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首屆全國大學生化工實驗大賽總決賽的實踐與思


為了推動化工類專業“新工科”的建設,提高化工類專業核心課程教學質量,提升教育服務石油和化工行業發展的能力,同時激發大學生的學習積極性,教育部高等學校化工類專業教學指導委員會、中國化工教育協會在2017年聯合舉辦了首屆全國大學生化工實驗大賽,以期促進學生掌握系統的化工理論知識,強化學生的工程綜合能力和社會責任意識。比賽分為初賽和決賽兩個階段。各校推選隊伍參加分賽區的初賽,初賽由東北、華北、華東、西北、西南、中南六大賽區分別組織。在全國300余支參賽隊伍中,分賽區初賽產生64支隊伍參加全國總決賽,總決賽于2017年8月14—16日在天津大學北洋園校區隆重舉行。
一、總決賽的組織和實施
(一)總決賽的組織
大賽組委會主要由教育部高等學校化工類專業教學指導委員會委員、中國化工教育協會領導、各分賽區承辦單位代表和總決賽承辦單位代表組成。組委會設立了專家組、裁判組、實驗組和會務組。其中,專家組由高等學校化工類專業教學指導委員會直接聘任;裁判組由天津大學化工學院教師和博士生組成,他們在大賽前接受了強化培訓;實驗組和會務組由天津大學化工學院師生組成。
(二)總決賽的內容
本次實驗大賽由化工原理理論考試、化工仿真實驗和化工原理實驗三部分組成。試題內容和評分標準的設計既重視對選手基礎知識的考查,又重視對其綜合實驗能力和科學素質的考查。
1.化工原理理論部分
理論部分為筆試,由每個隊員分別獨立完成。考試內容包括流體流動、流體輸送機械、傳熱及設備、傳質過程基礎、吸收、蒸餾、氣液傳質分離設備和干燥。化工原理理論成績占總成績的45%。
2.化工單元仿真操作部分
此賽項由“工程型化工單元仿真操作”和“驗證型化工原理實驗仿真操作”兩部分組成。參賽隊伍在賽前隨機抽取一套仿真試題,由每個隊員分別獨立完成。化工單元仿真操作成績占總成績的15%。
3.化工原理實驗部分
考試內容包括四個實驗項目,分別為流體流動綜合實驗(包含單相流動阻力、離心泵性能、流量計校正)、傳熱綜合實驗、精餾實驗、吸收實驗。
每支參賽隊伍賽前隨機抽取一個實驗項目,由所有隊員通過配合完成實驗操作和實驗報告。化工原理實驗成績占總成績的40%。
本次比賽不設個人獎,團隊成績由團隊全部選手前兩項個人成績的平均值與第三項的團隊成績綜合計算得出。
(三)總決賽的公正性
1.比賽開始前,組委會所有成員都要簽署保密協議書,以保證對考試相關內容嚴格保密。
2.在總決賽使用的理論試題中,客觀題部分是賽前從化工原理試題庫中隨機抽取生成的,生成過程中沒有人工參與;主觀題部分由專家組選派教師完成出題。出題過程中盡量減少參與人員的數量,這在很大程度上保證了試題的保密性和競賽過程的公正性。
3.在比賽開始前,大賽組委會就以文件的形式向各參賽隊伍公布了總決賽仿真實驗內容范圍,負責仿真實驗比賽的兩家公司還專門開通了比賽相關的練習網站及在線指導答疑服務,保證參賽選手在總決賽開始前對競賽形式及內容足夠熟悉。在仿真競賽開始前10分鐘,監考教師在兩套試卷中隨機抽取一套作為試題。仿真競賽的閱卷評分完全采用計算機完成,全程沒有人工參與。
4.大賽組委會在2017年5月通過文件公告的形式公布了總決賽的實驗項目,以保證總決賽的透明性,同時保證每支參賽隊伍都有時間準備,起到以賽促練、以練促學的作用。組委會還會征求各參賽隊的意見,及時修正實驗方案并提前公布了比賽方案的詳細內容和評分框架。為了讓各參賽選手提前了解實驗設備等信息,承辦單位天津大學將各實驗相關裝置設備的實物照片、實驗裝置流程、設備結構參數、實驗注意事項、分析儀器使用方法等都提前上傳到學校化工基礎實驗中心網站(http://ecbce.tju.edu.cn/)上。比賽前實驗中心還集中向各參賽選手開放實驗室,方便其實地熟悉實驗裝置流程、分析儀器使用方法等。
5.化工原理實驗涉及四個單元操作實驗,每個實驗的各套裝置流程、設備結構參數在設計上都是相同的。實驗設備在比賽前經過了大量的實驗操作運行,以確保沒有故障。比賽中所用的化學藥品、二氧化碳氣體等為統一采購,所用的分析測試儀器均為同一廠家的同一型號產品,以確保各參賽選手的儀器處于同樣的水平狀態。在比賽前,相關工作人員對實驗設備都進行了編號,選手通過抽簽確定實驗項目和實驗設備。
6.實驗執裁方面采取了如下措施保證大賽的公平公正性:(1)裁判是天津大學化工學院的博士研究生,在賽前接受了實驗培訓,對所執裁實驗的基礎理論、操作過程都非常熟悉。每個實驗的主裁判在比賽當天向裁判公布執裁標準和評分細則,保證了競賽內容的保密性。在執裁過程中,位裁判在上午、下午的比賽中執裁同一實驗,并且只負責一套實驗設備,以使執裁評分標準保持一致。(2)選手的實驗競賽項目是在實驗比賽開始前半小時由參賽選手抽簽決定的。上午、下午進行實驗比賽的選手通過合理規劃賽程和行動路線避免了同其他選手之間的交流。在比賽過程中,選手不允許與賽場外人員發生接觸,這就從規程上避免了試題及實驗內容的泄露。(3)每個實驗的設備調試、裁判管理和實驗報告批改工作由一位主裁判負責,這就使得每個實驗報告的評分標準處于同一基準。
7.為了消除因四個實驗項目難度不同而導致的成績差異,我們采用統計學方法處理學生的實驗成績,根據所有參賽隊伍的實驗成績確定每個實驗的權重,通過調節權重使各實驗的分數水平在同一基準上,從而保證了公平性。
8.實驗報告批改和記分工作是在封閉的環境中進行的。在整個比賽過程中,選手及隊伍所在學校的信息以編號形式體現。選手信息在試卷和報告批改過程中是被裝訂密封的,在試卷批改完成后解封。我們按照選手編號進行成績統計,最后組委會專家將編號與學校信息進行合并。
9.比賽的全過程都有專家組成員的監督指導,各位專家分布在各個賽場,現場指導和解決大賽中出現的問題,保證了大賽圓滿完成。
二、化工實驗大賽總決賽成績統計及反映出的問題
參賽選手在競賽中表現出了較好的知識水平和實踐能力,較好地展現了我國化工高等教育的發展狀況和教學水平,但其競賽表現也反映出一些問題。
(一)總決賽成績
經過兩天緊張的比賽,組委會根據每組選手的化工原理理論成績、化工單元仿真操作成績和化工原理實驗成績計算得到總成績,并評出特等獎6組、一等獎20組、二等獎38組。
(二)化工原理筆試成績分布及反映出的問題
64組參賽學生的化工原理筆試成績統計見表1。

表1 參賽選手筆試成績統計(64組)
本次總決賽中化工原理理論考試分為客觀題和主觀題。客觀題為單項選擇題,占總成績的60%;主觀題為計算分析題,占總成績的40%。
本次參賽的64組選手中,個人最高成績為76分;按參賽隊(平均分)計算的最高分為70.7分,最低分為32.7分,平均分接近50分,分數基本上符合正態分布。總體來說,客觀題得分情況好于主觀題。本次理論考試反映出來的問題主要有以下幾個方面。
1.主觀題中計算分析題的完成效果較差,說明學生運用化工原理基礎知識分析和解決問題的能力有所欠缺。在面對具體的工程問題時,學生不能很好地將學過的零散知識點有機組織起來,說明其知識掌握得不夠扎實,或者在將知識點用于實際工程方面缺乏鍛煉。因此,我們建議高校加強工程實踐案例方面的教學,或者授課時進一步強調理論聯系實際。
2.根據主觀題的完成情況統計,按照單元操作進行分析,“蒸餾”得分情況最好,“傳熱”居中,“干燥”最差。干燥方面的題目為濕空氣的增濕、減濕相關內容。這部分內容在授課中涉及較少,學生相對感到陌生,但若能仔細分析題目內容,完全可以從干燥章節中已講過的濕空氣的性質入手加以解決。這在一定程度上反映出學生平時將更多的精力用于對所學知識的簡單記憶,未能進行深入的思考,導致自身分析問題、解決問題的能力不足。
3.客觀題中單項選擇題方面主要存在以下幾個問題:從“吸收”等題目的完成情況可以看出,學生對單元設備的操作型計算和分析能力尚需進一步加強;從設備相關題目的完成情況來看,學生對各單元操作典型設備的了解不夠充分,這是教學中的薄弱環節;從一些教學非重點環節(如非牛頓型流體)相關題目的得分來看,學生平時側重于測試,還應進一步提高知識的廣度,構建合理、全面的知識結構。
(三)化工原理實驗成績分布及反映出的問題
表2是64組參賽學生的化工原理實驗成績統計。從中可以看出,實驗操作成績在36分以上的比較多,實驗報告在24分以上的比較多,兩者比例基本相同。實驗做得好的同學,其實驗報告得分也比較高。從成績分布可以看出,總分在80分以上的有11組,占17%;總分在60~79分的有36組,占56%;總分在60分以下的有17組,占26%。實驗平均分為67.3分,成績分布接近正態分布,說明本次實驗試題難度較高,但區分度比較明顯。

表2 參賽選手實驗成績統計(64組)
學生在實驗操作過程和實驗報告中反映出如下問題。
1.理論聯系實際的能力不足。離心泵實驗題目要求從節能的角度出發,確定離心泵輸送某一固定流量的條件。許多選手不知道要將泵出口閥門開到最大,然后尋找適宜的電機頻率(通過電機頻率改變泵的轉速)來滿足任務要求,可見其沒有很好地理解閥門調節流量和變頻(改變泵的轉速)調節流量的區別。吸收實驗題目給出了氣體入塔條件,讓選手確定達到某一范圍吸收率所需的適宜吸收劑流量。許多選手看到題目后不進行最小吸收劑用量和最小噴淋密度的計算,就盲目地選取幾個吸收劑流量直接實驗。這部分內容在化工原理理論教學和實驗中都講授過,但學生遇到具體問題時仍不會應用,說明其對實驗原理的理解和思考還有欠缺,不能將理論課上所學知識和實驗內容聯系起來。這也是今后實驗教學應該改進的地方。
2.缺乏工程知識,實際動手能力較弱。許多選手在實驗開始前不檢查設備的初始狀態(如流體阻力和離心泵實驗中不檢查管路流程、導向閥的開關狀態和變頻器的當前值,傳熱實驗中不檢查蒸汽發生器的水位),不會使用常用儀表、設備及工具(如吸收解吸實驗中不會使用旁路調節閥調節旋渦氣泵的流量、不會使用鋼瓶減壓閥,傳熱實驗中不會使用活動扳手、不會安裝堵頭和螺母等),對傳熱和傳質過程中的穩定和過渡時間沒有概念(如傳熱實驗中調節流量后馬上就去讀取空氣進出換熱器的溫度和管壁溫度,而不是等到溫度穩定后讀數;吸收實驗測定傳質系數時在調節操作條件后,不去判斷傳質是否達到穩定就馬上去測相關數據),對實驗過程中發生的異常現象不會處理(如不知如何處理精餾塔液泛等),不能冷靜地分析實驗過程,找到問題所在并及時調整。這些現象說明學生的工程知識仍有所欠缺,其動手能力、分析和解決問題的能力、臨場應變能力及心理素質仍需提高。
3.實驗設計能力較弱,許多選手沒有看懂或讀懂實驗裝置流程。如流動阻力(光滑管、粗糙管、局部阻力)實驗、離心泵性能(特性曲線、管路曲線)測定實驗、流量計校正實驗同在一個裝置上,管路比較復雜,會用到多種流量計(轉子流量計、渦輪流量計、節流式流量計)和多種壓差測量儀表(倒置U形管、壓差傳感器、彈性式壓力表),學生需要通過導向閥選擇不同的管路、流量計及壓差測量點來進行不同內容的測量,但其未進行合理的選擇。許多選手在實驗過程中沒有考慮數據點的范圍和合理分布。如流動阻力實驗要求測定流體在光滑直管中不同流動狀態下的阻力摩擦系數λ和Re,許多同學沒有測取最大流量時的壓差;傳熱實驗中套管換熱器對流傳熱系數的測定要求測取4個數據點,許多學生將4個數據點集中在一個很小的區域范圍內測量,沒有測量空氣流量最大、最小時的數據。
4.安全知識缺乏,安全意識薄弱。在實驗中,個別參賽選手出現了不遵守安全操作規程的現象。如有人在拆裝設備時不戴防護手套,不戴護目鏡;在傳熱實驗中不停風機、加熱器就開始拆裝設備;直接用手觸摸已加熱的精餾塔塔體來試探溫度。個別選手穿著短褲、短裙、露腳趾的鞋來做實驗,著裝不符合實驗安全規范。由此看出,學生的安全知識、安全意識仍需加強。
5.實驗報告書寫不規范。實驗報告中存在的主要問題是原始數據記錄不全,對基本公式不熟悉,報告中不寫實驗結果與分析討論,不會使用對數坐標系,有效數字位數不考慮,不寫表名和表序號、圖名和圖序號等。在以后的實驗教學中,教師要重視并加強培養學生合理、規范撰寫實驗報告的能力。
三、化工實驗大賽對實驗教學的推動作用
(一)顯現了教學中的薄弱環節,促進理論和實驗教學改革
選手在比賽過程中的表現顯示其對基本理論掌握得比較好,但利用化工原理基本理論解決實際問題的能力和動手能力有所欠缺。參賽學生是經過學校篩選、分賽區比賽選拔出來的,他們在化工原理理論和實驗方面表現比較優秀,但即便如此,在總決賽中也出現了這些問題。這說明各高校化工原理理論和實驗教學存在著不足。據了解,許多學校的實驗教學往往是老師準備好實驗設備,給學生演示實驗過程,或者以驗證理論課的相關內容為主,學生只要按照指導書上詳盡的實驗步驟、操作方法做實驗就行了。這種傳統的教學方法無疑不利于學生全面素質的培養。所以,今后的化工原理理論和實驗教學應以學生為中心,對課程體系、實驗教學內容及實驗教學方法、教育理念進行持續改進,以培養學生理論聯系實際的能力、獨立思考能力和動手能力,提高教學質量。
(二)調動了學生學習的興趣及實驗的主動性和積極性
全國大學生化工實驗大賽包含化工原理理論、化工單元仿真操作、化工原理實驗三部分,考試內容既豐富又貼近工程實際,是培養學生實踐能力、創新精神和個性發展的有效途徑,也是對大學生綜合素質的一次全面檢驗。它不僅僅為學生提供了展現能力的舞臺和一次理論知識及實踐能力的比拼,更重要的是激起了學生對實驗的興趣,加深了學生對理論和實驗的認識和理解,提高了學生實驗的主動性和動手能力,提升了學生的綜合素質。
(三)增強了校際交流,促進實驗室建設水平的提升
為了辦好這次總決賽,我校教師積極走訪了一些舉辦過省級實驗大賽的高校及舉辦分賽區實驗大賽的高校,將各高校的辦賽經驗進行了總結,提高了實驗大賽的組織水平。在比賽過程中,各參賽隊伍的指導教師也進行了充分的交流和研討。高校之間加強了聯系與交流,促進了化工實驗教學的改革。
為配合實驗大賽,我校對實驗裝置進行了全面改造,如精餾實驗裝置增加了PLC控制,可以進行全回流、部分回流全塔效率的測定,也可以利用PLC自動記錄某操作條件下的穩定時間,看出每塊塔板溫度、塔釜液位、塔釜壓力隨時間變化的趨勢。實驗設備的水平提高了,實驗內容擴展了。如吸收實驗將過去人工滴定法測定水相中CO2的含量改成了用自動滴定儀來完成,消除了不同人測定時因終點判斷差異而導致的誤差,也縮短了分析滴定用的時間。
以化工實驗大賽的舉辦為契機,各承辦高校的實驗條件均有所提升,相關教師和實驗技術人員通過備賽和充分交流也有很大收獲。這次大賽既促進了實驗設備功能的擴展和硬件水平的提高,又提升了教師和實驗技術人員的業務水平。
四、結語
全國大學生化工實驗大賽作為新工科建設的重要舉措,旨在落實《中國制造2025》國家戰略,為新時期的中國石油和化學工業提供智力支持和人才支持。在化工實驗大賽的組委會、各分賽區、各參賽隊伍及承辦單位等多方的共同努力下,首屆全國大學生化工實驗大賽總決賽取得了圓滿成功。大賽激發了學生的學習熱情,培養了學生的實踐能力和創新能力,提高了學生的綜合素質;也檢驗了各高校化工理論與實驗教學水平,發現了教學環節中需要重視的問題,為教學工作改進指明了方向。相信隨著首屆大賽的成功舉辦,我國化工高等教育工作及人才培養工作的改革將繼續深入,教學質量將得到提高,教育服務石油和化工行業發展的能力也將繼續提升。

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