以竞赛为抓手培养大学生工程创新能力和综合素质的探索——以全国大学生化工设计竞赛为例

张香兰

为适应新一轮的科技革命和产业变革的新趋势，探索形成中国特色、世界水平的工程教育体系，各高等院校都积极响应国家高等工程教育的“卓越工程师教育计划”和“新工科计划”[1-2]。中国矿业大学(北京)作为具有鲜明煤炭特色的高等院校，为我国煤炭行业培养、输送适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才有着不可推卸的历史责任。为此，学校从2010年开始探索以学科竞赛为抓手来促进教育质量的改善，促进学生“练中学，学中练”[3]，探索我国工程教育中存在的“工程核心能力培养比较薄弱”问题的解决方法[4]。在教务处和化学与环境工程学院的支持下，笔者和化工系教师以全国大学生化工设计竞赛(以下简称化工设计竞赛)为抓手，探索以学生为主体和项目为导向的工程教育改革。从2011年至今，连续8年晋级全国总竞赛，并连续7年荣获全国总决赛“一等奖”，是北京地区高校，也是煤炭高校中唯一的一所高校。针对多年的实践，我们在竞赛组织方式、反映工程创新能力的学生作品质量、毕业生素质提高等方面进行了总结，发现通过竞赛的训练，不仅有力地促进了学生工程设计创新能力的提高，而且培养了学生的责任心、自学能力、团队协作与沟通能力、表达能力等综合素质。

学生在大学四年学习过程中有很多的学科竞赛可以参加，如在大学一、二年级有全国数学、物理和英语竞赛，化学化工学生还有北京市大学生化学实验竞赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛；进入专业课程学习，有北京市大学生化工原理竞赛、全国大学生化工设计竞赛、全国大学生化工实验大赛等，这些大赛都具有很强的影响力。不同层次、不同角度的竞赛给学生提供了很多锻炼的机会。我们选择全国大学生的化工设计竞赛有两方面考虑：一方面，考虑到工程设计是工程师工程实践中最富创造性的内容，体现了多门学科和技术的综合。如对于化工学生，涉及到的专业核心课程就有“化工原理”“化工热力学”“化学反应工程”“化工分离工程”“化工工艺学”“化工安全与环保”“仪器仪表与控制”“化工设计基础”等，对学生知识综合运用能力的培养会有比较好效果。另一方面，希望通过竞赛在“练中学”提高学生认识实习、生产实习以及毕业实习的积极性，解决设计题目、设计内容及结果与实际有较大偏离的问题[5]38，[6]。

一、组织学生参加化工设计竞赛的工程教育理念

全国大学生化工设计竞赛是中国化工学会、中国化工教育协会、教育部高等学校化工类专业教学指导委员会主办的，我国化工领域级别最高的学科竞赛。这一竞赛以学生为主体并以项目为导向，以培养学生的工程创新能力为目标，切合工程教育的新理念。

1. 实战性和挑战性可激发学生的学习兴趣

化学工程与工艺专业大学生工程设计能力的培养，主要通过“化工原理课程设计”“专业综合设计”“毕业设计”等实践教学环节的训练。实践教学环节的主体是学生，以学生主动实践为主、学生有兴趣、认真对待，实践效果就好，学生实践能力提高越明显。但由于上述三个设计环节的题目都是模拟题目，学生设计结果得不到检验，学生也不对设计结果的可行性承担后果，导致这些实践环节的效果往往不令人满意。

化工设计竞赛以社会经济发展中存在的热点问题为背景，提炼出设计题目。如2013年全国大学生化工设计竞赛是“鉴于石油、天然气、煤等的化石类自然资源的有限性日渐突出，对以上述资源为原料的初加工烃产物进行深度利用，已成为烃化工行业提高资源利用率和综合经济效益，实现可持续发展所面临的一项重要任务。其中混合C4烃类的综合利用技术则是我国烃化工科技界的一个研发热点”。因此，确定设计题目“某一烃化工综合企业设计一座混合C4综合加工子系统”。这种基于社会经济发展过程中存在的真实问题为导向的设计题目，具有很强的实战性和挑战性，大大激发了学生的兴趣[5]38。设计结果有详细的评分细则，由各大院校有工程经验的教师和设计院专家进行把关，学生在这一过程中的锻炼提高是不言而喻的，很多学校学生主动要求参加这一赛事。

2. 前瞻性和先进性可提高学生的设计水平

化工设计竞赛要求学生对工艺流程进行计算机仿真设计，并对过程进行能量分析，选择合理的节能方法和措施，同时进行安全性分析，也要对工厂车间有3D演示等，这些要求促使了学生对软件工具的学习和使用。现阶段，根据竞赛要求学生应学会使用Aspen软件对流程进行模拟，并采用Aspen能量分析模块进行节能优化，采用工程制图CAD软件进行厂区和车间布置，利用危险与可操作性分析软件进行危险性分析(HAZOP分析)，采用SP3D或Smart3D进行三维设计等。化工软件的使用提高了设计的水平和效率，能采用设计软件进行化工流程模拟和设计是新时代对化工专业本科教育的要求，是我校提高化工实践教学环节的教学质量的重点之一。

二、保证学生化工设计竞赛作品质量的方法

选择化工设计竞赛作为提高学生工程创新能力的抓手只是第一步。竞赛要求学生组队参加，每队5人，每年的3月份开始下达任务书，到7月20日提交作品，8月初举行区赛，下旬举行全国总决赛，整个赛事持续时间长，为培养大学生的团队合作精神，规定参赛队伍人数低于3人就自动退赛。因此，如何保证学生能坚持下来，并按要求完成作品是达到我们预期目标的关键。

1. 责任教育是保证学生完成竞赛作品的根本

2010年笔者组织学生参赛，但没有一队能坚持到提交作品，暴露了报名参赛容易，坚持完成作品难的问题。指导教师仔细分析了学生要能顺利提交作品，必须要面对的问题：(1) 不能耽误本学期课程的学习，学科成绩与保研密切相关。(2) 要将已经学过的专业基础知识灵活应用到设计中，忘记知识要重新学习。(3) 要自学竞赛中需要的新软件以及自动控制、环境、经济评价等新知识。(4) 竞赛本身有一定难度，如Aspen模拟全流程需要很多技巧和方法，学生如果长时间找不到解决办法也容易失去动力和信心。(5) 要协调团队成员的保研夏令营、考研准备、暑假其他安排等，团队成员需要互相理解、紧密合作等。这些问题解决不好，学生很容易因困难而放弃，但克服困难的过程本身就是学生提高能力的过程。通过对竞赛过程分析以及对学生特点分析，从2011年开始，组织学生参赛的指导教师要求学生自愿参加、自愿组队，团队成员协商好与指导教师组签保证书，最少保证两点：(1) 自愿参加比赛，要对团队及团队成员负责；(2) 对教师、对学校负责，努力完成作品。这种将主动权交给学生、将责任也交给学生的方式，激发了学生潜在的责任心，在后续多年的参赛过程中一直是非常有效的管理办法[5]39。

2010—2017年的实践显示，学校报名参赛人数呈逐年增加趋势，成功提交作品的比例远高于全国成功提交作品的比例(见表1)。这充分说明尊重学生意愿，将选择权和责任还给学生的教育方法，激发了学生的责任心和主动性，有助于培养学生团结协作的精神和克服困难的勇气，避免半途而废，提高参赛作品的完成率。不仅达到了提高学生工程实践能力的初衷，而且培养了学生勇于担当的责任意识。

表1 中国矿业大学(北京)参加全国大学生

注：“-”指没有收集到的组办方提供的数据。

2. 竞赛和实践教学环节相融合

从全国大学生化工设计竞赛题目下发到提交作品的时间和我校实践教学环节的“化工原理课程设计” “生产实习”重合，为此我们将化工设计竞赛和原有的实践教学环节融合，提出“认识实习—课程设计—参加化工设计竞赛(完成方案选择、部分Aspen模拟)—生产实习—完成设计竞赛―综合设计”这一实践教学的融合过程(见图1)。大学生化工设计竞赛的任务书要求高于综合设计的要求，在学生刚刚进入化工课程设计开始的每个实践环节，指导教师就将其与化工设计竞赛任务书的内容结合起来，这样学生的学习目标就很明确，学习动力强。在“化工原理课程设计”课程教学中，加强学生对设计程序、单元设备的设计过程、绘图标准等的认知，通过手写设计说明书和给出标准图纸的方法，加强这一环节对学生基本工程素养和计算能力、制图能力的培养。“化工原理课程设计”要求对塔或换热器进行设计，这也是竞赛中必须进行的设备设计内容之一。在生产实习环节，要求学生实习中对工艺流程、设备的布置、厂区布置等注意观察，同时增加了仿真实习内容，加强学生对工厂工艺管道仪表流程图(PID图)的识图能力培养；参加竞赛的学生在这一阶段基本上完成了工艺的选择和流程的模拟，有的已经进入或即将开始进行设备设计计算、绘制工艺物料流程图(PFD图)和PID图、设备布置等环节，因而学生带着Aspen模拟数据中存在的疑惑，以及后续设计需要完成内容的问题到工厂实习，其实习态度以及提出问题的能力都有提高。同时，实习过程中获得的感性认识、了解到的工厂资料等有助于学生更好地对竞赛作品中的设计结果合理性进行判断。在最后的“专业综合设计”环节，我们采用化工设计竞赛的题目，要求每个学生对整个设计过程和内容要掌握，实践教学环节和化工竞赛的融合，保证了各个环节的效果，提高了实践教学环节的质量，同时也保证了竞赛作品的质量。

图1 全国大学生化工设计竞赛和实践教学环节的融合

三、学生工程创新能力的提高和综合素质的培养

1. 竞赛作品是学生工程创新能力的体现

学校学生从2011年参加化工设计竞赛以来，作品质量逐年提高，流程模拟、工艺方案选择、控制方案、设备设计等各个方面的创新和进步都非常明显。从工艺选择看，开始学生只能从成熟工艺中做出选择，逐渐地学生能够将多项先进的技术应用到原有的成熟工艺中，并且通过Aspen模拟对比改进现有技术与原技术的节能及经济情况，然后论证创新的可行性，学生作品的创新性和设计深度都在加强。从工艺控制部分看，学生对于反应器、塔、换热器、储罐等的控制也越来越精细、综合程度在增加，学生还能够根据塔操作的特点查阅文献并将其引入到塔的控制中，反映了学生的工程设计创新能力。

2016年化工设计竞赛以石油化工行业的热点为基础，竞赛题目“为某一大型综合化工企业设计一座以丙烷为原料且与企业的产品体系有效融合的丙烷资源化利用分厂”。学校2016年获得全国总决赛“一等奖”的Signal团队以“高效、清洁、节能、安全”为设计目标，通过查阅大量国内外文献，采用先进的丙烷氨氧化技术为某大型化工厂设计年产15万吨丙烯腈分厂，同时副产乙腈、氢睛酸，实现能量与物料的集成，丰富一体化项目产品结构，达到了任务书要求的与总厂及园区上下游产业链有效融合的目的。在工艺流程设计方面，对多股含腈废水循环回收，并创新的提出使用磷铵循环代替硫铵工艺，这一工艺更加清洁且可大大降低原料氨的成本；在节能方面，引入热泵精馏、双效精馏等节能手段；在安全方面，对重大危险源进行分析，对泄露进行模拟，确保工艺安全运行。从中可以看出，学生设计作品的深度以及工程创新能力的逐步提高。

2. 完成竞赛过程是培养学生综合素质的关键

化工设计竞赛的题目具有真实性和灵活性，与能源化工行业的发展热点一致。在完成竞赛作品的过程中，学生需要查阅文献，了解各种相关技术的背景，特别是需要在众多的技术路线和方案中选择自己认为合适的，并能说明理由。学生作为竞赛的主体，不仅是专业知识的学以致用，而且在文献的查阅能力、综合分析能力等方面也得到很好的锻炼。

在确定总体工艺后，对一些关键的问题，或者较为重要的细节，或者Aspen模拟时难以获得数据和资料，则要求学生走出校园，与外界联系、主动寻求专家的帮助。如2016年，Signal团队为了更准确地设计反应器，他们从文献中发现德国慕尼黑大学格拉塞利(Grasselli)教授研究过丙烷氨氧化一步法制取丙烯腈的动力学，学生主动写信求教并得到了格拉塞利教授的帮助。在很多情况下化工设计都会遇到有毒易燃物质的输送、存储等，这时学生需要向企业、设计院的工程师以及生产厂商寻求帮助，在过程中学生的沟通能力得到锻炼。

指导教师要求学生分阶段采用PPT对竞赛作品的完成情况进行汇报，参加华北赛区和全国总决赛的学生还需要在有限时间内把作品展示出来并回答问题，学生的书面和口头表达能力、应变能力都有明显提高。

在竞赛的过程中，学生在遇到自己生病、父母生病以及其他安排和暑假夏令营冲突时，有的学生因对其他团队成员的高度责任感选择坚持；有的学生为了自己的前途选择参加一个又一个的保研夏令营，致其他同学不顾。完成作品本身的难度以及这些问题的解决不当就会有少数团队无法履行最初的承诺解散，但大多数的情况是同学们能够遵守保证书中的承诺，同学之间相互理解、配合，找到解决问题的办法。这种解决矛盾和选择的过程就是学生责任感和团队精神的培养过程。

通过化工设计竞赛的训练，培养了学生对于学校的感情和责任，2011年参加化工设计竞赛并获得国赛奖的5个学生，第二年主动放弃暑假休息时间，留在学校协助老师管理机房、指导参赛的师弟师妹；这一自觉行为成为以后每届进入决赛的学生的“义务”，他们以能够协助老师指导下一届学生为自豪，学生表现出的责任心和无私奉献让人感动。

2011—2013年我校参加全国大学生化工设计竞赛的17队85名学生中，其中保研考研学生59名，出国7名，参加工作19名。保研考研生占到69.4%，高出年级平均考研率的19%。通过化工设计竞赛的训练，本科毕业生有的选择了与化工设计相关的工作，有的研究生学习期间能够使用软件高效率的开展课题研究，学生对于设计和软件的兴趣大大提高。

综上所述， 我们通过组织学生参加全国大学生化工设计竞赛，将竞赛的高要求和先进设计理念、设计方法引入到教学中，采用责任教育、实践环节和完成化工设计竞赛作品过程高度融合和互相促进的方法，以学生为主体，激发学生对同学、对学校的责任感，克服竞赛过程中遇到的困难，高质量地完成了竞赛作品。在这一过程中化工专业大学生设计能力和创新能力得到提升，学生在责任心、团队合作、自学能力、分析问题解决问题的能力、与人沟通的能力、毅力等多方面得到锻炼，这都为学生后期的学习和工作打下很好的基础。