基于实验大赛对化工创新性人才培养的研究

黄泽恩 刘文杰 周永生 马江权 吴炳辉

(常州大学 石油化工学院, 江苏 常州 213164)

学科竞赛将课堂理论教学和实践教学紧密联系，是提升教学质量和培养高素质人才的有效途径[1]。为推动高等学校化工类专业“新工科”建设，加强大学生综合素质与能力培养，提升教育服务石油和化工行业发展的水平[2]，自2017年5月正式启动至今，已经成功举办四届全国大学生化工实验竞赛(以下简称“化工实验大赛”)，2021年9月第四届大赛主题为“启航-化工工程师”在南京工业大学举办。前三届大赛分别于2017年、2018年和2019年在天津大学、华东理工大学、大连理工大学举行，第五届全国大学生化工实验大赛总决赛将于2022年8月在四川大学举行。每届化工实验大赛对于化工专业类学生及指导教师都是一场广泛育人的高质量盛会。

1 化工实验大赛对化工创新性人才培养的推动作用

化工实验大赛通过试题和评分标准的创新，不仅能考查选手对基础知识的掌握情况，并且对选手的综合实验能力和科学素质提出了更高要求。

仿真部分包括两部分内容：(1)工程型实验仿真，工厂危险源识别、传质分离设备(吸收、解吸和精馏单元)。包含化工厂危险源识别环节，每个单元均包括：冷态开车、正常停车、事故处理及稳态生产等；(2)验证型实验仿真，化工原理实验室安全虚拟仿真、液液萃取、恒压过滤、流化床干燥。仿真模拟部分，选手要对整个操作步骤及流程非常熟悉，理解每一步的操作意义，一次操作失误可能造成事故发生，在操作过程中要认真观察温度、压力以及流量等参数，对于突发事故，不慌乱、及时调整、冷静处理、解决问题。

实验竞赛环节包括流体流动综合实验、传热综合实验、精馏实验和吸收实验等四个实验。选手随机抽取一个实验项目，虽然实验原理相同，但是每个学校的实验设备由不同厂家设计制造，难免会有差异。面对不同的实验设备，给定的竞赛题目或者实验前置条件时，要求选手灵活正确处理实验操作和实验数据的细节工作[3]。

以常州大学石油化工学院近四年的参赛学生为例，学院每年进行校内选拔赛，参赛人数超化工类专业人数八成。参照实验大赛比赛规则，每年选拔六名同学参加实验大赛，经过实验大赛锻炼后，大多数同学毕业后继续深造，在新的学校和工作单位也是佼佼者。

通过将理论教学、仿真模拟与实验操作相结合，既提升了学生综合运用化工原理专业知识的能力，又增强了学生的创新意识。在仿真模拟中加入实验室与工厂安全危险源识别操作，提高了学生的安全意识，实践能力和综合素质大大提高。

2 化工实验大赛对教学改革的推动作用

化工实验大赛由三部分组成，分别是化工原理理论、化工单元仿真操作分析与化工原理实验的操作及数据处理。化工实验大赛全面考察学生对理论内容的掌握情况、实验操作动手能力及仿真软件操作熟练程度。举办化工实验大赛对促进课堂改革、改进教学方法并完善实验教学内容有一定的推动作用。

2.1 结合生产实践 构建多维度实验教学体系

生产实习是化工类专业实践教学的重要环节，但是学生在进入化工企业时，面临“只能看，不能动”的困境，实习课时较短，导致实习效果不明显。以常州大学仿真实习课程为例，离心泵、精馏塔、换热器和间歇反应釜是学生的必修项目，对应化工原理课程中的“三传一反”，学生通过练习开车、停车、事故处理，采用仿真模拟与现场实训操作相结合的教学模式，构建多维度实验教学体系，从而提高学生的工程实践能力[4]。

2.2 更新教学内容 采用多元化课堂教学模式

化工实验大赛能够推动教学方法和教学手段的改进。近几年，国内很多高校都建立了虚拟仿真中心，如何将基础理论知识与仿真模拟相结合，共同促进教学质量的提升，值得教育工作者思考。以常州大学国家级化工虚拟仿真项目《甲醇的合成与精制仿真软件》为例，仿真软件中包括冷态开车、正常停车以及常见事故的处理。对于整个工艺流程，我们观察原料气体的流量、反应气的组成、温度及压力等参数，如果参数发生波动，我们要学会如何通过调节相关阀门来保证整个装置的连续性生产，同时保证产品的质量。通过这样的学习过程，更深刻理解化工原理中“三传一反”的本质，让学生初步掌握解决实际生产中出现的问题的能力。竞赛是团队协作模式，三位学生在仿真训练的过程中，可以对某个操作讨论学习，也可以针对某一操作车间各自分配不同工种，共同协作完成操作任务。不仅可使学生掌握化工生产中各单元的正常开停车操作、故障排除及突发事件的处理方法，还可以提高学生的参与度与积极性，为参加化工实验大赛做好准备。

此外，仿真软件与设备更新相比成本更低，相对简单，以此不断更新教学内容，激发学生的求知欲。将仿真模拟融入教学中将极大地丰富教学内容，以国家级虚拟仿真共享平台实验空间和常州大学自建的江苏省化学化工虚拟仿真共享平台为依托，共享教学资源，提高教学质量和学生学习的积极性，使教学达到满意的效果。

通过实验大赛的安全仿真、化工单元仿真及化工原理实验仿真三者结合的实训模式训练后，充分锻炼了学生的实践能力、解决问题能力及团队协作能力，提升了自信心、开阔了眼界、明显提高学生报名参加比赛的积极性。我校参赛学生在2018和2019年全国大学生化工实验大赛总决赛中分别取得了特等奖和一等奖的佳绩。

2.3 重视实验安全 促进实践平台建设

安全培训是化工实验大赛一个非常重要的环节，所有参赛的选手必须通过仿真软件的学习达到组委会的要求，才能进行后续的化工单元仿真以及实验操作。

化工实验大赛对实验设备有很高的要求，这就要求举办学校加强对化工原理实验室的建设和单元操作设备的更新，不断促进化工原理实验室的建设。参赛学校通过比赛，各个学校之间学习交流，有利于提高化工原理实验教学的整体水平，提高学生专业学习效果。

3 目前存在的问题及对应措施

迄今为止，我校已经参加过四届全国大学生化工实验大赛，作为一名参与竞赛指导的教师，在学生学习过程和教师教学方面发现主要存在如下五个问题。

(1) 学生理论知识理解不够深入，疲于应付学校的期末考试，不能真正将基础理论知识融会贯通。在竞赛中，一些最基本的理论知识会被忽略，导致比赛过程中被扣分。

(2) 化工原理实验和仿真操作均需团队合作。在竞赛和日常学习中，只有做到分工明确，职责清晰，利用集体的力量，问题才能迎刃而解。竞赛过程中，如果缺乏团队意识，那么极有可能对竞赛结果产生不利影响。

(3) 学生在实验操作过程中安全意识不强，做实验时部分同学不佩戴护目镜、手套等防护工具。

(4) 了解化工单元操作装置的内部构造有利于学生加深对理论知识的理解。在授课过程中，教师可以借助虚拟仿真技术，将知识形象化，动画化，丰富教学内容，激发学生学习兴趣[5]。

(5) 数据处理是化工原理实验的重要部分，竞赛过程中，实验数据多，计算量大，但是大部分学生对Excel、Origin等软件应用不熟练。教师应多引导学生使用相关软件处理数据和绘图，提高数据处理效率。

4 总结

通过化工实验大赛这个平台，将仿真模拟与课堂教学相结合，学生可以更系统地掌握化工理论知识，同时培养学生将化工理论和实际生产相结合的能力，将“新工科”更好地融入教学中，同时也能推动实验室建设，提升教师的教学能力，丰富教学内容和手段，提高教学效果和教学水平，为培养创新型高素质人才奠定基础，促进我国化学工程教育质量的提升[6]。