以节能减排竞赛为抓手，培养本科生创新思维与实践能力

　　摘要：学科竞赛是培养大学生创新思维意识的有效途径，对培养和提高学生的创新思维和实践能力具有重要的作用。以“全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”的参赛历程为例，以本科参赛者的视角，从竞赛背景、团队建设、竞赛选题、实施过程、感悟等几个方面介绍如何通过参加节能减排竞赛进行创新思维与实践能力的培养和训练。

　　关键词：创新思维;实践能力;节能减排竞赛

　　创新思维与实践能力的培养对提高大学生适应未来工作的能力有重要意义。浙江科技学院是一所应用型本科院校，学校一向重视学生创新思维和实践能力的培养。学校教师也鼓励学生利用课余时间，积极参加业余科研和各类科技竞赛。在此，分享一下我们参加第十三届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛的经历。介绍我们从选题到制作作品，再到参加决赛的过程中，是如何将课堂所学的知识真正地应用到产品设计上，同时分享一下我们在比赛过程中的一些心得体会。

　　节能技术论文范例：能源化工产业节能减排新模式

　　1竞赛背景

　　全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛以下简称“节能减排竞赛”是由教育部高等教育司主办、唯一由高等教育司办公室主抓的全国大学生学科竞赛，是教育部确定的全国十大大学生学科竞赛之一。

　　该竞赛紧密围绕国家能源与环境政策、结合国家重大需求，充分体现了“节能减排、绿色能源”的主题，得到了教育部和广大高校的高度关注[1]。节能减排竞赛鼓励学生从课堂的理论学习出发，关注社会生活中的污染排放和能源不合理利用等问题，切实将课堂上学习到的先进知识有效地利用到社会生产生活中去。这样的参赛经历不仅有利于提高学生的创新思维和应用实践能力，而且也能为部分理论概念得到更加广泛的应用场景提供平台。浙江科技学院高度重视节能减排竞赛，在校内进行宣传，鼓励学生积极参与，并举办校内小型海选，专业评委老师给予评价和指导。通过校内海选，一方面，部分不完善的设计方案被剔除出去，确保参赛作品的质量;另一方面，评委老师还为我们后期进一步提高作品的质量提供了许多关键性的指导意见。

　　2团队建设

　　独木不成林，一个人的力量有限，想要完成一个好的作品，必须依靠团队力量。因此，我们首先进行了团队建设，建立了一支优势互补的创新团队。团队核心成员是我校能源与环境系统工程系的方启和唐杰，这两位成员自大二开始就进入指导教师的实验室做实验助理，进行了精细化学品、功能性新材料和热电制冷方面的科研训练和实践，具有一定的实践操作能力，在项目选题过程中发挥了重要的作用。根据项目需求，我们另外优选了几位具有不同特长的队员。

　　王杰董同学善于表达，他优异的口才可为后期作品答辩提供更好的保障。谢浩锋同学思维敏捷、精于计算，他总能提出许多有创新性的改进意见。魏士凯同学精通各类视频剪辑软件以及绘图工具，可为高质量的答辩PPT和展示视频的制作提供帮助。在参赛作品的制作过程中，大家各司其职，有条不紊，为共同的目标而奋斗。团队建立好后，我们根据节能减排竞赛的时间节点，制定了完整的工作计划，比如，什么时间需要确定好选题，什么时间需要完成产品的设计，什么时间需要完成产品雏形的制作等。在整个作品的完成过程中，团队成员分工有序，从定题到设计，从实物制作到决赛答辩，我们积极沟通与交流，相互帮助，共同完成了整个参赛作品的制作。在这个过程中，我们每个人的创新思维能力、实践操作能力、细节把握能力以及团队协作能力都有了显著的提高。

　　3竞赛选题

　　一个作品能否引起大家的关注，选题是首要环节。对于科技竞赛作品，需要具备以下几个特点：创新性、价值性、科学性和可行性。结合节能减排竞赛“节能减排、绿色能源”的主题，我们首先在选题上进行了大量的工作。团队成员自2019年10月开始，查阅各种资料，阅读大量文献，并于每周召开小组讨论会议，交流各自搜集到的有益信息，进行头脑风暴。我们发现，蒸馏是化工领域中最成熟、应用最广泛、且必不可少的一种分离工艺。然而，传统蒸馏装置的能耗非常高。当前，节能减排是全球可持续发展的主题，蒸馏作为一种典型的高能耗分离过程，如何降低蒸馏过程的高能耗已成为迫切需要解决的关键难题。所以我们决定以低能耗蒸馏装置的设计作为研究目标。

　　4实施过程

　　4.1项目背景和意义

　　蒸馏是一种热力学的分离工艺，它利用混合液体或液固体系中各组分沸点不同，使低沸点组分蒸发，再冷凝以分离整个组分的单元操作过程，是蒸发和冷凝两种单元操作的联合如图所示。蒸馏是最重要且应用最广泛的化工分离操作，是化学工业的首选分离技术[2]，广泛应用于酒类生产、海水淡化、石油化工、食品医药等各个领域液体物料的分离。但是，蒸馏是一种典型的高能耗分离工艺，特别是在石油炼制和某些化工企业中，主要能量消耗均在蒸馏操作上。据统计，化工过程中40%70%的能耗用于分离，而蒸馏能耗又占其中的95%[3]。

　　蒸馏过程的高能耗主要体现在加热蒸发阶段的高温过程和冷凝阶段的低温过程，都需要消耗海量能源。在蒸发过程中，需要提供能量用以加热混合物，使液态物质完成汽化过程。在冷凝过程中，更需要消耗能源进行制冷[4–6]，完成高温气态物质的冷凝。因此，蒸馏工艺的蒸发和冷凝两个过程都是高耗能的过程。同时，传统蒸馏方式的能源利用效率又非常低，据计算，传统蒸馏装置的能源利用效率仅为30%，其余大部分热量散失到环境空气中，能源浪费严重。当前，节能减排成为全球可持续发展的主题，降低蒸馏过程的高能耗已成为迫切需要解决的关键难题。

　　多年来，针对蒸馏过程高效节能技术的研究已经得到了充分的探索[67]。但是由于蒸馏过程蒸发阶段和冷凝阶段都需要消耗海量能源，因此总体能耗仅有有限程度的改善。随着全球经济的迅猛发展，人类的能源需求与日俱增，高能耗的蒸馏工艺给化工分离过程带来了越来越大的挑战[78]。在课堂学习中，我们曾学习过热电制冷片的工作原理，也即半导体材料的帕尔贴效应。帕尔帖效应是指电流经过不同的半导体组成的回路时在不同半导体的接头处会分别出现放热和吸热现象，形成半导体制冷片的高温端和低温端[910]。

　　在查阅大量文献后，我们发现，目前的应用中，大多利用热电制冷片的低温端获得制冷效果，而高温端的热量多被释放到环境中，这不仅造成了能源和资源的浪费，也造成了环境的污染。于是，我们灵机一动，是否可以将半导体的帕尔贴效应耦合到蒸馏装置中，将半导体制冷片的高温端应用于蒸馏的蒸发过程，将半导体制冷片的低温端应用于蒸馏的冷凝过程，实现蒸馏过程中加热与冷却的倍增协同，大幅降低蒸馏工艺的能耗?于是，我们的课题“一种可实现加热与冷却倍增协同的高能效蒸馏装置”就产生了。

　　4.2实验方案制定与执行

　　4.2.1设计原理

　　帕尔帖效应是指电流经过不同的半导体组成的回路时在不同半导体的接头处会分别出现放热和吸热现象，形成半导体制冷片的高温端和低温端[910]。当一块型半导体材料和一块型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端[11–14]。我们作品的核心节能原理是将半导体制冷片的帕尔贴效应耦合进入蒸馏装置，将半导体制冷片的高温端用于蒸馏的蒸发过程，将半导体制冷片的低温端用于蒸馏的冷凝过程，实现蒸馏过程中加热与冷却的倍增协同。

　　4.2.2方案制定

　　在开展实物产品设计时，首先根据工作原理如图所示将设计的蒸馏模块安装在半导体制冷片的高温端，通过半导体制冷片热端产生的热量对待蒸馏的混合组分不断加热，使之升温并产生乙醇蒸气，半导体制冷片热端即可作为蒸馏装置的加热部分。再将加热产生的乙醇蒸气通过半导体制冷片的低温端进行换热，获得冷凝后的乙醇。然而，实际测试中发现，由于气体的导热系数较低，换热效果不良，这种设计方案有很大的改进空间。团队成员在与指导教师讨论分析后，对产品设计进行了优化。采用循环水冷的方式，以水作为工质对半导体制冷片的低温端进行换热，该循环水冷再对乙醇蒸气进行冷却，在冷凝管中实现乙醇蒸气的液化与回收。

　　4.2.3实物设计

　　我们作品设计的高能效蒸馏装置的部件主要包括半导体制冷模块、蒸发箱体、水冷箱体、测温模块、电源模块、储液槽、冷凝管、循环水泵、蒸馏液收集槽等。以蒸馏乙醇为例，采用半导体制冷片的高温端对蒸发箱体中的乙醇进行直接加热，实现乙醇的汽化;而半导体制冷片的低温端对循环水冷介质进行冷却，该循环水冷再对乙醇蒸气进行冷却，在冷凝管中实现乙醇蒸气的液化与回收。

　　(1)半导体制冷片。选用如图5a所示的半导体制冷片，其主要参数如下：外形尺寸为40mm40mm3.75mm;内部电阻为2.12.49Ω;最大温差(ΔMAX为67℃;工作电流MAX为4.6A;额定电压为12V;制冷功率MAX为5060W。工作过程中使用四片制冷片，采用并联方式。(2)蒸发箱体。蒸发箱体与半导体制冷片的高温端接触，吸收高温端的热量，并加热箱体中的乙醇，完成乙醇的蒸发过程。根据半导体制冷片的尺寸，设计了如图5b所示的蒸发箱体，其外形尺寸为40mm40mm80mm，箱体内设翅片，增加受热面积，强化换热，提高加热效率。箱体底部开孔，将待蒸馏乙醇引入蒸发箱体中;箱体上部开口，将乙醇蒸气导出。

　　(3)水冷箱体。水冷箱体与半导体制冷片的低温端接触，箱体内的循环水与低温端换热，降低循环水的温度。根据半导体制冷片的尺寸，设计了如图所示的水冷箱体，其外形尺寸为40mm40mm12mm，箱体内设蛇形流场，强化换热。箱体上端开口，分别将循环水导入和导出箱体。(4)核心部件装配设计。利用螺栓、螺母和固定块将蒸发箱体、半导体制冷片、水冷箱体紧固为一体命名为核心部件，各个部件之间均采用导热硅脂进行填补，减小接触热阻。

　　5感悟

　　这次节能减排竞赛的作品是我们小组成员大学期间学习的各项技能的结晶，从能量的转化到物质的流动，再从电路的设计到各项尺寸的配比计算，期间的每一步都是以坚实的课堂理论知识和在实验室不断积累的实践能力为基础逐步完成的。在项目定题的初期，我们曾有过不切实际的天马行空，也有过超出团队能力的奇思异想。那些超出认知能力的想法虽好，但并不是现在的我们能够实现的。我们及时发现了问题，决定沉下心来，成员们开始利用现有资源查阅大量的文献资料，同时团队成员与指导教师定期开会，汇报各自阅读文献后得到的灵感，然后大家一起讨论想法的可行性。

　　最终，在大家的不懈努力下，将重点放在了已经熟悉的半导体制冷片和蒸馏装置的耦合上，并且确定将“一种可实现加热与冷却倍增协调的高能效蒸馏装置”作为作品的主题。在确定选题的过程中，我们查阅了大量的科技文献。这些文献的知识大多超出了我们课本的学习内容，通过阅读这些文献，我们的自主学习能力得到了很大程度的提升;另外，这些知识也扩宽了我们的科学视野。通过查新，也使我们能够紧跟科学前沿、避免闭门造车。这个过程培养了我们的创新思维意识和能力。在项目的实施过程中，同样遇到了许多问题。

　　因为疫情的原因，2020年春季学期的前几个月我们都在家中，无法到实验室实地开展实验。后来，我们决定在每晚的六点半到十一点半采用腾讯会议的方式进行讨论，大家还利用手中现有的资料和软件对数据进行模拟计算，发现其中的不足，并及时与指导教师进行沟通与交流，虽然进度不是特别如意，但大家的思想激烈碰撞，每隔一段时间都会有新的优化方案提出。这为月份到校继续开展作品的制作和方案的优化提供了坚实的基础。月份开学之后，我们充分利用课余时间，到实验室进行实物作品的制作与优化。

　　在实验实施过程中，从各个部件的设计制作，到装置的组合，到实验数据的采集，我们都亲力亲为，这个过程锻炼了我们的动手实践能力。在项目方案的实施和优化过程中，我们所遇到的问题都没有相应的教科书教我们如何去解决，我们只能坚持不断摸索，探索新的解决问题的思路，这进一步培养了我们的创新思维能力。

　　另外，我们的实验也会经常出现一些问题，每当遇到实验不顺的时候，我们都会坚持不懈，努力从失败的经验中总结教训，迎难而上。这个过程也培养了我们战胜困难的勇气，坚持不懈的毅力，严谨认真的科研态度和不怕吃苦的奉献精神。小组成员守望相助，最终我们一起突破艰难险阻，走到了决赛的领奖台。大家的团队协作能力也得到了极大的提升。

　　6结语

　　综上所述，通过参加全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛，我们的创新思维和实践能力都得到了有效提升。坚实的课堂理论知识为我们解决实际问题提供理论基础;积极查阅文献有效拓宽了我们的科学视野;实验室工作经历培养了我们严谨的科学态度并提高了我们的实践动手能力;撰写各类申报材料提高了我们的文字撰写能力，教会我们如何将自己想要表达的想法简明扼要地书写成文;参加答辩过程提高了我们的演讲能力，教会我们如何简明准确地向其他人展示自己的想法。通过参加节能减排竞赛，我们获益良多。在此，也感谢全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛组委会为我们提供了这么大的舞台。

　　参考文献

　　[1]俞自涛.节能减排创新实践北京:中国电力出版社,202065–68

　　[2]李沛虹赵彩俊科技与生活2010,No.106

　　[3]郑艳梅,李鑫钢,徐世民.现代蒸馏技术中国工程院化工冶金与材料工程学部学术会议,中国工程院,山东济南,2007

　　[4]林德荣陈荣明吴任之张兴文农业工程学报201632(2),64.

　　[5]陈勇敏.实验教学与仪器201027(5),48.

　　[6]张昊王德宇张庆军王继富.现代食品2017No.13

　　[7]高志贵山东化工2019No.48127.

　　[8]刘登峰徐彪刘鹏刘登峰徐彪刘鹏石油化工设计,201936(1),6.

　　作者：方启，索艳格*，张治国