峥嵘岁月,沧桑砥砺;七十载风雨如磐,桃李芬芳。上海交通大学化工学科自1946年成立以来,历经风雨,不断前行,已经走过70个春秋,这其中有很多故事和片段值得回顾与铭记,我们将陆续推出关于“交大化工70年”的追忆文章。以庆祝交大化工七十华诞,并明鉴、启迪后来人,薪火相传,共创未来。

 

交大化工教育70年回眸与展望
马紫峰
(上海交通大学化学工程系,上海 200240)

【摘要】今年是交通大学化工系成立70周年。由于1952年全国院系调整,交大化工教育发展并非一帆风顺。本文简要回顾了交大化工教育发展历史,对1980年以来交大化工教育思路、学科建设和取得的科研成绩做简要总结,并对今后交大化工教育发展路线图提出建议。

【关键词】化工教育;70周年;交通大学;技术创新


The 70th Anniversary Review and Prospect of Chemical Engineering Education at Jiao Tong University
Zi-Feng Ma
(Department of Chemical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)


Abstracts: This year is the 70th anniversary of the Department of Chemical Engineering at Jiaotong University. Development of chemical engineering discipline at Shanghai Jiaotong did not go well because the readjustment of national institutes in 1952. In this paper, the history of the Department of Chemical Engineering at Jiaotong University was reviewed briefly. The development route of chemical engineering education and research achievement obtained at Shanghai Jiaotong since 1980 were summarized,and the development roadmap of Chemical Engineering education at Jiaotong University is suggested.
Keywords: Chemical Engineering Education; 70th anniversary; Jiaotong University; Technology Innovation


    化工学科是在化学、物理和机械等学科基础上发展起来的工程科学,与机械、电机、土木并称工程科学四大基础性学科。化工过程是将煤、石油、动植物、空气和水等原材料通过“化学反应”与“物理分离”两大单元转化为有用产品的工业过程。从合成氨工业到石油炼制工业的发展,不仅使人类社会发展所需的氨气、燃料油大规模生产成为现实,同时也催生了化工热力学、化学反应工程和单元操作等基础理论,形成了经典的“三传一反”化工理论体系。随着社会经济不断发展,依托合成氨、无机盐工业、石油炼制、石油化工、煤化工、冶金等传统过程工业生产的物质已能满足人类社会的需要。新材料、新能源、环境保护和生物医药等战略新兴产业成为现代化工过程研究的重点,以满足人们对地球更清洁、生活环境更美好的愿景。“过程工业”概念逐步取代了“化学工业”,“化学工程”也逐步演变为“过程工程”。一个重要的标志就是,中国科学院将“化工冶金研究所”更名为“过程工程研究所”。“过程工程”教育也应运而生,形成了“过程工程导论”、“过程工程原理”、“化学产品工程”或“过程与产品”等课程新体系[1]。
    从20世纪初美国麻省理工学院建立世界上第一个化工系以来,化工高等教育就强调培养具有产品设计、产品生产过程放大、生产过程优化技能的专业人才。发展人类源源不断增长的物质需求,改善人类生存环境,发展清洁能源,降低能源消耗成为推动化工学科发展的不竭动力。迄今为止,化工高等教育已经历百年辉煌,化工教育理论体系不断完善,成为国际工程科学教育体系中不可或缺的组成部分。1946年,交通大学创立了化学工程系,经历了70载风雨,由于1952年全国院系大调整,交通大学化工教育起起落落,今天终于以暂新面貌展现在世人面前。2014年以来,总部设在伦敦的高等教育咨询机构Quacquarelli Symonds (QS)发布世界大学学科排名中,上海交通大学化工学科连续2年进入国际QS前100名,2016年更是挺进全球QS前50,位列46,名列全国第二。为促使交大化工学科更好的发展,培养更多优秀的人才,以交大化工70年庆为契机,回顾历史,梳理交大化工未来发展思路是十分必要的。本文将对交大化工学科发展历史作简要回顾,对上世纪八十年代以来交大化工学科发展过程的特点和取得的成果进行总结,并对未来的发展趋势进行阐述。


1 交大化工教育历史沿革
    交通大学化工学科始建于一个特殊的年代,当时抗日战争刚刚结束,百废待兴,物质紧缺,技术人才匮乏。 交通大学化学工程系的发展并非一帆风顺,创建不久就面临撤办危险。当时的国民政府藉口经费短缺、设备缺乏要撤销交大化工系,是在系主任苏元复先生及全体师生奋力抗争下,化工系才得以保留。全体师生艰苦创业,自力更生,经过短短的5年时间,迅速建立起当时国内一流的化工系。据交通大学一九五一届毕业纪念刊记载[2]:“在交大,化工系是比较年青的一系,创立到现在只有五年,它的历史虽然不长,但是由于全体师生的努力,无论在设备及其他基础方面,本校化工系在国内可说是数一数二的了。化工系有三个实验室:化工实验室、工业分析室和工业化学室。化工实验室的重要设备有:双效蒸发器、连续分馏塔、蒸汽再压缩式蒸发器、压力可达一千以上大气压的四级压气机、高压转化器、真空干燥器、结晶器、真空连续过滤器,以及其他许多化工机械和试验装置。工业分析室有分析煤、水、油脂、液体燃料、润滑油等的特种仪器数十件,因为设备较完备,外界常有特种样品来委托分析。工业化学室有着若干套小型的工业过程设备、并将和工业部合作进行研究工作”。当年的化工系汇聚了苏元复、琚定一、王承明、沈济川等国内有名的化工专家,在教学中特别注重理论与实际的结合。例如,“工业化学”课程同时由五六位教师分别担任主讲,每人教授着其所特长的那部分。每学到一相当段落,便组织同学去参观工厂,更深刻体会所学的内容。在假期中同学便到工厂实习,作进一步的学习。“为了更好的专业化,化工系将分设冶金组和化工设计组,开始筹建冶金实验室,并将今后的重点放在重工业方面的人才培养,如冶金(包括有色金属冶炼)、炼焦、酸碱、石油等”[2]。
    正当交通大学化工系准备快马加鞭建设时,1952年全国院系大调整,改变了交大化工学科发展轨迹。以苏元复先生为首的化工系全体师生员工整体迁出,进入新成立的上海化工学院(现华东理工大学)。1955年,交通大学响应国家号召西迁,刚在院系调整后恢复成立不久的化学教研室又随学校主体迁往西安,直到1957年,“交通大学上海部分”才重建化学教研室为基础教学服务。1958年,“交通大学上海部分”冶金系成立并组建物化分析教研室,孙璧媃出任教研室主任。在开展教学的同时也开展服务于社会的科研活动,利用电化学知识为造船厂开发耐腐蚀涂料,开展金属材料防腐技术研究。为了完善学科布局,上海交通大学于1979年5月整合校基础部化学教研室、冶金系(热加工系)物化分析教研室和电机系高分子材料研究室三支办学力量成立应用化学系,孙璧媃先生任系主任,王宗光任总支书记,同年成立了电化学教研室。1982年9月,时任应用化学系系主任徐祥铭邀请中国科学院沈善炯院士组建生物教研室及分子生物实验室,开展生物化学与分子生物技术研究。1984年,应用化学系又成立了环境科学与工程研究室,此举奠定了交大两个新兴学科(生命科学与技术学院、环境科学与工程学院)的迅速发展,为交通大学的学科建设做出重要贡献。1985年,成立了高分子研究所,徐祥铭兼任所长,朱子康为副所长。1989年,从成都科技大学引进了徐僖、周持兴和化工部西北橡胶研究院张隐西等专家加强高分子材料研究。1991年10月,经国家教委批准,在高分子研究所基础上成立“上海交通大学高分子材料研究所”,徐僖任所长、周持兴任常务副所长,使交大高分子材料研究地位和水平迅速提高。1995年3月,应用化学系组建精细化工研究所,从华东理工大学引进的黄德音教授任所长,王大璞任副所长。同年,在学校层面组建了上海交通大学材料与化工研究院,时任校党委书记王宗光教授兼任院长。1997年7月28日,上海交通大学与原化学工业部上海化工研究院联合共建的化学化工学院举行成立典礼暨揭牌仪式。化工部常务副部长陈士能、科技司司长顾觉生,以及国家教委、上海市科委、有关高校领导和专家出席了典礼。原中国民主建国会主席、全国人大常委会副委员长成思危及国家科委综合计划司、化工部等发来了贺信[3]。唐小真任院长,吴旦任院总支书记,从此交大化学与化工学科发展开始新的征途。
    学院成立之初,分别设立了高分子化学系、高分子材料系、应用化学系和精细化工系,这种系科设置主要依据是当时学院的师资队伍现状,也是为避免与化学学科优势明显的复旦,及化工学科领先的华东理工大学发生正面的交锋。但这样的系科设置对交大化学与化工学科的长远发展是不利的。1998年底,化学化工学院领导组织青年教师座谈会,结合国务院学位委员会新的化学与化工一级学科目录变化,探索学院长远发展规划,印杰、刘燕刚、刘念才、张勇和我等一批年轻教师对交大化学与化工的未来充满了期待,各抒己见,在王宗光书记、学院领导和老教授大力支持下于1999年1月,化学化工学院重组力量,恢复组建了化学工程系和化学系,设立特色鲜明的高分子科学与工程系。标志着交大化工学科建设进入暂新的阶段,也彰显了交大面向未来,争创一流的决心。当时,本人刚刚进入交大三个月,被破格提拔出任化学工程系系主任,负责化工学科的建设,足见交大人不拘一格,敢为天下先的优良品格和工作作风。图1为交大化工学科发展沿革略图。
 


图1 交大化工学科发展历史沿革略图

2 筑巢引凤完善学科
    1999年,化学工程系恢复建设标志着交大化工学科开始新的旅程。当时,交大化工学科布局还不完善,在化工一级学科的5个二级学科中,仅有“应用化学”与“生物化工”2个硕士点,且分别分布在化工学院与生命学院。我校“应用化学”硕士点是1981年经国务院学位办批准设立。1994年,黄德音教授加盟交大组建“精细化工”学科。由于1997年国务院学位办的学科大调整,将“精细化工”并入“应用化学”。在学院领导班子统一部署下,将原应用化学系、精细化工系和高分子材料系的部分教师整合在一起,梳理出电化学工程、精细化工、分离工程、催化与反应工程、高分子材料加工与流变学等研究方向,本人负责组织材料积极申报化工学科的硕士点和博士点。2000年,新增了“化学工程”硕士点和“化学工程领域”工程硕士点。在2003年,由国务院学位办批准获得“应用化学”博士点,使我校化工学科建设取得重要突破。2005年,化学工程与技术一级学科硕士点获得批准,为交大化工学科快速发展奠定了基础。自此,交大化工形成了本科、硕士和博士三级人才培养体系。截止到2016年7月,已经培养应用化学专业博士206名,在读博士生52名。其中,1人获得全国优秀博士学位论文,3人全国优博提名奖,14人获得上海市优秀博士学位论文。
    学科建设与人才队伍组成与结构密切相关。为了完善学科布局,1999年,新增刘燕刚、任天辉和马紫峰三位教授。2000年前后,邀请赵亚平、张永明加盟交大化工,加强分离技术与膜材料科技技术领域的研究。2003年,从海外引进杨军教授、杨立教授充实电化学能源技术研究队伍。在2005年取得化工一级学科硕士授予权后,2006年,从华东理工大学引进了“长江学者”肖文德教授和钟建江教授,分别作为化学工程与生物化工学科带头人,这样交大化工一级学科及学科带头人布局基本完成。2012年以来,为了加强化学工程与技术领域的发展,先后引进了聚合反应工程专家罗正鸿教授,国家“千人计划”特聘专家章俊良教授和陈宗海教授,国家“青年千人计划”特聘研究员苏远海博士,使我校化工学科的人才队伍得到进一步的加强和优化。2016年,罗正鸿教授和俞炜教授获得国家杰出青年基金,标志着我校化工学科人才队伍建设跨上一个新的台阶。


3 化工课程体系建设
    为了使交大化工融入国内化工学科大家庭,在发展特色教学与研究方向的同时,我们在人才培养体系建设方面,参照国际化工专业教学模式,对“化学工程与工艺”本科专业和“化学工程与技术”专业的研究生课程体系进行调整。开设了化工数学、分离技术及应用、能源化工、过程工程导论、产品工程导论、多相催化原理与实践、应用电化学、精细化工等化工专业基础和特色课程,并鼓励老师积极开展教学改革与建材建设。我们组织化工系教师翻译出版了国际著名化工教材《动量、热量和质量传递原理》(第四版),对《传递过程》和《化工原理》的教学方法进行深入研究[4-8]。针对生物工程专业的特点,在化工原理教学内容做了调整,以便满足生物工程专业知识的学习和应用[9]。我们还首创了《过程工程导论》课程体系,积极推动“化学工程”到“过程工程”的学科思路转变,该课程体系建设得到了我国著名化工专家郭慕荪、余国宗和李静海等院士的肯定和支持。2009年正式出版了国内第一本《过程工程导论》教材,郭先生将其在1958年撰写的“何谓过程工程”一文编入本教材,余先生亲自为本书作序,教材出版后在国内众多高校得到推广,并被纳入学校精品课程建设。另外,还特邀香港科技大学化工系创系系主任余宝乐先生来交大,利用学校小学期以英文讲授“Process and Product”课程,本人也应邀去香港科大为港科大本科生讲授氢能、燃料电池以及电化学能源工程等内容,通过双方互动交流,提升课程教学质量。将传统化学工程教学中以“过程”为主导的“三传以反”理论教学延伸至“产品”导向的“过程与产品工程”。


4面向国家战略需求,开展技术创新与平台建设
    化学工程师与化学家的区别在于将化学基础理论,从新反应、新过程和新产品的概念设计,转化为可规模化生产的工业过程技术或产品生产技术。“过程”与“产品”技术完善与优化,满足人类生活需求是化工技术创新的一大特色。无论是交大化工学科发展,还是国内外化工教育与研究始终秉承着这一特色。交大化工学科的发展始终与交大船舶海洋工程、动力机械、材料工程和电机电气工程等传统优势学科交叉融合,共同发展。例如,为造船工业开发涂料和防腐技术,为电气工业开发电工绝缘材料,为动力机械工业开发油品添加剂、摩擦及润滑材料。上世纪九十年代,我校先后组建的高分子材料研究所、精细化工研究所和燃料电池研究所(1998)都是基于聚焦学科前沿、服务社会的理念而创立的,这些研究机构的设立,使我校的化工技术创新特色更加鲜明。2001年,国家科技部启动了“电动汽车”重大专项计划,发展燃料电池电动汽车、纯电动汽车和混合动力汽车,实施新能源汽车发展“三纵三横”技术路线[10],为交大化工学科发展创造了良好的机遇。2002年,本人作为项目负责人获得了化工学院第一个国家863计划重点项目“质子交换膜燃料电池膜电极材料关键技术研究”,在质子交换膜、电催化剂等关键材料方面开展研究。为了顺应电化学能源工程科学的发展,2003年4月,化学化工学院适时组建了电化学工程与技术研究所(后更名“电化学与能源技术研究所”),为化工学科建设搭建了电化学能源工程[11-12]发展平台,成为我校化学工程学科一个新的前沿创新研究平台。
    为满足我国电动汽车用燃料电池和氯碱工业技术发展,张永明教授于2006年获得国家863计划重大项目,与山东东岳合作全面推进全氟离子交换膜技术的国产化,填补了多项国内技术空白,主持完成的“全氟离子交换材料制备技术及其应用”成果荣获2011年国家技术发明二等奖,他本人也因此获得2012年“何梁何利科学与技术进步奖”。2007年,本人作为首席科学家,获得了国家973计划“电动汽车用低成本、高密度蓄电(氢)体系基础科学问题研究”项目,瞄准电动汽车应用,开展高性能动力电池和超级电容器技术基础研究。2013年,由获得了国家973计划“基于超级电容器的大容量储能体系及应用”项目,为可再生能源发电接入电网应用,减少“低电压穿越”效应,研究快速响应的电化学储能系统。 2014年3月,经上海市教委批准,依托我校成立了“上海高校电化学能源系统及应用工程研究中心”。2014年11月,上海市科委批准我校筹建“上海电化学能源器件工程技术研究中心”,这是我校化学化工学院第一个省部级工程技术研究中心,该中心于2016年10月通过现场验收,对外开放运行。2016年,杨军与王久林等人完成的“锂基二次电池高比容量电极材料及其界面稳定机制的研究”获得2016年上海市自然科学一等奖。我们与比亚迪、中聚电池联合完成的“磷酸铁锂电池储能系统关键技术及产业化”获得了2016年中国石油和化学工业联合会技术发明奖二等奖。马紫峰荣获2016年中国产学研合作创新奖(个人)。以上科研基地和科研成果的取得,标志着上海交大在电化学能源材料、器件及系统应用领域进入了国内先进行列。
在高分子材料加工研究领域,张勇和王仕峰等人以大宗高分子材料在沥青路面中的精细稳定化分散与高性能复合为目标,提出了高分子沥青材料杂化设计、复合改性增粘增韧、高效干法原位分散等方法,发明了重交通道路高承载力路面材料、高安全排水沥青路面材料、废橡塑基热塑性弹性体材料、节能减排的温拌沥青材料等新型路用材料及制备技术方法。有力支撑了我国绿色道路工程材料的需求,多项技术打破国外技术垄断或主导地位。张勇等人完成的“高性能聚合物改性沥青的稳定化技术”获得2010年上海市技术发明二等奖。与交通运输部公路科学研究院联合完成的“高性能沥青路面新材料及制备技术”获得2012年国家技术发明二等奖。在复杂流体流变学、本构模型和多尺度计算机模拟方面,周持兴和俞炜等人主持完成了“多相多组分聚合物弹性体系剪切场下相分离过程的形态、动力学和流变学研究”等国家重点基金项目,针对高分子共混体系,提出并发展了广泛适用的流变学本构理论,实现了对相形态演变和流变性质的精确预测;针对高分子体系的相转变问题,建立了表征高分子共混/嵌段共聚物体系相图和相分离动力学的流变学方法,阐明了分子自组装对共混体系浓度涨落的影响,提出了调控液液相分离和结晶的新思路;发展了化学流变学研究方法,建立了定性和定量表征长链支化分子拓扑结构的流变学方法,揭示了流场对均相和非均相高分子熔体化学反应动力学和选择性的影响;建立了基于流变学本构理论的多尺度模拟方法,解决了橡胶挤出等多个实际高分子加工问题。
    除了在电化学能源工程、高分子材料等交大特色领域取得长足发展的同时,我校在化学反应工程理论应用方面也开始显现出良好的发展态势。肖文德教授利用其在化学反应工程方面多年的研究积累,以化学反应工程的热门和前沿技术——多功能反应器为基础,创新提出了基于三氯氢硅的硅烷生产技术,使原本极其低效的反应(转化率0.1%)可以实现完全转化(接近100%),研发的具有自主知识产权的硅烷大规模生产新技术600吨/年中试生产项目在河南平煤神马集团试车成功,连续稳定生产出产品纯度大于99.9999%的高品质硅烷产品,为光伏产业发展奠定良好的基础。杨斌副教授针对裂解法固有的缺陷,创新性地提出了完善的解决方案,同时解决了工程放大中遇到的一系列关键问题,成功开发了国内第一项拥有完全自主知识产权的规模化的新型裂解回收技术和装备,碳纤维复合材料废弃物的年处理能力超过200吨,达到具有国际水平的规模化生产能力,填补了国内该领域的空白。目前该项技术已被中国汽车技术研究中心增补到2015年《车用材料可再利用性和可回收利用性通用判定指南》行业规范,具有重要的产业应用前景。罗正鸿主持完成的“功能导向化工反应器的多尺度连贯及模拟”获得2014年中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖。


5 结语与展望
    交通大学作为我国高等教育史上以理工见长、国内一流、国际知名的大学,自1946年创建化学工程系以来,交大化工学科经历了七十年艰难曲折的发展历程。院系调整和交大西迁导致交大化工学科停滞发展近30年。二十世纪八十年代以来,交大化工从应用化学学科发展肇始,在各级部门和领导鼎力支持下,交大化工学科建设初见成效,师资力量不断增强,结构不断完善。围绕化学工程、化学工艺(高分子化工)、生物化工、应用化学和工业催化等二级学科建设,在电化学能源工程、反应工程与催化、分离技术及应用、能源化工、多尺度复杂流体及流变学、摩擦与润滑、高分子材料、光电材料、微生物与生物工程、过程系统模拟与优化、精细化学品、医药中间体等方向形成特色,为国家培养了一批优秀的化工人才,在2014-2016国际QS学科排名中名列前茅,在国际高等化学工程教育中具有重要的影响。
    然而,交大化工学科的发展依然面临诸多挑战,任重而道远。化工学科作为一个传统的工程学科,如何适应新形势下众多新兴的技术与学科发展需要,并获得更多领导理解和支持,对于交大化工学科的未来发展至关重要。因此,只有未雨绸缪,把握机遇,才能更上一层楼。对于未来,交大化工学科建设重点应该是:(1)把握机遇,尽快完成化工一级学科博士点建设;(2)面向国家需求和化工学科前沿,建设2-3个具有特色的省部级以上工程研究中心或重点实验室,通过科技创新平台建设,引进更多优秀的学科带头人,推动交大化工技术创新,为社会提供更优质的服务;(3)加强化工专业人才培养,建立与完善化学工程创新人才培养体系。以化工学科的ABET国际论证为契机,实现本硕博化学工程课程贯通,使交大化工的人才培养与国际化接轨。我们坚信交大化工学科发展会越来越好。
致谢:本文撰写过程中得到了上海交通大学朱新远教授、罗九甫教授、贾金平教授、刘燕刚教授、张隐西教授、周持兴教授、张勇教授、俞炜教授,王仕峰副研究员以及上海化工研究院刘以华高级工程师的大力支持。上海交通大学档案馆为本文提供了珍贵的历史资料。


参考文献:
[1]马紫峰,过程工程导论,化学工业出版社,2009.1
[2]交通大学一九五一级毕业纪念刊,1951
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