摘要：學(xué)科競賽是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維意識的有效途徑，對培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力具有重要的作用。以“全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽”的參賽歷程為例，以本科參賽者的視角，從競賽背景、團隊建設(shè)、競賽選題、實施過程、感悟等幾個方面介紹如何通過參加節(jié)能減排競賽進行創(chuàng)新思維與實踐能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

　　關(guān)鍵詞：創(chuàng)新思維;實踐能力;節(jié)能減排競賽

　　創(chuàng)新思維與實踐能力的培養(yǎng)對提高大學(xué)生適應(yīng)未來工作的能力有重要意義。浙江科技學(xué)院是一所應(yīng)用型本科院校，學(xué)校一向重視學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)。學(xué)校教師也鼓勵學(xué)生利用課余時間，積極參加業(yè)余科研和各類科技競賽。在此，分享一下我們參加第十三屆全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽的經(jīng)歷。介紹我們從選題到制作作品，再到參加決賽的過程中，是如何將課堂所學(xué)的知識真正地應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計上，同時分享一下我們在比賽過程中的一些心得體會。

　　節(jié)能技術(shù)論文范例：能源化工產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排新模式

　　1競賽背景

　　全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽以下簡稱“節(jié)能減排競賽”是由教育部高等教育司主辦、唯一由高等教育司辦公室主抓的全國大學(xué)生學(xué)科競賽，是教育部確定的全國十大大學(xué)生學(xué)科競賽之一。

　　該競賽緊密圍繞國家能源與環(huán)境政策、結(jié)合國家重大需求，充分體現(xiàn)了“節(jié)能減排、綠色能源”的主題，得到了教育部和廣大高校的高度關(guān)注[1]。節(jié)能減排競賽鼓勵學(xué)生從課堂的理論學(xué)習(xí)出發(fā)，關(guān)注社會生活中的污染排放和能源不合理利用等問題，切實將課堂上學(xué)習(xí)到的先進知識有效地利用到社會生產(chǎn)生活中去。這樣的參賽經(jīng)歷不僅有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和應(yīng)用實踐能力，而且也能為部分理論概念得到更加廣泛的應(yīng)用場景提供平臺。浙江科技學(xué)院高度重視節(jié)能減排競賽，在校內(nèi)進行宣傳，鼓勵學(xué)生積極參與，并舉辦校內(nèi)小型海選，專業(yè)評委老師給予評價和指導(dǎo)。通過校內(nèi)海選，一方面，部分不完善的設(shè)計方案被剔除出去，確保參賽作品的質(zhì)量;另一方面，評委老師還為我們后期進一步提高作品的質(zhì)量提供了許多關(guān)鍵性的指導(dǎo)意見。

　　2團隊建設(shè)

　　獨木不成林，一個人的力量有限，想要完成一個好的作品，必須依靠團隊力量。因此，我們首先進行了團隊建設(shè)，建立了一支優(yōu)勢互補的創(chuàng)新團隊。團隊核心成員是我校能源與環(huán)境系統(tǒng)工程系的方啟和唐杰，這兩位成員自大二開始就進入指導(dǎo)教師的實驗室做實驗助理，進行了精細化學(xué)品、功能性新材料和熱電制冷方面的科研訓(xùn)練和實踐，具有一定的實踐操作能力，在項目選題過程中發(fā)揮了重要的作用。根據(jù)項目需求，我們另外優(yōu)選了幾位具有不同特長的隊員。

　　王杰董同學(xué)善于表達，他優(yōu)異的口才可為后期作品答辯提供更好的保障。謝浩鋒同學(xué)思維敏捷、精于計算，他總能提出許多有創(chuàng)新性的改進意見。魏士凱同學(xué)精通各類視頻剪輯軟件以及繪圖工具，可為高質(zhì)量的答辯PPT和展示視頻的制作提供幫助。在參賽作品的制作過程中，大家各司其職，有條不紊，為共同的目標而奮斗。團隊建立好后，我們根據(jù)節(jié)能減排競賽的時間節(jié)點，制定了完整的工作計劃，比如，什么時間需要確定好選題，什么時間需要完成產(chǎn)品的設(shè)計，什么時間需要完成產(chǎn)品雛形的制作等。在整個作品的完成過程中，團隊成員分工有序，從定題到設(shè)計，從實物制作到?jīng)Q賽答辯，我們積極溝通與交流，相互幫助，共同完成了整個參賽作品的制作。在這個過程中，我們每個人的創(chuàng)新思維能力、實踐操作能力、細節(jié)把握能力以及團隊協(xié)作能力都有了顯著的提高。

　　3競賽選題

　　一個作品能否引起大家的關(guān)注，選題是首要環(huán)節(jié)。對于科技競賽作品，需要具備以下幾個特點：創(chuàng)新性、價值性、科學(xué)性和可行性。結(jié)合節(jié)能減排競賽“節(jié)能減排、綠色能源”的主題，我們首先在選題上進行了大量的工作。團隊成員自2019年10月開始，查閱各種資料，閱讀大量文獻，并于每周召開小組討論會議，交流各自搜集到的有益信息，進行頭腦風(fēng)暴。我們發(fā)現(xiàn)，蒸餾是化工領(lǐng)域中最成熟、應(yīng)用最廣泛、且必不可少的一種分離工藝。然而，傳統(tǒng)蒸餾裝置的能耗非常高。當前，節(jié)能減排是全球可持續(xù)發(fā)展的主題，蒸餾作為一種典型的高能耗分離過程，如何降低蒸餾過程的高能耗已成為迫切需要解決的關(guān)鍵難題。所以我們決定以低能耗蒸餾裝置的設(shè)計作為研究目標。

　　4實施過程

　　4.1項目背景和意義

　　蒸餾是一種熱力學(xué)的分離工藝，它利用混合液體或液固體系中各組分沸點不同，使低沸點組分蒸發(fā)，再冷凝以分離整個組分的單元操作過程，是蒸發(fā)和冷凝兩種單元操作的聯(lián)合如圖所示。蒸餾是最重要且應(yīng)用最廣泛的化工分離操作，是化學(xué)工業(yè)的首選分離技術(shù)[2]，廣泛應(yīng)用于酒類生產(chǎn)、海水淡化、石油化工、食品醫(yī)藥等各個領(lǐng)域液體物料的分離。但是，蒸餾是一種典型的高能耗分離工藝，特別是在石油煉制和某些化工企業(yè)中，主要能量消耗均在蒸餾操作上。據(jù)統(tǒng)計，化工過程中40%70%的能耗用于分離，而蒸餾能耗又占其中的95%[3]。

　　蒸餾過程的高能耗主要體現(xiàn)在加熱蒸發(fā)階段的高溫過程和冷凝階段的低溫過程，都需要消耗海量能源。在蒸發(fā)過程中，需要提供能量用以加熱混合物，使液態(tài)物質(zhì)完成汽化過程。在冷凝過程中，更需要消耗能源進行制冷[4–6]，完成高溫氣態(tài)物質(zhì)的冷凝。因此，蒸餾工藝的蒸發(fā)和冷凝兩個過程都是高耗能的過程。同時，傳統(tǒng)蒸餾方式的能源利用效率又非常低，據(jù)計算，傳統(tǒng)蒸餾裝置的能源利用效率僅為30%，其余大部分熱量散失到環(huán)境空氣中，能源浪費嚴重。當前，節(jié)能減排成為全球可持續(xù)發(fā)展的主題，降低蒸餾過程的高能耗已成為迫切需要解決的關(guān)鍵難題。

　　多年來，針對蒸餾過程高效節(jié)能技術(shù)的研究已經(jīng)得到了充分的探索[67]。但是由于蒸餾過程蒸發(fā)階段和冷凝階段都需要消耗海量能源，因此總體能耗僅有有限程度的改善。隨著全球經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人類的能源需求與日俱增，高能耗的蒸餾工藝給化工分離過程帶來了越來越大的挑戰(zhàn)[78]。在課堂學(xué)習(xí)中，我們曾學(xué)習(xí)過熱電制冷片的工作原理，也即半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)。帕爾帖效應(yīng)是指電流經(jīng)過不同的半導(dǎo)體組成的回路時在不同半導(dǎo)體的接頭處會分別出現(xiàn)放熱和吸熱現(xiàn)象，形成半導(dǎo)體制冷片的高溫端和低溫端[910]。

　　在查閱大量文獻后，我們發(fā)現(xiàn)，目前的應(yīng)用中，大多利用熱電制冷片的低溫端獲得制冷效果，而高溫端的熱量多被釋放到環(huán)境中，這不僅造成了能源和資源的浪費，也造成了環(huán)境的污染。于是，我們靈機一動，是否可以將半導(dǎo)體的帕爾貼效應(yīng)耦合到蒸餾裝置中，將半導(dǎo)體制冷片的高溫端應(yīng)用于蒸餾的蒸發(fā)過程，將半導(dǎo)體制冷片的低溫端應(yīng)用于蒸餾的冷凝過程，實現(xiàn)蒸餾過程中加熱與冷卻的倍增協(xié)同，大幅降低蒸餾工藝的能耗?于是，我們的課題“一種可實現(xiàn)加熱與冷卻倍增協(xié)同的高能效蒸餾裝置”就產(chǎn)生了。

　　4.2實驗方案制定與執(zhí)行

　　4.2.1設(shè)計原理

　　帕爾帖效應(yīng)是指電流經(jīng)過不同的半導(dǎo)體組成的回路時在不同半導(dǎo)體的接頭處會分別出現(xiàn)放熱和吸熱現(xiàn)象，形成半導(dǎo)體制冷片的高溫端和低溫端[910]。當一塊型半導(dǎo)體材料和一塊型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端[11–14]。我們作品的核心節(jié)能原理是將半導(dǎo)體制冷片的帕爾貼效應(yīng)耦合進入蒸餾裝置，將半導(dǎo)體制冷片的高溫端用于蒸餾的蒸發(fā)過程，將半導(dǎo)體制冷片的低溫端用于蒸餾的冷凝過程，實現(xiàn)蒸餾過程中加熱與冷卻的倍增協(xié)同。

　　4.2.2方案制定

　　在開展實物產(chǎn)品設(shè)計時，首先根據(jù)工作原理如圖所示將設(shè)計的蒸餾模塊安裝在半導(dǎo)體制冷片的高溫端，通過半導(dǎo)體制冷片熱端產(chǎn)生的熱量對待蒸餾的混合組分不斷加熱，使之升溫并產(chǎn)生乙醇蒸氣，半導(dǎo)體制冷片熱端即可作為蒸餾裝置的加熱部分。再將加熱產(chǎn)生的乙醇蒸氣通過半導(dǎo)體制冷片的低溫端進行換熱，獲得冷凝后的乙醇。然而，實際測試中發(fā)現(xiàn)，由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，換熱效果不良，這種設(shè)計方案有很大的改進空間。團隊成員在與指導(dǎo)教師討論分析后，對產(chǎn)品設(shè)計進行了優(yōu)化。采用循環(huán)水冷的方式，以水作為工質(zhì)對半導(dǎo)體制冷片的低溫端進行換熱，該循環(huán)水冷再對乙醇蒸氣進行冷卻，在冷凝管中實現(xiàn)乙醇蒸氣的液化與回收。

　　4.2.3實物設(shè)計

　　我們作品設(shè)計的高能效蒸餾裝置的部件主要包括半導(dǎo)體制冷模塊、蒸發(fā)箱體、水冷箱體、測溫模塊、電源模塊、儲液槽、冷凝管、循環(huán)水泵、蒸餾液收集槽等。以蒸餾乙醇為例，采用半導(dǎo)體制冷片的高溫端對蒸發(fā)箱體中的乙醇進行直接加熱，實現(xiàn)乙醇的汽化;而半導(dǎo)體制冷片的低溫端對循環(huán)水冷介質(zhì)進行冷卻，該循環(huán)水冷再對乙醇蒸氣進行冷卻，在冷凝管中實現(xiàn)乙醇蒸氣的液化與回收。

　　(1)半導(dǎo)體制冷片。選用如圖5a所示的半導(dǎo)體制冷片，其主要參數(shù)如下：外形尺寸為40mm40mm3.75mm;內(nèi)部電阻為2.12.49Ω;最大溫差(ΔMAX為67℃;工作電流MAX為4.6A;額定電壓為12V;制冷功率MAX為5060W。工作過程中使用四片制冷片，采用并聯(lián)方式。(2)蒸發(fā)箱體。蒸發(fā)箱體與半導(dǎo)體制冷片的高溫端接觸，吸收高溫端的熱量，并加熱箱體中的乙醇，完成乙醇的蒸發(fā)過程。根據(jù)半導(dǎo)體制冷片的尺寸，設(shè)計了如圖5b所示的蒸發(fā)箱體，其外形尺寸為40mm40mm80mm，箱體內(nèi)設(shè)翅片，增加受熱面積，強化換熱，提高加熱效率。箱體底部開孔，將待蒸餾乙醇引入蒸發(fā)箱體中;箱體上部開口，將乙醇蒸氣導(dǎo)出。

　　(3)水冷箱體。水冷箱體與半導(dǎo)體制冷片的低溫端接觸，箱體內(nèi)的循環(huán)水與低溫端換熱，降低循環(huán)水的溫度。根據(jù)半導(dǎo)體制冷片的尺寸，設(shè)計了如圖所示的水冷箱體，其外形尺寸為40mm40mm12mm，箱體內(nèi)設(shè)蛇形流場，強化換熱。箱體上端開口，分別將循環(huán)水導(dǎo)入和導(dǎo)出箱體。(4)核心部件裝配設(shè)計。利用螺栓、螺母和固定塊將蒸發(fā)箱體、半導(dǎo)體制冷片、水冷箱體緊固為一體命名為核心部件，各個部件之間均采用導(dǎo)熱硅脂進行填補，減小接觸熱阻。

　　5感悟

　　這次節(jié)能減排競賽的作品是我們小組成員大學(xué)期間學(xué)習(xí)的各項技能的結(jié)晶，從能量的轉(zhuǎn)化到物質(zhì)的流動，再從電路的設(shè)計到各項尺寸的配比計算，期間的每一步都是以堅實的課堂理論知識和在實驗室不斷積累的實踐能力為基礎(chǔ)逐步完成的。在項目定題的初期，我們曾有過不切實際的天馬行空，也有過超出團隊能力的奇思異想。那些超出認知能力的想法雖好，但并不是現(xiàn)在的我們能夠?qū)崿F(xiàn)的。我們及時發(fā)現(xiàn)了問題，決定沉下心來，成員們開始利用現(xiàn)有資源查閱大量的文獻資料，同時團隊成員與指導(dǎo)教師定期開會，匯報各自閱讀文獻后得到的靈感，然后大家一起討論想法的可行性。

　　最終，在大家的不懈努力下，將重點放在了已經(jīng)熟悉的半導(dǎo)體制冷片和蒸餾裝置的耦合上，并且確定將“一種可實現(xiàn)加熱與冷卻倍增協(xié)調(diào)的高能效蒸餾裝置”作為作品的主題。在確定選題的過程中，我們查閱了大量的科技文獻。這些文獻的知識大多超出了我們課本的學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過閱讀這些文獻，我們的自主學(xué)習(xí)能力得到了很大程度的提升;另外，這些知識也擴寬了我們的科學(xué)視野。通過查新，也使我們能夠緊跟科學(xué)前沿、避免閉門造車。這個過程培養(yǎng)了我們的創(chuàng)新思維意識和能力。在項目的實施過程中，同樣遇到了許多問題。

　　因為疫情的原因，2020年春季學(xué)期的前幾個月我們都在家中，無法到實驗室實地開展實驗。后來，我們決定在每晚的六點半到十一點半采用騰訊會議的方式進行討論，大家還利用手中現(xiàn)有的資料和軟件對數(shù)據(jù)進行模擬計算，發(fā)現(xiàn)其中的不足，并及時與指導(dǎo)教師進行溝通與交流，雖然進度不是特別如意，但大家的思想激烈碰撞，每隔一段時間都會有新的優(yōu)化方案提出。這為月份到校繼續(xù)開展作品的制作和方案的優(yōu)化提供了堅實的基礎(chǔ)。月份開學(xué)之后，我們充分利用課余時間，到實驗室進行實物作品的制作與優(yōu)化。

　　在實驗實施過程中，從各個部件的設(shè)計制作，到裝置的組合，到實驗數(shù)據(jù)的采集，我們都親力親為，這個過程鍛煉了我們的動手實踐能力。在項目方案的實施和優(yōu)化過程中，我們所遇到的問題都沒有相應(yīng)的教科書教我們?nèi)绾稳ソ鉀Q，我們只能堅持不斷摸索，探索新的解決問題的思路，這進一步培養(yǎng)了我們的創(chuàng)新思維能力。

　　另外，我們的實驗也會經(jīng)常出現(xiàn)一些問題，每當遇到實驗不順的時候，我們都會堅持不懈，努力從失敗的經(jīng)驗中總結(jié)教訓(xùn)，迎難而上。這個過程也培養(yǎng)了我們戰(zhàn)勝困難的勇氣，堅持不懈的毅力，嚴謹認真的科研態(tài)度和不怕吃苦的奉獻精神。小組成員守望相助，最終我們一起突破艱難險阻，走到了決賽的領(lǐng)獎臺。大家的團隊協(xié)作能力也得到了極大的提升。

　　6結(jié)語

　　綜上所述，通過參加全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽，我們的創(chuàng)新思維和實踐能力都得到了有效提升。堅實的課堂理論知識為我們解決實際問題提供理論基礎(chǔ);積極查閱文獻有效拓寬了我們的科學(xué)視野;實驗室工作經(jīng)歷培養(yǎng)了我們嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度并提高了我們的實踐動手能力;撰寫各類申報材料提高了我們的文字撰寫能力，教會我們?nèi)绾螌⒆约合胍�表達的想法簡明扼要地書寫成文;參加答辯過程提高了我們的演講能力，教會我們?nèi)绾魏喢鳒蚀_地向其他人展示自己的想法。通過參加節(jié)能減排競賽，我們獲益良多。在此，也感謝全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽組委會為我們提供了這么大的舞臺。

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　　作者：方啟，索艷格*，張治國