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首届全国大学生化工实验大赛总决赛的实践与思


为了推动化工类专业“新工科”的建设,提高化工类专业核心课程教学质量,提升教育服务石油和化工行业发展的能力,同时激发大学生的学习积极性,教育部高等学校化工类专业教学指导委员会、中国化工教育协会在2017年联合举办了首届全国大学生化工实验大赛,以期促进学生掌握系统的化工理论知识,强化学生的工程综合能力和社会责任意识。比赛分为初赛和决赛两个阶段。各校推选队伍参加分赛区的初赛,初赛由东北、华北、华东、西北、西南、中南六大赛区分别组织。在全国300余支参赛队伍中,分赛区初赛产生64支队伍参加全国总决赛,总决赛于2017年8月14—16日在天津大学北洋园校区隆重举行。
一、总决赛的组织和实施
(一)总决赛的组织
大赛组委会主要由教育部高等学校化工类专业教学指导委员会委员、中国化工教育协会领导、各分赛区承办单位代表和总决赛承办单位代表组成。组委会设立了专家组、裁判组、实验组和会务组。其中,专家组由高等学校化工类专业教学指导委员会直接聘任;裁判组由天津大学化工学院教师和博士生组成,他们在大赛前接受了强化培训;实验组和会务组由天津大学化工学院师生组成。
(二)总决赛的内容
本次实验大赛由化工原理理论考试、化工仿真实验和化工原理实验三部分组成。试题内容和评分标准的设计既重视对选手基础知识的考查,又重视对其综合实验能力和科学素质的考查。
1.化工原理理论部分
理论部分为笔试,由每个队员分别独立完成。考试内容包括流体流动、流体输送机械、传热及设备、传质过程基础、吸收、蒸馏、气液传质分离设备和干燥。化工原理理论成绩占总成绩的45%。
2.化工单元仿真操作部分
此赛项由“工程型化工单元仿真操作”和“验证型化工原理实验仿真操作”两部分组成。参赛队伍在赛前随机抽取一套仿真试题,由每个队员分别独立完成。化工单元仿真操作成绩占总成绩的15%。
3.化工原理实验部分
考试内容包括四个实验项目,分别为流体流动综合实验(包含单相流动阻力、离心泵性能、流量计校正)、传热综合实验、精馏实验、吸收实验。
每支参赛队伍赛前随机抽取一个实验项目,由所有队员通过配合完成实验操作和实验报告。化工原理实验成绩占总成绩的40%。
本次比赛不设个人奖,团队成绩由团队全部选手前两项个人成绩的平均值与第三项的团队成绩综合计算得出。
(三)总决赛的公正性
1.比赛开始前,组委会所有成员都要签署保密协议书,以保证对考试相关内容严格保密。
2.在总决赛使用的理论试题中,客观题部分是赛前从化工原理试题库中随机抽取生成的,生成过程中没有人工参与;主观题部分由专家组选派教师完成出题。出题过程中尽量减少参与人员的数量,这在很大程度上保证了试题的保密性和竞赛过程的公正性。
3.在比赛开始前,大赛组委会就以文件的形式向各参赛队伍公布了总决赛仿真实验内容范围,负责仿真实验比赛的两家公司还专门开通了比赛相关的练习网站及在线指导答疑服务,保证参赛选手在总决赛开始前对竞赛形式及内容足够熟悉。在仿真竞赛开始前10分钟,监考教师在两套试卷中随机抽取一套作为试题。仿真竞赛的阅卷评分完全采用计算机完成,全程没有人工参与。
4.大赛组委会在2017年5月通过文件公告的形式公布了总决赛的实验项目,以保证总决赛的透明性,同时保证每支参赛队伍都有时间准备,起到以赛促练、以练促学的作用。组委会还会征求各参赛队的意见,及时修正实验方案并提前公布了比赛方案的详细内容和评分框架。为了让各参赛选手提前了解实验设备等信息,承办单位天津大学将各实验相关装置设备的实物照片、实验装置流程、设备结构参数、实验注意事项、分析仪器使用方法等都提前上传到学校化工基础实验中心网站(http://ecbce.tju.edu.cn/)上。比赛前实验中心还集中向各参赛选手开放实验室,方便其实地熟悉实验装置流程、分析仪器使用方法等。
5.化工原理实验涉及四个单元操作实验,每个实验的各套装置流程、设备结构参数在设计上都是相同的。实验设备在比赛前经过了大量的实验操作运行,以确保没有故障。比赛中所用的化学药品、二氧化碳气体等为统一采购,所用的分析测试仪器均为同一厂家的同一型号产品,以确保各参赛选手的仪器处于同样的水平状态。在比赛前,相关工作人员对实验设备都进行了编号,选手通过抽签确定实验项目和实验设备。
6.实验执裁方面采取了如下措施保证大赛的公平公正性:(1)裁判是天津大学化工学院的博士研究生,在赛前接受了实验培训,对所执裁实验的基础理论、操作过程都非常熟悉。每个实验的主裁判在比赛当天向裁判公布执裁标准和评分细则,保证了竞赛内容的保密性。在执裁过程中,位裁判在上午、下午的比赛中执裁同一实验,并且只负责一套实验设备,以使执裁评分标准保持一致。(2)选手的实验竞赛项目是在实验比赛开始前半小时由参赛选手抽签决定的。上午、下午进行实验比赛的选手通过合理规划赛程和行动路线避免了同其他选手之间的交流。在比赛过程中,选手不允许与赛场外人员发生接触,这就从规程上避免了试题及实验内容的泄露。(3)每个实验的设备调试、裁判管理和实验报告批改工作由一位主裁判负责,这就使得每个实验报告的评分标准处于同一基准。
7.为了消除因四个实验项目难度不同而导致的成绩差异,我们采用统计学方法处理学生的实验成绩,根据所有参赛队伍的实验成绩确定每个实验的权重,通过调节权重使各实验的分数水平在同一基准上,从而保证了公平性。
8.实验报告批改和记分工作是在封闭的环境中进行的。在整个比赛过程中,选手及队伍所在学校的信息以编号形式体现。选手信息在试卷和报告批改过程中是被装订密封的,在试卷批改完成后解封。我们按照选手编号进行成绩统计,最后组委会专家将编号与学校信息进行合并。
9.比赛的全过程都有专家组成员的监督指导,各位专家分布在各个赛场,现场指导和解决大赛中出现的问题,保证了大赛圆满完成。
二、化工实验大赛总决赛成绩统计及反映出的问题
参赛选手在竞赛中表现出了较好的知识水平和实践能力,较好地展现了我国化工高等教育的发展状况和教学水平,但其竞赛表现也反映出一些问题。
(一)总决赛成绩
经过两天紧张的比赛,组委会根据每组选手的化工原理理论成绩、化工单元仿真操作成绩和化工原理实验成绩计算得到总成绩,并评出特等奖6组、一等奖20组、二等奖38组。
(二)化工原理笔试成绩分布及反映出的问题
64组参赛学生的化工原理笔试成绩统计见表1。

表1 参赛选手笔试成绩统计(64组)
本次总决赛中化工原理理论考试分为客观题和主观题。客观题为单项选择题,占总成绩的60%;主观题为计算分析题,占总成绩的40%。
本次参赛的64组选手中,个人最高成绩为76分;按参赛队(平均分)计算的最高分为70.7分,最低分为32.7分,平均分接近50分,分数基本上符合正态分布。总体来说,客观题得分情况好于主观题。本次理论考试反映出来的问题主要有以下几个方面。
1.主观题中计算分析题的完成效果较差,说明学生运用化工原理基础知识分析和解决问题的能力有所欠缺。在面对具体的工程问题时,学生不能很好地将学过的零散知识点有机组织起来,说明其知识掌握得不够扎实,或者在将知识点用于实际工程方面缺乏锻炼。因此,我们建议高校加强工程实践案例方面的教学,或者授课时进一步强调理论联系实际。
2.根据主观题的完成情况统计,按照单元操作进行分析,“蒸馏”得分情况最好,“传热”居中,“干燥”最差。干燥方面的题目为湿空气的增湿、减湿相关内容。这部分内容在授课中涉及较少,学生相对感到陌生,但若能仔细分析题目内容,完全可以从干燥章节中已讲过的湿空气的性质入手加以解决。这在一定程度上反映出学生平时将更多的精力用于对所学知识的简单记忆,未能进行深入的思考,导致自身分析问题、解决问题的能力不足。
3.客观题中单项选择题方面主要存在以下几个问题:从“吸收”等题目的完成情况可以看出,学生对单元设备的操作型计算和分析能力尚需进一步加强;从设备相关题目的完成情况来看,学生对各单元操作典型设备的了解不够充分,这是教学中的薄弱环节;从一些教学非重点环节(如非牛顿型流体)相关题目的得分来看,学生平时侧重于测试,还应进一步提高知识的广度,构建合理、全面的知识结构。
(三)化工原理实验成绩分布及反映出的问题
表2是64组参赛学生的化工原理实验成绩统计。从中可以看出,实验操作成绩在36分以上的比较多,实验报告在24分以上的比较多,两者比例基本相同。实验做得好的同学,其实验报告得分也比较高。从成绩分布可以看出,总分在80分以上的有11组,占17%;总分在60~79分的有36组,占56%;总分在60分以下的有17组,占26%。实验平均分为67.3分,成绩分布接近正态分布,说明本次实验试题难度较高,但区分度比较明显。

表2 参赛选手实验成绩统计(64组)
学生在实验操作过程和实验报告中反映出如下问题。
1.理论联系实际的能力不足。离心泵实验题目要求从节能的角度出发,确定离心泵输送某一固定流量的条件。许多选手不知道要将泵出口阀门开到最大,然后寻找适宜的电机频率(通过电机频率改变泵的转速)来满足任务要求,可见其没有很好地理解阀门调节流量和变频(改变泵的转速)调节流量的区别。吸收实验题目给出了气体入塔条件,让选手确定达到某一范围吸收率所需的适宜吸收剂流量。许多选手看到题目后不进行最小吸收剂用量和最小喷淋密度的计算,就盲目地选取几个吸收剂流量直接实验。这部分内容在化工原理理论教学和实验中都讲授过,但学生遇到具体问题时仍不会应用,说明其对实验原理的理解和思考还有欠缺,不能将理论课上所学知识和实验内容联系起来。这也是今后实验教学应该改进的地方。
2.缺乏工程知识,实际动手能力较弱。许多选手在实验开始前不检查设备的初始状态(如流体阻力和离心泵实验中不检查管路流程、导向阀的开关状态和变频器的当前值,传热实验中不检查蒸汽发生器的水位),不会使用常用仪表、设备及工具(如吸收解吸实验中不会使用旁路调节阀调节旋涡气泵的流量、不会使用钢瓶减压阀,传热实验中不会使用活动扳手、不会安装堵头和螺母等),对传热和传质过程中的稳定和过渡时间没有概念(如传热实验中调节流量后马上就去读取空气进出换热器的温度和管壁温度,而不是等到温度稳定后读数;吸收实验测定传质系数时在调节操作条件后,不去判断传质是否达到稳定就马上去测相关数据),对实验过程中发生的异常现象不会处理(如不知如何处理精馏塔液泛等),不能冷静地分析实验过程,找到问题所在并及时调整。这些现象说明学生的工程知识仍有所欠缺,其动手能力、分析和解决问题的能力、临场应变能力及心理素质仍需提高。
3.实验设计能力较弱,许多选手没有看懂或读懂实验装置流程。如流动阻力(光滑管、粗糙管、局部阻力)实验、离心泵性能(特性曲线、管路曲线)测定实验、流量计校正实验同在一个装置上,管路比较复杂,会用到多种流量计(转子流量计、涡轮流量计、节流式流量计)和多种压差测量仪表(倒置U形管、压差传感器、弹性式压力表),学生需要通过导向阀选择不同的管路、流量计及压差测量点来进行不同内容的测量,但其未进行合理的选择。许多选手在实验过程中没有考虑数据点的范围和合理分布。如流动阻力实验要求测定流体在光滑直管中不同流动状态下的阻力摩擦系数λ和Re,许多同学没有测取最大流量时的压差;传热实验中套管换热器对流传热系数的测定要求测取4个数据点,许多学生将4个数据点集中在一个很小的区域范围内测量,没有测量空气流量最大、最小时的数据。
4.安全知识缺乏,安全意识薄弱。在实验中,个别参赛选手出现了不遵守安全操作规程的现象。如有人在拆装设备时不戴防护手套,不戴护目镜;在传热实验中不停风机、加热器就开始拆装设备;直接用手触摸已加热的精馏塔塔体来试探温度。个别选手穿着短裤、短裙、露脚趾的鞋来做实验,着装不符合实验安全规范。由此看出,学生的安全知识、安全意识仍需加强。
5.实验报告书写不规范。实验报告中存在的主要问题是原始数据记录不全,对基本公式不熟悉,报告中不写实验结果与分析讨论,不会使用对数坐标系,有效数字位数不考虑,不写表名和表序号、图名和图序号等。在以后的实验教学中,教师要重视并加强培养学生合理、规范撰写实验报告的能力。
三、化工实验大赛对实验教学的推动作用
(一)显现了教学中的薄弱环节,促进理论和实验教学改革
选手在比赛过程中的表现显示其对基本理论掌握得比较好,但利用化工原理基本理论解决实际问题的能力和动手能力有所欠缺。参赛学生是经过学校筛选、分赛区比赛选拔出来的,他们在化工原理理论和实验方面表现比较优秀,但即便如此,在总决赛中也出现了这些问题。这说明各高校化工原理理论和实验教学存在着不足。据了解,许多学校的实验教学往往是老师准备好实验设备,给学生演示实验过程,或者以验证理论课的相关内容为主,学生只要按照指导书上详尽的实验步骤、操作方法做实验就行了。这种传统的教学方法无疑不利于学生全面素质的培养。所以,今后的化工原理理论和实验教学应以学生为中心,对课程体系、实验教学内容及实验教学方法、教育理念进行持续改进,以培养学生理论联系实际的能力、独立思考能力和动手能力,提高教学质量。
(二)调动了学生学习的兴趣及实验的主动性和积极性
全国大学生化工实验大赛包含化工原理理论、化工单元仿真操作、化工原理实验三部分,考试内容既丰富又贴近工程实际,是培养学生实践能力、创新精神和个性发展的有效途径,也是对大学生综合素质的一次全面检验。它不仅仅为学生提供了展现能力的舞台和一次理论知识及实践能力的比拼,更重要的是激起了学生对实验的兴趣,加深了学生对理论和实验的认识和理解,提高了学生实验的主动性和动手能力,提升了学生的综合素质。
(三)增强了校际交流,促进实验室建设水平的提升
为了办好这次总决赛,我校教师积极走访了一些举办过省级实验大赛的高校及举办分赛区实验大赛的高校,将各高校的办赛经验进行了总结,提高了实验大赛的组织水平。在比赛过程中,各参赛队伍的指导教师也进行了充分的交流和研讨。高校之间加强了联系与交流,促进了化工实验教学的改革。
为配合实验大赛,我校对实验装置进行了全面改造,如精馏实验装置增加了PLC控制,可以进行全回流、部分回流全塔效率的测定,也可以利用PLC自动记录某操作条件下的稳定时间,看出每块塔板温度、塔釜液位、塔釜压力随时间变化的趋势。实验设备的水平提高了,实验内容扩展了。如吸收实验将过去人工滴定法测定水相中CO2的含量改成了用自动滴定仪来完成,消除了不同人测定时因终点判断差异而导致的误差,也缩短了分析滴定用的时间。
以化工实验大赛的举办为契机,各承办高校的实验条件均有所提升,相关教师和实验技术人员通过备赛和充分交流也有很大收获。这次大赛既促进了实验设备功能的扩展和硬件水平的提高,又提升了教师和实验技术人员的业务水平。
四、结语
全国大学生化工实验大赛作为新工科建设的重要举措,旨在落实《中国制造2025》国家战略,为新时期的中国石油和化学工业提供智力支持和人才支持。在化工实验大赛的组委会、各分赛区、各参赛队伍及承办单位等多方的共同努力下,首届全国大学生化工实验大赛总决赛取得了圆满成功。大赛激发了学生的学习热情,培养了学生的实践能力和创新能力,提高了学生的综合素质;也检验了各高校化工理论与实验教学水平,发现了教学环节中需要重视的问题,为教学工作改进指明了方向。相信随着首届大赛的成功举办,我国化工高等教育工作及人才培养工作的改革将继续深入,教学质量将得到提高,教育服务石油和化工行业发展的能力也将继续提升。

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