李運(yùn)超，孟宸宸，許慧敏，白祎琦，李曉宏，祖莉莉，高靚輝，范樓珍

北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100875

為了更好地完成立德樹人的根本任務(wù)，培養(yǎng)滿足新時(shí)代發(fā)展需要的青年后備人才，開展專業(yè)課課程思政，落實(shí)“三全育人”教育理念，極其重要，也勢(shì)在必行[1,2]。為此，教育部頒布了多個(gè)指導(dǎo)性文件來落實(shí)各類專業(yè)課課程思政，如明確指出理學(xué)類專業(yè)課程“要注重科學(xué)思維方法的訓(xùn)練和科學(xué)倫理的教育，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感”[3]。盡管如此，由于思政素材分散且與專業(yè)知識(shí)涇渭分明，理工類專業(yè)課課程思政教學(xué)難度普遍較大，在實(shí)施過程中易出現(xiàn)“兩張皮”“標(biāo)簽化”以及“說教式”的傾向[3]。為此，北京師范大學(xué)物理化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)較早地開展了物理化學(xué)課程思政探索和實(shí)踐[4,5]，在課程思政素材的挖掘和融入、課程思政教學(xué)手段以及評(píng)價(jià)方式等方面總結(jié)出一些行之有效的策略，較好地解決了上述問題。例如，提倡根據(jù)學(xué)科知識(shí)特點(diǎn)，深入挖掘和整理思政素材，依據(jù)與知識(shí)內(nèi)在關(guān)聯(lián)將其有機(jī)融入課程知識(shí)體系和日常教學(xué)實(shí)踐中；通過問題導(dǎo)向的自主學(xué)習(xí)結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)掘思政素材，實(shí)現(xiàn)自我思政教育。從而在“春風(fēng)化雨、潤(rùn)物無聲”中將“科學(xué)精神、家國(guó)情懷、責(zé)任擔(dān)當(dāng)”等思政元素播撒于學(xué)生的頭腦中，達(dá)到專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)和道德情操修為相濟(jì)相長(zhǎng)的效果。本文以CO2超臨界狀態(tài)及其制冷應(yīng)用為例，展示如何以關(guān)鍵概念與技術(shù)背后的物理化學(xué)原理為紐帶，在課堂教學(xué)中有機(jī)融入思政案例和開展課程思政翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，以期“以點(diǎn)帶面、拋磚引玉”，共同推動(dòng)專業(yè)課課程思政發(fā)展和提升其育人實(shí)效。

1 CO2超臨界狀態(tài)及其特征

1.1 CO2超臨界狀態(tài)

CO2相圖是典型的單組分相圖，其特征與水的相圖類似，由三條兩相線交匯于一點(diǎn)，總體呈“Y”字型；其中氣液兩相平衡線延伸的終點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)特定的溫度和壓強(qiáng)(T= 304.13 K，p= 7.38 MPa)。在臨界點(diǎn)處，因高溫而膨脹的液態(tài)CO2和因高壓而壓縮的氣體CO2的密度正好相等，此時(shí)液體和氣體完全交融在一起，不存在相界面，系統(tǒng)變?yōu)橐幌?，具有相同的摩爾體積和摩爾熵[6](圖1)。因該點(diǎn)具有確定的溫度和壓強(qiáng)(即溫度和壓強(qiáng)因特殊的制約關(guān)系而限定)[7,8]，故可推知其自由度為零且不滿足Clapeyron方程。溫度和壓強(qiáng)值超越此點(diǎn)的CO2稱為超臨界CO2(見圖1右上標(biāo)黃區(qū)域)，又稱為超臨界CO2流體(Supercritical fluid，SCF)，其性質(zhì)介于氣體和液體之間，兼具氣態(tài)與液態(tài)物質(zhì)的雙重特性。

圖1 CO2相圖及在不同條件下的氣液界面[7]

1.2 超臨界CO2特征及應(yīng)用簡(jiǎn)介

具體而言，CO2SCF既具有液體一樣的密度、溶解能力、傳熱系數(shù)等特征，又具有氣體低黏度、高擴(kuò)散性以及高壓縮性等特性。此外，值得一提的是，其擴(kuò)散系數(shù)、傳熱系數(shù)、介電常數(shù)等物性參數(shù)在臨界點(diǎn)附近對(duì)溫度和壓力特別敏感，易于調(diào)控改變。因此，CO2SCF具有以下獨(dú)特性質(zhì)[7,9]：(1) 極高滲透溶解性；(2) 其溶解能力受溫度和壓強(qiáng)影響顯著；(3) 超高流動(dòng)性；(4) 優(yōu)異熱傳導(dǎo)性；(5) 無毒、無味、不可燃；(6) 維持該狀態(tài)所需的溫度較低、壓力適中，對(duì)設(shè)備要求不高?；谏鲜鎏匦?，超臨界CO2在多個(gè)領(lǐng)域(如活性組分萃取、食品加工、綠色合成等)顯示出重要的應(yīng)用價(jià)值并已得到廣泛使用；特別是近年來作為一種低碳、環(huán)保、安全的自然工質(zhì)在制冷領(lǐng)域顯示出極具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)[10]。

2 超臨界CO2制冷原理與應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 超臨界CO2制冷原理

常溫常壓下的氣態(tài)CO2被施加一定高壓后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镾CF；這種似氣類液的特殊流體具有良好的流動(dòng)性和傳熱性，極易傳輸和被壓縮，當(dāng)被高效輸送到需要制冷的區(qū)域后，可通過蒸發(fā)來大量吸熱而達(dá)到降溫制冷效果。目前開發(fā)的CO2制冷系統(tǒng)大都采用跨臨界循環(huán)(即在常態(tài)和臨界狀態(tài)間來回轉(zhuǎn)換)，其工作原理如圖2所示[10]：其中1→2階段為液態(tài)CO2制冷劑在蒸發(fā)器中通過蒸發(fā)吸熱而使周圍環(huán)境溫度降低的制冷過程；2→3階段為常壓氣態(tài)CO2制冷劑被壓縮機(jī)壓縮而轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏撼R界CO2過程；高溫超臨界CO2制冷劑隨后在3→4階段中進(jìn)入氣體冷卻器進(jìn)行定壓放熱(即在超臨界狀態(tài)下發(fā)生無相變放熱，此過程的廢熱可回收利用)；4→1階段為絕熱節(jié)流過程(即Joule-Thomson過程)，CO2制冷劑在此過程中通過節(jié)流膨脹而降壓降溫變成常壓低溫液體，之后進(jìn)入蒸發(fā)器完成一個(gè)制冷循環(huán)。這種CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)因具有突出的環(huán)保和節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)，特別適合于滿足大型設(shè)施/場(chǎng)館的制冷需求(尤其是在高質(zhì)量冰雪場(chǎng)地和賽道的建造和維護(hù)方面)。遺憾的是，CO2跨臨界制冷技術(shù)之前一直掌握在歐美等國(guó)家高技術(shù)企業(yè)手中并對(duì)中國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖。

圖2 CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)工作原理圖

2.2 超臨界CO2制冷技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來隨著環(huán)保、安全、節(jié)能意識(shí)的提高，CO2這一傳統(tǒng)的天然工質(zhì)在制冷領(lǐng)域重新受到廣泛關(guān)注。遺憾的是，通常采用的CO2亞臨界循環(huán)制冷技術(shù)，因制冷效率易受環(huán)境溫度影響，其廣泛應(yīng)用受限?；诖?，挪威科學(xué)家Lorentzen于1992年首次提出CO2跨臨界循環(huán)制冷設(shè)想，即CO2以超臨界狀態(tài)傳輸且以亞臨界狀態(tài)蒸發(fā)制冷[11]；不僅可解決上述局限，還能進(jìn)一步提升系統(tǒng)制冷效能。經(jīng)過30余年的發(fā)展，目前CO2跨臨界循環(huán)制冷已推廣應(yīng)用于汽車空調(diào)、冷凍冷藏、溜冰場(chǎng)制冰等領(lǐng)域，特別是在歐美國(guó)家的商超制冷領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。盡管如此，由于超臨界CO2制冷技術(shù)涉及CO2超臨界狀態(tài)營(yíng)造與維持，對(duì)系統(tǒng)的壓縮比和可承受的壓強(qiáng)提出了更高要求，因此一直難以在大型冰雪場(chǎng)館中得到實(shí)際應(yīng)用，直至北京冬奧場(chǎng)館的建設(shè)才填補(bǔ)了該技術(shù)在大型冬奧場(chǎng)館比賽專用冰面制備方面的空白[12]。

3 超臨界CO2制冷技術(shù)課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)

CO2超臨界狀態(tài)及應(yīng)用在“物理化學(xué)”單組分相圖部分通常作為知識(shí)難點(diǎn)和應(yīng)用案例介紹，為了挖掘并發(fā)揮該內(nèi)容的課程思政育人功能，可采用融合了任務(wù)驅(qū)動(dòng)的自主學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂及課后拓展的綜合式教學(xué)方案。例如，在課前，教師可布置學(xué)習(xí)任務(wù)，安排學(xué)生通過查閱資料了解人工制冰造雪的原理和主要方法，分析原有方法在能耗、成本、安全和環(huán)保等方面存在的問題；并結(jié)合小組討論，提出解決這些問題的基本思路與方案。在課堂上，首先要求學(xué)生匯報(bào)他們的調(diào)研總結(jié)和解決方案，然后教師以創(chuàng)新應(yīng)用案例的形式導(dǎo)入思政案例，師生共同討論分析超臨界CO2制冰造雪原理、優(yōu)勢(shì)及啟示。課后要求學(xué)生拓展了解超臨界CO2在不同行業(yè)中的應(yīng)用及其啟示。籍此使學(xué)生感悟相關(guān)案例中所蘊(yùn)藏的科學(xué)創(chuàng)新精神、以國(guó)家重大需求為己任的責(zé)任擔(dān)當(dāng)、低碳“綠色”發(fā)展理念以及民族自豪感。

3.2 思政案例導(dǎo)入

教師以創(chuàng)新應(yīng)用案例的形式，如“試以北京冬奧會(huì)制冰造雪為例，結(jié)合資料分析超臨界CO2在制冷領(lǐng)域的特殊優(yōu)勢(shì)及啟示”，導(dǎo)入如下的課程思政案例：為了貫徹“科技奧運(yùn)、綠色奧運(yùn)”的核心理念，辦好2022北京冬奧會(huì)，為世界各國(guó)冰雪運(yùn)動(dòng)員提供高質(zhì)量的比賽專用冰道和雪道，我國(guó)科技工作者主動(dòng)以國(guó)家重大需求為己任，發(fā)奮自強(qiáng)，勇于開拓創(chuàng)新，通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，自主研發(fā)出達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的二氧化碳跨臨界直冷制冰和二氧化碳超臨界制雪技術(shù)，打造了“最美、最快的冰面”[13]和零上高品質(zhì)“冰狀雪”(圖3)[14]。非常值得驕傲的是，國(guó)家速滑館是世界首個(gè)采用“二氧化碳跨臨界直接蒸發(fā)制冷技術(shù)”的冬奧場(chǎng)館，其冰面溫差可控制在0.3-0.4 °C以內(nèi)，為運(yùn)動(dòng)員提供一個(gè)軟硬度均勻穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)冰面，并可實(shí)現(xiàn)快速、高效的冰面轉(zhuǎn)換；僅在制冷環(huán)節(jié)每年可節(jié)電200余萬度，無論是綜合能效還是冰面溫差均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。開發(fā)的零上高品質(zhì)動(dòng)態(tài)人工造雪和儲(chǔ)雪一體化技術(shù)與裝備，可在氣溫處于0-15 °C時(shí)，利用二氧化碳超臨界制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全、高效、低成本、高品質(zhì)的人工造雪。上述先進(jìn)技術(shù)的開發(fā)不僅成功保障了北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)冰/雪道各項(xiàng)賽事的順利舉辦，還充分展示了我國(guó)的創(chuàng)新發(fā)展理念、科技實(shí)力以及責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

圖3 國(guó)家速滑館多功能全冰面——“冰絲帶”和首鋼滑雪大跳臺(tái)高品質(zhì)人造雪道[15]

3.3 課堂匯報(bào)與討論

在查閱資料的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生以課堂匯報(bào)+討論的形式，比較和總結(jié)CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)與傳統(tǒng)制冷技術(shù)(以氯氟烴類或液氨為制冷劑)的優(yōu)勢(shì)和啟發(fā)(見表1)。教師注意在討論中引導(dǎo)學(xué)生理解相關(guān)的物理化學(xué)原理。

表1 幾種代表性制冷技術(shù)綜合性能比較

3.4 價(jià)值引領(lǐng)、知識(shí)拓展與教學(xué)效果評(píng)價(jià)

通過以上事例鮮明的對(duì)比分析，學(xué)生很容易總結(jié)出：只有創(chuàng)新才能突破；靈活掌握物理化學(xué)原理可解決重大科技/工程問題；要有低碳“綠色”發(fā)展意識(shí)，才能契合國(guó)家和社會(huì)的發(fā)展需求；并能切實(shí)感受到我國(guó)科技人員的創(chuàng)新精神和責(zé)任擔(dān)當(dāng)。要求學(xué)生課后拓展了解并總結(jié)超臨界CO2在不同行業(yè)(如在中藥材萃取、食品加工以及合成化學(xué)等領(lǐng)域)中的特色應(yīng)用案例及其啟示，以加深對(duì)超臨界CO2物性和特色應(yīng)用的理解，進(jìn)一步激發(fā)開拓創(chuàng)新精神和培育低碳“綠色”發(fā)展理念。最后，通過綜合采用“檢查學(xué)生查閱資料情況、PPT制作、課堂發(fā)言、課堂APP問答、課后總結(jié)”等形式對(duì)課程思政教學(xué)效果進(jìn)行多元評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語

為了解決專業(yè)課課程思政教學(xué)中出現(xiàn)的一些普遍性問題，本文以CO2超臨界狀態(tài)及制冷應(yīng)用為例，提出以解析關(guān)鍵概念/技術(shù)背后的物理化學(xué)原理為紐帶，依據(jù)知識(shí)間內(nèi)在關(guān)聯(lián)，環(huán)環(huán)相扣、水到渠成地開展課程思政教學(xué)的新思路；并綜合采用了任務(wù)驅(qū)動(dòng)的自主學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂及課后拓展相結(jié)合的多元思政教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)掘思政素材，實(shí)現(xiàn)自我思政教育。通過以上設(shè)計(jì)，既鍛煉了學(xué)生資料收集和總結(jié)能力，加深了學(xué)生對(duì)物理化學(xué)基本原理的理解，提升了學(xué)生學(xué)以致用的意識(shí)和能力，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新精神、家國(guó)情懷和責(zé)任擔(dān)當(dāng)；從而實(shí)現(xiàn)了價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)三位一體的教學(xué)目標(biāo)。我們的教學(xué)實(shí)踐表明，這種以知識(shí)內(nèi)在聯(lián)系為紐帶、結(jié)合問題驅(qū)動(dòng)、踐行自主思政教育的課程思政教學(xué)模式，更易入腦入心，被學(xué)生接受和認(rèn)同，具有廣泛的可推廣性。

致謝：感謝廈門大學(xué)朱亞先教授、山東大學(xué)張樹永教授等對(duì)本文的指導(dǎo)。