＊陳振濤 武本成

（中國石油大學（北京）化學工程與環(huán)境學院 北京 102249）

引言

黨的十九大報告提出“建設教育強國是中華民族偉大復興的基礎工程”。中國特色社會主義進入新時代，全球科技和產(chǎn)業(yè)革命進入新階段，也為智慧教育提供了技術支撐。加快教育現(xiàn)代化，優(yōu)化課程體系建設，提高人才培養(yǎng)質量已成為我國社會經(jīng)濟高質量發(fā)展的必然要求。與此同時，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深化，“雙碳”背景下化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨新機遇，與之相匹配的課程體系建設面臨新挑戰(zhàn)。數(shù)字賦能化工產(chǎn)業(yè)的低碳發(fā)展，同時也促進教育領域的深刻變革。面對未來能源化工發(fā)展新形勢和數(shù)字化教育新浪潮，圍繞《化學反應工程》課程建設，著力從拓展課程內容、融合智慧教育、整合教學資源和強化教學效果等方面進行課程改革，可實現(xiàn)綠色低碳化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下實現(xiàn)實體課堂和線上教學模式的融合并進，從而為能源化工行業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)奠定基礎。

1.《化學反應工程》的課程發(fā)展

化學工業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，是支撐制造業(yè)高質量發(fā)展的關鍵領域?；ぎa(chǎn)業(yè)既為國民經(jīng)濟的快速發(fā)展提供能源保障，也為人民生活水平提高提供優(yōu)質產(chǎn)品?；瘜W反應工程是化學工程學科的重要組成部分。20世紀30和40年代，學者們論述了擴散、流體流動和傳熱對反應的影響，促進了化學反應工程學科的發(fā)展。自1957年第一屆歐洲化學反應工程討論會上正式確立該學科之后，借助化學工業(yè)，特別是石油化學工業(yè)的強力發(fā)展之勢，《化學反應工程》學科日趨豐富和完善，已經(jīng)發(fā)展成為化工領域具有重要地位的專業(yè)課程[1]。到了20世紀80年代，隨著計算機技術以及精細化工、生物化工等新技術的快速發(fā)展?；瘜W反應工程的研究領域得到了拓展，從而使《化學反應工程》課程體系不斷得到豐富和完善。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，化學反應工程學科體系已基本形成，理論研究也漸趨完善。該課程是以有機化工、無機化工和能源化工生產(chǎn)中的化學反應過程為對象，按化學反應與動量、熱量、質量傳遞交互作用的共性歸納綜合的宏觀反應過程。化學反應動力學和反應器設計是《化學反應工程》的兩部分主要內容。前者主要研究化學反應的速率及其影響因素，后者則主要研究化學反應在反應器內的變化規(guī)律，從而用于指導反應過程和反應器的優(yōu)化設計。生產(chǎn)趨于大型化，對化學反應過程的開發(fā)和反應器的優(yōu)化設計提出迫切要求；化學反應動力學和化工單元操作的理論和實踐奠定了該學科深厚的基礎[2]；數(shù)學模型方法和高性能電子計算機的應用為反應工程理論研究提拱有效支撐。

當前，國內外學者基于化工生產(chǎn)過程和實驗研究陸續(xù)出版一系列相關著作和教材，并圍繞著化工領域的共性問題形成了較為完整的課程體系。近些年來，全球經(jīng)濟進入高速發(fā)展階段，經(jīng)濟社會發(fā)展正推動著化工產(chǎn)業(yè)步入高質量發(fā)展軌道。新一輪產(chǎn)業(yè)革命日新月異，化工產(chǎn)業(yè)面臨著重要的戰(zhàn)略發(fā)展期。以傳統(tǒng)化石能源為基礎的化工產(chǎn)業(yè)必將根據(jù)當前“雙碳目標”背景做出適時調整，推動我國化工產(chǎn)業(yè)提質增效、節(jié)能降碳。這就要求《化學反應工程》課程內容進行補充和拓展，以適應化工產(chǎn)業(yè)的轉型升級。此外，高校的工科課程大多表現(xiàn)為單純給學生傳授課本知識，鮮少聯(lián)系當前工業(yè)生產(chǎn)實踐，課堂上習慣用空洞的說教育人，鮮少通過啟發(fā)式教學和教學相長促進學生主動學習[3]。

2.“雙碳”背景下《化學反應工程》課程發(fā)展現(xiàn)狀

為實現(xiàn)人類社會發(fā)展中能源、資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，2015年的《巴黎協(xié)定》提出在21世紀中葉實現(xiàn)全球碳中和[4]。2020年9月，國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上莊嚴承諾：中國的二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。據(jù)統(tǒng)計，目前我國煤炭資源利用量、石油和天然氣進口量均位列全球第一，傳統(tǒng)能源的廣泛使用致使CO2排放總量同樣位列全球第一[5-6]。為保障我國能源資源的有效安全供給，并在未來短短40年內實現(xiàn)“3060雙碳戰(zhàn)略目標”，必須進行能源供給側改革、實現(xiàn)結構優(yōu)化、推動產(chǎn)業(yè)結構轉型，逐步建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的技術體系。能源轉型是大勢所趨，化石能源占比將會逐漸降低，非化石能源的貢獻將會不斷增大[7-9]。

作為世界規(guī)模最大的行業(yè)，能源化工產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷著一場變革和新生，通過采用能源利用創(chuàng)新技術和節(jié)能增效創(chuàng)新方法來減少碳足跡、提高能源利用效率，從而實現(xiàn)行業(yè)轉型升級和可持續(xù)發(fā)展[10]。隨之帶來“碳達峰”“碳中和”和“新能源”等新概念的不斷提出，綠色化工高新技術和提質增效創(chuàng)新方法陸續(xù)涌現(xiàn)，能源產(chǎn)業(yè)轉型和技術升級穩(wěn)妥推進[9]?！半p碳”背景下化工產(chǎn)業(yè)的轉型迫切需要建立與之相匹配的課程體系。由于可再生能源種類繁多，新能源轉換方式和技術特點各異，太陽能發(fā)電、水電解制氫、生物質制氫、燃料電池發(fā)電、光電化學反應、CO2資源化利用等過程均涉及眾多化工基礎問題。電化學工程、光化學工程和生物質轉化化學工程等領域化學反應動力學和傳質過程科學規(guī)律亟待歸納總結，以期形成新能源化工特色的理論基礎，從而為提高可再生能源利用效率，促進可持續(xù)綜合能源系統(tǒng)發(fā)展，實現(xiàn)我國“雙碳”目標奠定堅實基礎。

基于此，《化學反應工程》這門化工產(chǎn)業(yè)的專業(yè)基礎課程需要與時俱進，不斷補充和完善產(chǎn)業(yè)革命帶來的新內容、新問題和新理論。從新的化工生產(chǎn)過程和新技術中不斷總結歸納出涉及化學反應動力學的共性問題，作為課程的優(yōu)異補充從而形成《化學反應工程》課程的創(chuàng)新知識體系，將會為化工產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)奠定基礎。

3.智慧教育創(chuàng)新發(fā)展新模式

當前，大數(shù)據(jù)、云計算、移動通訊等信息技術突飛猛進。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，數(shù)字化技術正逐漸影響著人們的工作和學習方式。2018年，教育部將“智慧教育創(chuàng)新發(fā)展”作為實施教育信息化的八大行動之一。當前社會不僅讓學生見證了科技的力量，也催生了智慧教育新形態(tài)。給人們的生活方式帶來了變化，全球產(chǎn)業(yè)鏈和供應鏈也面臨重塑機遇和挑戰(zhàn)。教與學的主陣地從實體課堂轉移至線上。僅截至2020年5月初的統(tǒng)計顯示，全國共有1454所高校開展在線教學，百萬教師在線合計開課1226萬門次，參加在線學習的大學生合計23億人次[11]。在此期間，我國政府部門大力推進教育信息化基礎建設，企事業(yè)機構也紛紛推出新型智慧教學平臺，為中國教育改革提供創(chuàng)新途徑。

數(shù)字化技術開創(chuàng)了教學模式的新思路，但同時也逐漸暴露出一些問題。許多教師的教育理念停留在實體課堂，只是將教授內容簡單的搬至線上；在線教學平臺處于發(fā)展初期，教師和在線平臺缺少有效溝通，并未形成信息化教育合力；學生長時間面對網(wǎng)絡，易受到游戲、不良信息和八卦娛樂等誘惑，學習效果參差不齊。數(shù)字化信息技術為教育變革提供了廣闊空間，迫切需要教師和學生緊跟時代步伐，及時轉換教育理念，借助信息化教學直觀、生動、形象等優(yōu)勢，在磨合中積累經(jīng)驗，建立常態(tài)下課堂教育為主、線上智慧教育為輔的教學模式。

4.“雙碳”背景下智慧教育助力化學反應工程課程建設

《化學反應工程》是化學工程類本科生的一門專業(yè)基礎課，該課程以工業(yè)反應過程為對象，研究化學反應與動量、熱量、質量傳遞交互作用下的宏觀反應過程。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，該課程圍繞著傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)構建起較為完整的課程體系。基于創(chuàng)新教育和“雙碳”背景新形勢，逐漸豐富化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展中涉及《化學反應工程》課程的新知識，探索智慧教育推進《化學反應工程》課程改革新模式，強化綠色低碳循環(huán)發(fā)展背景下的化學反應工程分析能力，可實現(xiàn)智慧教育和課程建設的融合發(fā)展。基于此，本文著力從拓展課程內容、融合智慧教育、整合教學資源和強化教學效果等方面進行課程改革建設闡述，力爭《化學反應工程》課程在綠色低碳化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下實現(xiàn)實體課堂和線上教學模式的融合并進。

(1)拓展課程內容

科教興國和人才強國已成為我國重要的發(fā)展舉措，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略則推動化工產(chǎn)業(yè)結構轉型。在碳達峰和碳中和目標背景下，太陽能、氫能和生物質能等新能源將會迎來一輪新的發(fā)展浪潮?；诰G色低碳的化工產(chǎn)業(yè)升級，需要調研并總結能源轉型化工創(chuàng)新技術和節(jié)能增效創(chuàng)新方法中化學反應和傳熱傳質的內在科學規(guī)律，豐富和完善《化學反應工程》課程的基本理論知識，聚焦光電轉化和生物質轉化技術中化學反應動力學共性問題以及“納微氣泡”和超重力等創(chuàng)新方法中強化傳質科學本質，不斷豐富和拓寬《化學反應工程》課程內容，適當引入智慧化管控和節(jié)能增效新理念，以適應化工產(chǎn)業(yè)轉型過程中對化學工程相關知識需求的變化趨勢，以高質量教育和創(chuàng)新型人才培育推動技術進步，從而最終支撐引領我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

(2)融合智慧教育

智慧教育利用數(shù)字化智能信息技術為手段，以促進學生主動學習為目標，實現(xiàn)智慧技術和課堂教學的融合創(chuàng)新發(fā)展[12]?！痘瘜W反應工程》課程建設可借助企業(yè)成熟的智慧教學云平臺，創(chuàng)設網(wǎng)絡化、數(shù)據(jù)化、交互化和智能化學習環(huán)境，構建實體課堂和線上教育一體化的教學場景，推動《化學反應工程》智慧教學模式創(chuàng)新，激發(fā)學生的學習熱情和科研興趣，實現(xiàn)個性化學習和引導式教學的育人模式。通過智能化的企業(yè)服務平臺，實現(xiàn)多種教學資源的開發(fā)共享和綜合應用，完成動態(tài)學習評價和資源推送，實現(xiàn)服務云的多級互聯(lián)互通。在“分析、評價、創(chuàng)造”高級認知層級實現(xiàn)《化學反應工程》智慧教學新模式的創(chuàng)設。

(3)整合教學資源

實體課堂和智慧平臺相結合的教學模式可以實現(xiàn)課程資料的共享和整合，為《化學反應工程》智慧課程建設奠定堅實基礎。以現(xiàn)有教育教學團隊為基礎，整理實體課堂教材、課件和習題資源，通過企業(yè)智慧教學云平臺進行模塊化分解，融合課程相關的網(wǎng)絡資源和工業(yè)實例，形成完整的《化學反應工程》課程的教學資源庫，為學生提供開放的學習場景和資源共享氛圍，實現(xiàn)從“靜態(tài)資料”到“動態(tài)活動”的教學資源演變，以及從課堂固化到線上開放的跨越，提升學生應用課程知識分析和解決實際問題能力。此外，可以借助智慧教學云平臺發(fā)掘學生的學習主動性，共同參與到教學資源的完善之中。在此基礎上，將兩種教學模式的資源和材料進行整合，從而形成“立體化”的《化學反應工程》課程資源新體系。

(4)強化教學效果

運用智慧化課堂教學新理念，分析實體課堂教學的現(xiàn)存問題，通過實時互動和視頻教學等新手段激發(fā)學習興趣，充分利用豐富的教學資源引導學生自主學習，結合云平臺提供的教學活動過程性評估和統(tǒng)計分析獲得實時反饋，利于教學過程及時進行調整，促進教學相長，形成持續(xù)有效地提高教學質量。通過科研實例和工業(yè)案例，引導學生運用《化學反應工程》的基礎知識和基本原理對化工生產(chǎn)過程的工程問題進行分析，從而強化課堂知識的學習和消化，并激發(fā)學生科研興趣和創(chuàng)新意識?！罢n堂故事”的授課方式不僅開拓了學生的視野，也改善學生的聽課狀態(tài)和教學效果。通過引入視頻、計算機模擬和可視化實驗等智慧教學模式，促進學生對《化學反應工程》基本原理從多層次和多角度進行深入理解，從而將復雜生澀的科學問題生動形象的加以闡釋，從而促進學生對《化學反應工程》部分抽象知識的深入理解。

5.結語

在“3060雙碳目標”背景下，《化學反應工程》課程建設面臨新的任務和挑戰(zhàn)。面對未來能源化工發(fā)展新形勢，及時補充《化學反應工程》學科涌現(xiàn)的能源化工新技術和過程強化新方法，總結新能源產(chǎn)業(yè)過程中“生物/光/電化學反應”的科學本質及其內在規(guī)律，闡明反應中的傳質、傳熱機理及其反應工程特性，從而賦予反應工程學科新的生命力。面對數(shù)字化教育新浪潮，迫切需要高校教師持續(xù)不斷在技術、工具、語言、數(shù)據(jù)庫等方面進行《化學反應工程》智慧課程開發(fā)與更新，以數(shù)字化技術推動課程教學資源和教學活動無縫銜接。在此過程中逐漸形成完整的教學內容，確立合理的評價體系，實現(xiàn)智慧教育和實體課堂的融合相長，應用創(chuàng)新的數(shù)字化教育強化教學效果，實現(xiàn)線上和線下教學相輔相成的智慧教學，激發(fā)學生學習興趣和科學靈感，促進交互性教育環(huán)境的形成。

因此，圍繞“3060雙碳目標”的化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，通過文獻調研和知識歸納拓展課程資料，借助智慧教學平臺實現(xiàn)課程資料共享和持續(xù)完善，結合智慧化課堂理念提升教學效果和學生學習興趣，最終實現(xiàn)“雙碳”背景下《化學反應工程》智慧課程建設，為未來能源化工技術研發(fā)和高端化工人才培養(yǎng)提供有效教學支撐。