郭紅霞

（華北理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，河北唐山 063210）

由于CO2過量排放而帶來的溫室效應(yīng)、全球變暖、環(huán)境污染和能源危機(jī)等，已成為世界各國越來越關(guān)注和亟待解決的緊迫問題。作為世界上最大的能源生產(chǎn)和消費(fèi)國，我國已向世界提出2030年“碳達(dá)峰”和2060年“碳中和”的目標(biāo)，因此在高校教學(xué)過程中，如何恰如其分地引入低碳理念、助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)顯得尤為重要[1]。

“化工原理”課程是化學(xué)工程學(xué)科的重要基礎(chǔ)，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維、綜合設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力方面均占有極其重要的地位[2]。在教學(xué)過程中融入低碳理念，可以圍繞綠色環(huán)保、節(jié)能降耗、資源的可持續(xù)利用與發(fā)展、低碳新能源技術(shù)等領(lǐng)域展開。在講授流體流動(dòng)、非均相物系的分離、傳熱、吸收、蒸餾、萃取、干燥等單元操作過程中，以挖掘、浸潤、反哺的方式將以上低碳主題融入教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力與追求化工原理真理、服務(wù)化工大國重器的職業(yè)素養(yǎng)（基本策略如圖1所示）。

圖1 “化工原理”教學(xué)中低碳理念融入的基本策略

1 低碳理念融入“化工原理”的教學(xué)內(nèi)容

“化工原理”課程中流體流動(dòng)、非均相物系的分離、傳熱、吸收、蒸餾、萃取、干燥等單元操作過程，與目前國家大力倡導(dǎo)的綠色環(huán)保、節(jié)能降耗、資源的可持續(xù)利用與發(fā)展、低碳新能源技術(shù)等低碳理念密切相關(guān)（圖2）。因此，如何將課堂講授的教學(xué)內(nèi)容與低碳理念恰如其分地聯(lián)系起來，對(duì)于提高學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)至關(guān)重要。

圖2 “化工原理”教學(xué)內(nèi)容與低碳理念之間的關(guān)系

1.1 綠色環(huán)保領(lǐng)域

元素經(jīng)濟(jì)性和零排放是實(shí)現(xiàn)綠色化工的終極目標(biāo)，將單元操作過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣等進(jìn)行資源化再利用，使所有化學(xué)組分被充分利用，是實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的重要一環(huán)[3]。比如在講授沉降單元操作過程中，將工業(yè)生產(chǎn)中的煙氣除塵等氣體凈化過程與低碳理念相結(jié)合，使學(xué)生理解產(chǎn)品回收與安全生產(chǎn)的意義所在。同樣，在吸收與吸附單元操作講授過程中，介紹目前大氣中含硫化合物、含氮化合物、碳的氧化物等污染化合物在工業(yè)生產(chǎn)過程中排放到大氣之前必須對(duì)其進(jìn)行處理。將知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際生產(chǎn)案例相結(jié)合，讓學(xué)生深入理解理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。

1.2 節(jié)能降耗領(lǐng)域

化工行業(yè)作為高耗能行業(yè)，節(jié)能降耗作為可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一，應(yīng)該貫穿于“化工原理”教學(xué)過程中（比如流體流動(dòng)、傳熱、吸收、精餾、干燥等單元操作）[4]。這對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生節(jié)能降耗、低碳生活的意識(shí)起到了重要作用，同時(shí)強(qiáng)化其責(zé)任擔(dān)當(dāng)，努力為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)一份力量。

比如在講授流體流動(dòng)過程中，強(qiáng)調(diào)節(jié)能途徑[5]。在講授傳熱單元操作過程中，強(qiáng)化傳熱與削弱傳熱進(jìn)行保溫等措施實(shí)現(xiàn)節(jié)能。介紹自清洗流化床換熱器、高效螺旋折流板換熱器等新型節(jié)能設(shè)備時(shí)，為盡快實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，對(duì)余熱進(jìn)行合理回收與利用也是其中重要的一環(huán)。吸收單元操作中，在升溫解吸過程中，富液與貧液之間可以通過熱量交換達(dá)到節(jié)能降耗的目的；多段吸收過程由于具有較小的傳質(zhì)阻力，可大大降低有效能的損失；降低吸收與解吸操作過程中溶劑循環(huán)的速率，同樣可以減少能量的消耗。精餾操作中介紹實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中的熱泵技術(shù)，將精餾塔塔頂?shù)牡推肺粺崃總鬏數(shù)骄s塔塔底，成為高品位熱量。干燥操作中如何提高干燥效率，通過介紹新型、高效、節(jié)能的傳質(zhì)設(shè)備，進(jìn)一步拓寬學(xué)生的知識(shí)視野。

1.3 資源可持續(xù)利用領(lǐng)域

對(duì)生產(chǎn)過程中的資源進(jìn)行可持續(xù)利用，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑之一。在講授吸收與吸附單元操作過程中，介紹目前研究者廣泛關(guān)注的CCUS（即碳捕獲、利用與封存）技術(shù)。此技術(shù)可以將生產(chǎn)過程中排放的CO2進(jìn)行封存，或者進(jìn)一步提純后進(jìn)行循環(huán)再利用。CCUS 技術(shù)可以將CO2進(jìn)行資源化再利用，產(chǎn)生附加的經(jīng)濟(jì)效益，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)中具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一，因此得到世界各國的關(guān)注。此外，介紹超臨界CO2用作萃取劑等資源回收的實(shí)例。上述舉措為學(xué)生拓展碳捕集與利用的相關(guān)前沿研究，一方面讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到資源可持續(xù)利用的重要性，另一方面鼓勵(lì)學(xué)生勇于創(chuàng)新，甘于奉獻(xiàn)，為服務(wù)國家富強(qiáng)、民族復(fù)興、人民幸福以及社會(huì)進(jìn)步貢獻(xiàn)自己的力量。

1.4 低碳新能源技術(shù)領(lǐng)域

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大力發(fā)展清潔新能源產(chǎn)業(yè)，以盡量降低對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴程度，從而減少環(huán)境污染。比如在講授膜分離技術(shù)中，列舉合成氨尾氣中H2的回收、煉油工業(yè)尾氣中H2的回收工藝等，介紹采用膜分離技術(shù)進(jìn)行H2分離回收的工作原理。不僅讓學(xué)生掌握膜分離這一當(dāng)前氣體分離應(yīng)用最廣的技術(shù)之一，而且讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到發(fā)展多樣化新能源技術(shù)的必要性，充分利用太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮艿?，為社?huì)發(fā)展過程中能源的需求提供有力的保障。

2 低碳理念融入“化工原理”的教學(xué)設(shè)計(jì)

采用線上線下混合式教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性，同時(shí)采用PBL式、啟發(fā)式、案例式教學(xué)，將教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用、科研課題結(jié)合。通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式對(duì)部分教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行專題討論，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題和解決問題的能力，可以以講授吸收操作捕集電廠等煙氣中的CO2為例。在教學(xué)過程中，采用PBL（Problem Based Learning）教學(xué)法結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)，以發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題為核心，采用分組展示、分組討論以及相互交流的方法，激發(fā)學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新理念、邏輯辯證的思維方法、綠色低碳的價(jià)值觀以及家國情懷為教學(xué)目標(biāo)（圖3）。課前教師在“學(xué)習(xí)通”發(fā)布課前任務(wù)，查閱文獻(xiàn)資料并進(jìn)行歸納總結(jié)，讓學(xué)生首先初步了解CO2氣體的特點(diǎn)、各種有機(jī)胺吸收劑的基本性質(zhì)與捕集性能、填料塔傳質(zhì)性能以及有機(jī)胺吸收技術(shù)等。課上，教師首先由“雙碳”目標(biāo)引出目前研究比較熱的有機(jī)胺吸收技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生思考與討論有機(jī)胺吸收技術(shù)中吸收劑用量如何確定。學(xué)生在回顧吸收操作線方程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)之后，分組進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，通過ppt匯報(bào)，相互深入討論，并在教師的引導(dǎo)下總結(jié)歸納，最終掌握本講課的知識(shí)目標(biāo)-吸收劑用量的確定方法。通過形成性評(píng)價(jià)考查學(xué)生的掌握程度，然后進(jìn)行相關(guān)典型例題的解析。最后教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本講課進(jìn)行總結(jié)歸納與知識(shí)拓展。課后教師及時(shí)進(jìn)行教學(xué)反思，以便進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)方法；學(xué)生針對(duì)總結(jié)歸納的知識(shí)點(diǎn)，完成相應(yīng)的課后作業(yè)，以便達(dá)成本講課的能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。在整個(gè)教學(xué)過程中通過低碳理念的融入，引導(dǎo)學(xué)生樹立低碳生活的價(jià)值觀，立志為推進(jìn)國家生態(tài)文明建設(shè)、促進(jìn)社會(huì)全面發(fā)展貢獻(xiàn)出自己的一份力量。

圖3 PBL教學(xué)法結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)

3 低碳理念融入“化工原理”的教學(xué)資源建設(shè)

為更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程中融入低碳理念，分別對(duì)線上與線下課程資源進(jìn)行建設(shè)。由于課堂上的教學(xué)時(shí)間有限，所以充分挖掘課程中的思政主題，制作成思政小課堂，充分利用“學(xué)習(xí)通”線上教學(xué)平臺(tái)，在通知中定期發(fā)布通知，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生隨時(shí)隨地的思政浸潤。具體的知識(shí)點(diǎn)與思政點(diǎn)的融合見表1，“學(xué)習(xí)通”中發(fā)布的思政小課堂實(shí)例如圖4所示。錄制“萬個(gè)小視頻”教學(xué)資源，將其設(shè)置成任務(wù)點(diǎn)，發(fā)布在“學(xué)習(xí)通”的學(xué)習(xí)資源中。此外，從模擬軟件、仿真軟件、仿真工藝、仿真流程以及單元操作的模型與設(shè)備等方面出發(fā)，進(jìn)行線下教學(xué)資源的建設(shè)。

表1 思政小課堂教學(xué)資源建設(shè)中知識(shí)點(diǎn)與思政點(diǎn)之間的融合

圖4 “流體流動(dòng)”章節(jié)思政小課堂在“學(xué)習(xí)通”中的發(fā)布實(shí)例

4 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

在教學(xué)過程中融入低碳理念，通過顯性教育和隱性教育相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)價(jià)值觀引領(lǐng)，使學(xué)生將所學(xué)基本理論與最新的國家發(fā)展需求有效關(guān)聯(lián)，達(dá)到學(xué)以致用的目的。然而，低碳理念是否建立，仍需要在實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)。在過程性評(píng)價(jià)與期末考核過程中，將相關(guān)內(nèi)容納入考核范圍，教師會(huì)設(shè)計(jì)一些相關(guān)題目，讓學(xué)生進(jìn)行選擇或者設(shè)計(jì)，以檢驗(yàn)學(xué)生是否具有低碳理念。

課程考核以考核學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成為主要目的，包括過程性考核和期末考核兩部分。過程性考核包括課程音視頻學(xué)習(xí)、章節(jié)測(cè)驗(yàn)、章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)、作業(yè)、單元考試、課程互動(dòng)和翻轉(zhuǎn)課堂分組任務(wù)七部分，在總成績中占50%。作業(yè)、考試、任務(wù)點(diǎn)等的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)教學(xué)大綱的規(guī)定，以“學(xué)習(xí)通”系統(tǒng)中導(dǎo)出的學(xué)生成績?yōu)橐罁?jù)。期末考核為閉卷考試，以卷面成績的50%計(jì)入課程總評(píng)成績。教學(xué)大綱中的課程目標(biāo)5主要考查學(xué)生對(duì)復(fù)雜化學(xué)工程問題形成多種解決方案，并進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，確定特定條件下最優(yōu)的解決方案，體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能低碳、環(huán)保等理念，此課程目標(biāo)的達(dá)成度體現(xiàn)出低碳理念融入的教學(xué)效果。在課程結(jié)束后，首先通過在“學(xué)習(xí)通”發(fā)布關(guān)于課程目標(biāo)達(dá)成情況的問卷（圖5），據(jù)此掌握學(xué)生課程目標(biāo)的達(dá)成情況。期末考核后，完成課程目標(biāo)達(dá)成度報(bào)告。2017 級(jí)化學(xué)工程與工藝專業(yè)1、2、3 班共有71名學(xué)生，根據(jù)學(xué)生成績散點(diǎn)圖（圖6）分析可見，其達(dá)成度評(píng)價(jià)值為0.357 5，表明大部分同學(xué)需要提高針對(duì)單元操作中不同方案的分析和評(píng)價(jià)能力，確定特定條件下最優(yōu)的解決方案，進(jìn)而提升對(duì)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等低碳理念的認(rèn)知。2018級(jí)化學(xué)工程與工藝專業(yè)1、2、3班共有74名學(xué)生，其達(dá)成度評(píng)價(jià)值為0.631 2（圖6），表明大部分同學(xué)對(duì)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等低碳理念有了深刻認(rèn)識(shí)，此結(jié)果與問卷調(diào)研的課程目標(biāo)達(dá)成情況一致?？梢娡ㄟ^此教學(xué)改革，課程目標(biāo)5的達(dá)成度明顯提高。此外通過對(duì)比2017與2018級(jí)整體課程目標(biāo)達(dá)成度（圖7），與2017級(jí)相比，2018級(jí)整體課程目標(biāo)達(dá)成度也有明顯提高。

圖5 “學(xué)習(xí)通”中2018級(jí)化學(xué)工程與工藝專業(yè)課程目標(biāo)5達(dá)成情況調(diào)研問卷

圖6 2017與2018級(jí)化學(xué)工程與工藝專業(yè)課程目標(biāo)5達(dá)成度

圖7 2017與2018級(jí)化學(xué)工程與工藝專業(yè)整體課程目標(biāo)達(dá)成度

在此基礎(chǔ)上，在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，指導(dǎo)學(xué)生圍繞綠色環(huán)保、節(jié)能降耗、資源的可持續(xù)利用與發(fā)展、低碳新能源技術(shù)等對(duì)工藝單元進(jìn)行計(jì)算與優(yōu)化，切實(shí)踐行低碳理念，厚植家國情懷，以便真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出導(dǎo)向和價(jià)值引領(lǐng)。

5 結(jié)束語

通過將低碳理念融入“化工原理”課程教學(xué)過程，從綠色環(huán)保、節(jié)能降耗、資源的可持續(xù)利用與發(fā)展、低碳新能源技術(shù)四個(gè)方面出發(fā)，緊密圍繞“碳中和”目標(biāo)，提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過踐行低碳理念，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與教師科研、工業(yè)發(fā)展以及國家發(fā)展需求緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。此外，通過課程案例體系的建設(shè)，對(duì)于提高“碳中和”目標(biāo)下教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)均具有積極的推動(dòng)作用。