基于實驗大賽對化工創(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]。為推動高等學(xué)?；ゎ悓I(yè)“新工科”建設(shè)，加強大學(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月正式啟動至今，已經(jīng)成功舉辦四屆全國大學(xué)生化工實驗競賽(以下簡稱“化工實驗大賽”)，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)生化工實驗大賽總決賽將于2022年8月在四川大學(xué)舉行。每屆化工實驗大賽對于化工專業(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。

1 化工實驗大賽對化工創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的推動作用

化工實驗大賽通過試題和評分標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新，不僅能考查選手對基礎(chǔ)知識的掌握情況，并且對選手的綜合實驗?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)工程型實驗仿真，工廠危險源識別、傳質(zhì)分離設(shè)備(吸收、解吸和精餾單元)。包含化工廠危險源識別環(huán)節(jié)，每個單元均包括：冷態(tài)開車、正常停車、事故處理及穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)等；(2)驗證型實驗仿真，化工原理實驗室安全虛擬仿真、液液萃取、恒壓過濾、流化床干燥。仿真模擬部分，選手要對整個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)，對于突發(fā)事故，不慌亂、及時調(diào)整、冷靜處理、解決問題。

實驗競賽環(huán)節(jié)包括流體流動綜合實驗、傳熱綜合實驗、精餾實驗和吸收實驗等四個實驗。選手隨機抽取一個實驗項目，雖然實驗原理相同，但是每個學(xué)校的實驗設(shè)備由不同廠家設(shè)計制造，難免會有差異。面對不同的實驗設(shè)備，給定的競賽題目或者實驗前置條件時，要求選手靈活正確處理實驗操作和實驗數(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。參照實驗大賽比賽規(guī)則，每年選拔六名同學(xué)參加實驗大賽，經(jīng)過實驗大賽鍛煉后，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)、仿真模擬與實驗操作相結(jié)合，既提升了學(xué)生綜合運用化工原理專業(yè)知識的能力，又增強了學(xué)生的創(chuàng)新意識。在仿真模擬中加入實驗室與工廠安全危險源識別操作，提高了學(xué)生的安全意識，實踐能力和綜合素質(zhì)大大提高。

2 化工實驗大賽對教學(xué)改革的推動作用

化工實驗大賽由三部分組成，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驗的操作及數(shù)據(jù)處理。化工實驗大賽全面考察學(xué)生對理論內(nèi)容的掌握情況、實驗操作動手能力及仿真軟件操作熟練程度。舉辦化工實驗大賽對促進課堂改革、改進教學(xué)方法并完善實驗教學(xué)內(nèi)容有一定的推動作用。

2.1 結(jié)合生產(chǎn)實踐 構(gòu)建多維度實驗教學(xué)體系

生產(chǎn)實習(xí)是化工類專業(yè)實踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，但是學(xué)生在進入化工企業(yè)時，面臨“只能看，不能動”的困境，實習(xí)課時較短，導(dǎo)致實習(xí)效果不明顯。以常州大學(xué)仿真實習(xí)課程為例，離心泵、精餾塔、換熱器和間歇反應(yīng)釜是學(xué)生的必修項目，對應(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)場實訓(xùn)操作相結(jié)合的教學(xué)模式，構(gòu)建多維度實驗教學(xué)體系，從而提高學(xué)生的工程實踐能力[4]。

2.2 更新教學(xué)內(nèi)容 采用多元化課堂教學(xué)模式

化工實驗大賽能夠推動教學(xué)方法和教學(xué)手段的改進。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)理論知識與仿真模擬相結(jié)合，共同促進教學(xué)質(zhì)量的提升，值得教育工作者思考。以常州大學(xué)國家級化工虛擬仿真項目《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。對于整個工藝流程，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，我們要學(xué)會如何通過調(diào)節(jié)相關(guān)閥門來保證整個裝置的連續(xù)性生產(chǎn)，同時保證產(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)生初步掌握解決實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題的能力。競賽是團隊協(xié)作模式，三位學(xué)生在仿真訓(xùn)練的過程中，可以對某個操作討論學(xué)習(xí)，也可以針對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，為參加化工實驗大賽做好準(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，以國家級虛擬仿真共享平臺實驗空間和常州大學(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。

通過實驗大賽的安全仿真、化工單元仿真及化工原理實驗仿真三者結(jié)合的實訓(xùn)模式訓(xùn)練后，充分鍛煉了學(xué)生的實踐能力、解決問題能力及團隊協(xié)作能力，提升了自信心、開闊了眼界、明顯提高學(xué)生報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)生化工實驗大賽總決賽中分別取得了特等獎和一等獎的佳績。

2.3 重視實驗安全 促進實踐平臺建設(shè)

安全培訓(xùn)是化工實驗大賽一個非常重要的環(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)到組委會的要求，才能進行后續(xù)的化工單元仿真以及實驗操作。

化工實驗大賽對實驗設(shè)備有很高的要求，這就要求舉辦學(xué)校加強對化工原理實驗室的建設(shè)和單元操作設(shè)備的更新，不斷促進化工原理實驗室的建設(shè)。參賽學(xué)校通過比賽，各個學(xué)校之間學(xué)習(xí)交流，有利于提高化工原理實驗教學(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)生化工實驗大賽，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)主要存在如下五個問題。

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

(2) 化工原理實驗和仿真操作均需團隊合作。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，如果缺乏團隊意識，那么極有可能對競賽結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

(3) 學(xué)生在實驗操作過程中安全意識不強，做實驗時部分同學(xué)不佩戴護目鏡、手套等防護工具。

(4) 了解化工單元操作裝置的內(nèi)部構(gòu)造有利于學(xué)生加深對理論知識的理解。在授課過程中，教師可以借助虛擬仿真技術(shù)，將知識形象化，動畫化，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)處理是化工原理實驗的重要部分，競賽過程中，實驗數(shù)據(jù)多，計算量大，但是大部分學(xué)生對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)

通過化工實驗大賽這個平臺，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，同時培養(yǎng)學(xué)生將化工理論和實際生產(chǎn)相結(jié)合的能力，將“新工科”更好地融入教學(xué)中，同時也能推動實驗室建設(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)，促進我國化學(xué)工程教育質(zhì)量的提升[6]。