基于實(shí)驗(yàn)大賽對(duì)化工創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的研究

黃澤恩 劉文杰 周永生 馬江權(quán) 吳炳輝

(常州大學(xué) 石油化工學(xué)院, 江蘇 常州 213164)

學(xué)科競賽將課堂理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)緊密聯(lián)系，是提升教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)高素質(zhì)人才的有效途徑[1]。為推動(dòng)高等學(xué)校化工類專業(yè)“新工科”建設(shè)，加強(qiáng)大學(xué)生綜合素質(zhì)與能力培養(yǎng)，提升教育服務(wù)石油和化工行業(yè)發(fā)展的水平[2]，自2017年5月正式啟動(dòng)至今，已經(jīng)成功舉辦四屆全國大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)競賽(以下簡稱“化工實(shí)驗(yàn)大賽”)，2021年9月第四屆大賽主題為“啟航-化工工程師”在南京工業(yè)大學(xué)舉辦。前三屆大賽分別于2017年、2018年和2019年在天津大學(xué)、華東理工大學(xué)、大連理工大學(xué)舉行，第五屆全國大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)大賽總決賽將于2022年8月在四川大學(xué)舉行。每屆化工實(shí)驗(yàn)大賽對(duì)于化工專業(yè)類學(xué)生及指導(dǎo)教師都是一場廣泛育人的高質(zhì)量盛會(huì)。

1 化工實(shí)驗(yàn)大賽對(duì)化工創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的推動(dòng)作用

化工實(shí)驗(yàn)大賽通過試題和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新，不僅能考查選手對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況，并且對(duì)選手的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)素質(zhì)提出了更高要求。

仿真部分包括兩部分內(nèi)容：(1)工程型實(shí)驗(yàn)仿真，工廠危險(xiǎn)源識(shí)別、傳質(zhì)分離設(shè)備(吸收、解吸和精餾單元)。包含化工廠危險(xiǎn)源識(shí)別環(huán)節(jié)，每個(gè)單元均包括：冷態(tài)開車、正常停車、事故處理及穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)等；(2)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)仿真，化工原理實(shí)驗(yàn)室安全虛擬仿真、液液萃取、恒壓過濾、流化床干燥。仿真模擬部分，選手要對(duì)整個(gè)操作步驟及流程非常熟悉，理解每一步的操作意義，一次操作失誤可能造成事故發(fā)生，在操作過程中要認(rèn)真觀察溫度、壓力以及流量等參數(shù)，對(duì)于突發(fā)事故，不慌亂、及時(shí)調(diào)整、冷靜處理、解決問題。

實(shí)驗(yàn)競賽環(huán)節(jié)包括流體流動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)、傳熱綜合實(shí)驗(yàn)、精餾實(shí)驗(yàn)和吸收實(shí)驗(yàn)等四個(gè)實(shí)驗(yàn)。選手隨機(jī)抽取一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，雖然實(shí)驗(yàn)原理相同，但是每個(gè)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備由不同廠家設(shè)計(jì)制造，難免會(huì)有差異。面對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，給定的競賽題目或者實(shí)驗(yàn)前置條件時(shí)，要求選手靈活正確處理實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)工作[3]。

以常州大學(xué)石油化工學(xué)院近四年的參賽學(xué)生為例，學(xué)院每年進(jìn)行校內(nèi)選拔賽，參賽人數(shù)超化工類專業(yè)人數(shù)八成。參照實(shí)驗(yàn)大賽比賽規(guī)則，每年選拔六名同學(xué)參加實(shí)驗(yàn)大賽，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)大賽鍛煉后，大多數(shù)同學(xué)畢業(yè)后繼續(xù)深造，在新的學(xué)校和工作單位也是佼佼者。

通過將理論教學(xué)、仿真模擬與實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合，既提升了學(xué)生綜合運(yùn)用化工原理專業(yè)知識(shí)的能力，又增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。在仿真模擬中加入實(shí)驗(yàn)室與工廠安全危險(xiǎn)源識(shí)別操作，提高了學(xué)生的安全意識(shí)，實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)大大提高。

2 化工實(shí)驗(yàn)大賽對(duì)教學(xué)改革的推動(dòng)作用

化工實(shí)驗(yàn)大賽由三部分組成，分別是化工原理理論、化工單元仿真操作分析與化工原理實(shí)驗(yàn)的操作及數(shù)據(jù)處理。化工實(shí)驗(yàn)大賽全面考察學(xué)生對(duì)理論內(nèi)容的掌握情況、實(shí)驗(yàn)操作動(dòng)手能力及仿真軟件操作熟練程度。舉辦化工實(shí)驗(yàn)大賽對(duì)促進(jìn)課堂改革、改進(jìn)教學(xué)方法并完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容有一定的推動(dòng)作用。

2.1 結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐 構(gòu)建多維度實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是化工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，但是學(xué)生在進(jìn)入化工企業(yè)時(shí)，面臨“只能看，不能動(dòng)”的困境，實(shí)習(xí)課時(shí)較短，導(dǎo)致實(shí)習(xí)效果不明顯。以常州大學(xué)仿真實(shí)習(xí)課程為例，離心泵、精餾塔、換熱器和間歇反應(yīng)釜是學(xué)生的必修項(xiàng)目，對(duì)應(yīng)化工原理課程中的“三傳一反”，學(xué)生通過練習(xí)開車、停車、事故處理，采用仿真模擬與現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)操作相結(jié)合的教學(xué)模式，構(gòu)建多維度實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，從而提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力[4]。

2.2 更新教學(xué)內(nèi)容 采用多元化課堂教學(xué)模式

化工實(shí)驗(yàn)大賽能夠推動(dòng)教學(xué)方法和教學(xué)手段的改進(jìn)。近幾年，國內(nèi)很多高校都建立了虛擬仿真中心，如何將基礎(chǔ)理論知識(shí)與仿真模擬相結(jié)合，共同促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升，值得教育工作者思考。以常州大學(xué)國家級(jí)化工虛擬仿真項(xiàng)目《甲醇的合成與精制仿真軟件》為例，仿真軟件中包括冷態(tài)開車、正常停車以及常見事故的處理。對(duì)于整個(gè)工藝流程，我們觀察原料氣體的流量、反應(yīng)氣的組成、溫度及壓力等參數(shù)，如果參數(shù)發(fā)生波動(dòng)，我們要學(xué)會(huì)如何通過調(diào)節(jié)相關(guān)閥門來保證整個(gè)裝置的連續(xù)性生產(chǎn)，同時(shí)保證產(chǎn)品的質(zhì)量。通過這樣的學(xué)習(xí)過程，更深刻理解化工原理中“三傳一反”的本質(zhì)，讓學(xué)生初步掌握解決實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題的能力。競賽是團(tuán)隊(duì)協(xié)作模式，三位學(xué)生在仿真訓(xùn)練的過程中，可以對(duì)某個(gè)操作討論學(xué)習(xí)，也可以針對(duì)某一操作車間各自分配不同工種，共同協(xié)作完成操作任務(wù)。不僅可使學(xué)生掌握化工生產(chǎn)中各單元的正常開停車操作、故障排除及突發(fā)事件的處理方法，還可以提高學(xué)生的參與度與積極性，為參加化工實(shí)驗(yàn)大賽做好準(zhǔn)備。

此外，仿真軟件與設(shè)備更新相比成本更低，相對(duì)簡單，以此不斷更新教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的求知欲。將仿真模擬融入教學(xué)中將極大地豐富教學(xué)內(nèi)容，以國家級(jí)虛擬仿真共享平臺(tái)實(shí)驗(yàn)空間和常州大學(xué)自建的江蘇省化學(xué)化工虛擬仿真共享平臺(tái)為依托，共享教學(xué)資源，提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使教學(xué)達(dá)到滿意的效果。

通過實(shí)驗(yàn)大賽的安全仿真、化工單元仿真及化工原理實(shí)驗(yàn)仿真三者結(jié)合的實(shí)訓(xùn)模式訓(xùn)練后，充分鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力、解決問題能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提升了自信心、開闊了眼界、明顯提高學(xué)生報(bào)名參加比賽的積極性。我校參賽學(xué)生在2018和2019年全國大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)大賽總決賽中分別取得了特等獎(jiǎng)和一等獎(jiǎng)的佳績。

2.3 重視實(shí)驗(yàn)安全 促進(jìn)實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)

安全培訓(xùn)是化工實(shí)驗(yàn)大賽一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，所有參賽的選手必須通過仿真軟件的學(xué)習(xí)達(dá)到組委會(huì)的要求，才能進(jìn)行后續(xù)的化工單元仿真以及實(shí)驗(yàn)操作。

化工實(shí)驗(yàn)大賽對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有很高的要求，這就要求舉辦學(xué)校加強(qiáng)對(duì)化工原理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和單元操作設(shè)備的更新，不斷促進(jìn)化工原理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。參賽學(xué)校通過比賽，各個(gè)學(xué)校之間學(xué)習(xí)交流，有利于提高化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體水平，提高學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)效果。

3 目前存在的問題及對(duì)應(yīng)措施

迄今為止，我校已經(jīng)參加過四屆全國大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)大賽，作為一名參與競賽指導(dǎo)的教師，在學(xué)生學(xué)習(xí)過程和教師教學(xué)方面發(fā)現(xiàn)主要存在如下五個(gè)問題。

(1) 學(xué)生理論知識(shí)理解不夠深入，疲于應(yīng)付學(xué)校的期末考試，不能真正將基礎(chǔ)理論知識(shí)融會(huì)貫通。在競賽中，一些最基本的理論知識(shí)會(huì)被忽略，導(dǎo)致比賽過程中被扣分。

(2) 化工原理實(shí)驗(yàn)和仿真操作均需團(tuán)隊(duì)合作。在競賽和日常學(xué)習(xí)中，只有做到分工明確，職責(zé)清晰，利用集體的力量，問題才能迎刃而解。競賽過程中，如果缺乏團(tuán)隊(duì)意識(shí)，那么極有可能對(duì)競賽結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

(3) 學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中安全意識(shí)不強(qiáng)，做實(shí)驗(yàn)時(shí)部分同學(xué)不佩戴護(hù)目鏡、手套等防護(hù)工具。

(4) 了解化工單元操作裝置的內(nèi)部構(gòu)造有利于學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解。在授課過程中，教師可以借助虛擬仿真技術(shù)，將知識(shí)形象化，動(dòng)畫化，豐富教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[5]。

(5) 數(shù)據(jù)處理是化工原理實(shí)驗(yàn)的重要部分，競賽過程中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多，計(jì)算量大，但是大部分學(xué)生對(duì)Excel、Origin等軟件應(yīng)用不熟練。教師應(yīng)多引導(dǎo)學(xué)生使用相關(guān)軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖，提高數(shù)據(jù)處理效率。

4 總結(jié)

通過化工實(shí)驗(yàn)大賽這個(gè)平臺(tái)，將仿真模擬與課堂教學(xué)相結(jié)合，學(xué)生可以更系統(tǒng)地掌握化工理論知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生將化工理論和實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合的能力，將“新工科”更好地融入教學(xué)中，同時(shí)也能推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，提升教師的教學(xué)能力，豐富教學(xué)內(nèi)容和手段，提高教學(xué)效果和教學(xué)水平，為培養(yǎng)創(chuàng)新型高素質(zhì)人才奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)我國化學(xué)工程教育質(zhì)量的提升[6]。