“雙碳”背景下化工專業課程的改革與實踐
——以“化學反應工程”課程為例

葛武杰

貴州理工學院化學工程學院 貴州貴陽 550003

高等教育應堅持以立德樹人為教育的中心環節，應把思政教育貫穿到教育的全過程中，要努力實現全程育人和全方位育人。做好高校思想政治工作，要用好課堂教學這個主渠道。另外，教育部印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》要求全面推進高校課程思政建設，課程思政建設是當前高校教育事業發展迫在眉睫的任務，是事關高校所有課程建設及相應教師發展的教書育人重要工作要求。對于理工課程，在授課過程中，要將學科專業知識與做人做事的基本道理、與社會主義核心價值觀的要求相融，一方面提高大學生認識、分析、解決實際工程問題的能力，另一方面對大學生進行科學素質與工程倫理教育，激發學生敢于探索、追求卓越的科學精神以及吃苦耐勞、精益求精的工匠精神，培養學生科技報國、解決研究前沿熱點難題的使命擔當[1-2]。

另一方面，中國將力爭2030年前達到二氧化碳排放峰值、并努力爭取2060年前實現碳中和。這也被稱為中國的“雙碳”目標。在此目標的指引下，從石化、能源到消費、制造行業，都掀起了達峰降碳的熱潮。而貴州省以煤礦、磷礦為資源誕生的煤化工、磷化工生產產業屬于高碳排放行業，特別是煤化工，因為其原料煤炭中的氫/碳原子比大約為0.2～1.0，在煤氣化制合成氣，再制備合成氨、甲醇和其他烯烴類物質，以及煤液化過程中都會有大量的碳以二氧化碳或其他碳氫化合物的形式產生。在煤、磷化工生產過程中，為了減少碳排放，推動行業向綠色低碳方面的發展轉變，無論是采取優化產業鏈布局、細化或是研發、生產新能源材料，抑或是采取有效的節能減排措施，都離不開對生產物料體系的分析優化、對物料所在反應器系統的結構優化改造及對物料在反應器內部的混合傳遞性質進行優化考慮。

而在化工類專業課程中，“化學反應工程”恰恰是對物料反應器進行設計、優化的一門課程。“化學反應工程”是以各種化學生產加工過程為背景，將內在本征化學反應與外在的動量、熱量和質量三種傳遞過程有機結合起來研究其綜合的宏觀反應過程，進而對化工反應器進行設計與優化。在課程教學內容中的對反應器設計優化處處體現著綠色、低碳、環保以及提升反應效率理念。該課程素質目標包含有激發學生學習化工專業興趣、引導學生思考與提問、掌握(反應器選型和設計)技能、培養化工工程思維能力、培養愛國情懷、增強綠色低碳環保意識等多個方面[3]。課程體系內容恰恰是化工行業實現“雙碳”目標的有效路徑。

通過以上三個方面表述可以看出，將實現“雙碳”目標這個國家重大需求為出發點與課程思政建設融合在一起，恰好符合“化學反應工程”授課內容及目標，又可提升學生對專業的認可度，大有可為。

1 碳中和與化工專業建設

化工類專業主要目的是培養工程類人才，在碳中和時代背景下，培養新層次符合社會需求及科技變革規律的新型工程師成為人才培養工作的重要課題。貴州理工學院化學工程與工藝專業正在進行工程教育認證工作，工程教育與實現碳中和的目標相輔相成，碳中和為工程教育指出了培養具有哪方面素質的工程人才，為工程教育明確了培養方向，也是未來化工工程人才的就業發展方向。工程教育注重生態環境與工程經濟相協調、人文價值與生產技術相統一的培養特征，其內涵和實踐途徑也會在現如今的雙碳目標下不斷得到完善[4-5]。另一方面，實現雙碳目標的過程正是踐行工程教育的重要載體，具體表現為高校在教育教學策略方面注重與生態環境保護相結合的工程類課程學習、強化具有多學科交叉融合特性的工程項目設計以及采取以學生為中心的工程學習策略。因此，未來化工類工程教育必須體現雙碳目標下特殊的工程實踐特性與創新性。

化工類專業教育要時刻與現代新興產業的發展需要保持高度一致，需要以多學科交叉融合為出發點，積極探索和實踐應用型人才培養模式，培養符合產業需求的卓越工程型人才[6]。雙碳目標正是社會對產業提出的變革要求及目標，需要對傳統行業進行變革與創新，發展新興產業。這就需要將雙碳目標與化工專業培養有機結合，以行業創新帶動復合型人才培養，探索雙碳目標下特色鮮明的化工人才培養模式。此外，高校教育的立身之本在于立德樹人，在傳授知識的同時傳播崇高的理念。馬克思主義哲學告訴我們，人與自然需要和諧相處，而碳中和正是這種思想的具體體現，因此，碳中和可以作為化工類課程思政教育的重要組成部分，碳中和思想既是人類社會可持續可持續發展理念，也是現代化工工程人才應承擔的時代使命和責任擔當，將碳中和作為化工類課程思政元素融入學生課堂，可以切實有效地提高專業課程育人能力，發揮課堂教學育人的主渠道作用。

2 結合雙碳目標的“化學反應工程”課程建設

在調研學生學情的基礎上、熟悉學生對于“化學反應工程”的難點、痛點之后，有針對性地進行教學方式的建設；查閱文獻，調研貴州煤、磷化工企業，構建“化學反應工程”課程體系，設置能夠凸顯煤、磷化工實現“雙碳”目標的項目化內容及資源案例庫；搜集案例，從新聞、實事、科技前沿、發明/發現及發展變化歷程中深度挖掘課程的思政元素，并建設有效可行的思政元素的融入方式，做到潤物無聲；構建結合貴州煤、磷化工特色以及思政內容的“化學反應工程”課程教學評價模式。

在授課過程中，融入的素質教育目標的具體思路舉例如下：

(1)“三傳一反”結合馬克思主義哲學辯證思維。“三傳一反”是指質量傳遞、能量傳遞、動量傳遞和化學反應，其最本質的科學依據是質量守恒、能量守恒、動量守恒及化學反應動力學基礎。從大自然和人類社會發展的歷史中提取出來的唯物辯證法中將上述守恒闡述為“質量互變規律”“對立統一規律”及“否定之否定規律”等。化學反應的反應器中流體流動、混合以及從固定床到流化床、氣流床的過度也正是反映量變產生質變的典型實例。可見，辯證法描繪的科學規律與課程中“三傳一反”的基本工程原理體系在本質上是相似的。此外，影響反應器效率的因素也包含主觀因素和客觀因素，辯證統一地認識各因素之間的差異及耦合關系，是解決實際問題的關鍵。雙碳目標的實現、“零碳”技術的開發也是碳元素在守恒規律下不同物質形式的轉變技術[7]。

(2)研究方法映襯理論聯系實際。“化學反應工程”涉及流體流動、熱量傳遞、物料傳遞、物料停留時間、物料及熱量返混等，這些理論研究均是經過“理論聯系實際、從實踐中來到實踐中去”才總結出來的精華所在。這些研究總結過程與中國共產黨一直堅持的理論聯系實際的思想路線完全一致，一個是自然科學，一個是社會科學，都遵循著同樣的哲學原理而不斷發展前進著。

(3)將中國元素融進工程知識。講到漿態床反應器時，以2020年6月刷新世界極限制造記錄、問鼎世界之最的中國一重公司設計制造的全球首臺3000噸大型漿態床反應器為例；講反應器的選型設計時，以我國自主研發的針對貴州低品位磷礦資源的開發而設計的高爐法磷酸設計和我國科學院院士閔恩澤在磁穩定床反應器方面的研究工作為例；講到流化床反應器時，以我國自主開發的采用流化床將甲醇轉化為丙烯的工業技術為例，以“雙碳”背景下，恒力石化向新型可降解塑料產品調整設計的反應器為例，清華大學為貴州甕福設計的磷酸鐵鋰產品工藝為例，等等。將中國元素融入在教學工程中，使愛國主義、核心價值觀、責任感、使命感“四個自信”躍然心中。

在授課過程中，具體可以采用的教育案例舉例如下：

(1)在“氣固相催化反應動力學”教學過程中，引入中國催化劑的發展歷程，如夏商時期采用酵母菌釀酒、中世紀采用硝石催化劑制取硫酸、石油化工、煤化工技術，直到現代工業催化技術，讓學生感悟先輩們的古老智慧，傳承及發揚傳統文化，推動工業發展；引入雙碳目標下開發的先進二氧化碳的催化轉化技術；引入最新光催化水解制氫的研究進展，設計催化劑借助太陽光的能量促使水分解為氫氣和氧氣，制備潔凈能源，助力雙碳目標的實現，讓學生感悟催化技術在化工生產中的重要作用及實現雙碳目標的技術瓶頸。

(2)在“反應器的設計選型”教學過程中，引入“國旗紅”染料的研發過程，介紹沈陽化工研究院經過反應釜的不斷改進于1952年成功自主研發出色澤鮮艷、耐光、耐熱、永不褪色的“國旗紅”染料，從此五星紅旗有了完全國產的專用燃料，徹底打破了我國紅色染料依靠進口的局面，讓學生感悟反應器對產品性能的重要影響，體會通過反應器的優選設計可以實現降低反應能耗、減少碳排放的目的，同時學習中國化工人的耐心與毅力。

(3)在“氣液反應工程”教學過程中，引入低溫甲醇洗脫碳工藝，介紹氣相和液相接觸、反應及工藝特性，學習化工生產中有效除去混合氣體中二氧化碳的一種工藝，促使學生建立減碳思維方式，共同為實現雙碳目標而奮斗。

隨著課程改革及專業認證的不斷深化，化工專業課程的重點已經成為培養各學科領域交叉融合、善于創新、同時具有家國情懷的應用型人才。以國家重大需求為切入點，同時按照國家教育方針政策，將我國先進技術、科學家治學經歷等思政元素有效地融入專業課程教學中，實現將專業課程的“學什么”“怎么學”與思政內容的“為什么學”和“有什么用”有效地結合起來，完美地實現了高校教書育人目標。在課程教學方法上，為了充分發揮學生的主動性，可以采用問題導向式教學方式，如下圖所示，即在上課前針對該章節內容設計若干問題作為學習任務單，并將其發給學生，學生查閱資料文獻，有準備地進入課堂中，在課堂中進行探討甚至各組之間爭辯，課后完成相應的反應器計算作業[8]。

問題導向式教學過程圖

結語

化工類專業課程“化學反應工程”應該結合目前雙碳大背景將思政教育內容融入課程建設當中，更好地實現教書育人的作用，課程建設可以通過以下四個方面進行：

(1)創新課程體系及資源建設，將較新的固定床、流化床、釜式反應器以及管式反應器設計結構以及新技術演變的思路方式穿插在課程當中，將企業車間實際生產方式穿插在課程當中，讓學生在學習課程理論知識的同時，感悟創新思維、勇攀科技高峰、不斷進取的精神，增加“雙碳”背景下化工行業的大變革，強化現代化工生產技術變革；

(2)思政融合型教學團隊建設，團隊教師成員多參加課程建設培訓活動，積極參與企業實踐，強化自身工程實踐背景，搜集更多的反應器工程實例，更好地實現理論聯系實際；

(3)素材案例庫的建設，項目團隊成員可以從我國化工的發展歷程中選取優秀案例，比如“雙碳”背景下煤、磷化工轉型過程中出現的新型反應器等，讓學生在了解我國化工行業的專家在做什么和怎么做的同時，建立節能減排、綠色低碳的生活，生產思想觀念；

(4)課程評價體系優化，在課程評價過程中，應充分考慮學生平時能力的考核以及課外評價和課內評價的結合，比如，加入項目PPT匯報的考核(讓小組學生查閱本領域專家的研究、治學經歷，作匯報交流，納入到作業分值中)以及學生進行文獻檢索大作業，對“雙碳”背景下化工行業的轉型及涉及的反應器系統進行文獻調研，了解目前國家重大急需領域、學術研究進展以及感受科學家們的報國和治學情懷。