化工原理熱量傳遞過程的課程思政教學實踐

劉榮，曹陽，余曉清，高軼群，謝貴明

(貴州大學 化學與化工學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

2014 年4 月教育部印發的《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》指出“立德樹人是發展中國特色社會主義教育事業的核心所在，是培養德智體美全面發展的社會主義建設者和接班人的本質要求”[1]。2020 年5 月教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》明確“落實立德樹人根本任務，必須將價值塑造、知識傳授和能力培養三者融為一體、不可割裂”。《綱要》要求“工學類專業課程，要注重強化學生工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當”[2]。

化工原理是高校化工及相關專業學生的一門重要的專業基礎課[3-4]，在化工、釀酒、無機等專業培養中起著承前啟后、由理及工的橋梁作用。課程主要研究化工生產過程“三傳一反”中的“三傳”過程[5]。隨著“立德樹人”這一教育核心不斷深入落實到專業課程中，化工原理正成為當代化工類專業學生思政教育的主講堂，探索化工原理思政融入已成為刻不容緩的研究課題。

1 課程發展現狀

貴州大學化學工程與工藝專業于2018 年通過了工程教育專業認證，化學工程與工藝和釀酒工程專業2019 年獲批國家級一流本科專業建設點，2020 年過程裝備與控制工程、無機非金屬材料工程和環境工程專業獲批省級一流本科專業建設點。作為以上化工類專業的核心課程，在化工原理教學團隊不斷改革、創新中，近年來獲得了貴州省教學成果一等獎一次和貴州大學教學成果特等獎和二等獎各一次的榮譽，該課程目前已建設成為貴州省的省級“金課”。

教學團隊積極開展課程思政，以“立德樹人”為核心挖掘課程思政元素，以知識傳授和能力培養為基礎構建課程思政框架，讓化工原理課程不僅局限于在理論與實踐、基礎和專業之間修路搭橋，還要融價值導向于專業能力培養之中。本文以化工原理傳熱章節為例，從教學目標、教學內容及教學方法等方面進行課程思政融入的改革與探索，結合知識點在政治認同、家國情懷、職業操守、科創精神四個思政方向上挖掘思政元素，探索實踐化工原理課程思政教學方法。

2 學情分析

目前在化工原理的學習過程中，學生仍存在一些問題。首先，學生對理論知識中工程概念不理解、工程觀念不強，并且靠死記硬背的繁多公式難以熟練運用于工程研究方法進行工程計算，造成了學習效果不好，削弱了學習積極性。其次，學生在理論聯系工程實際解決復雜工程問題時工程觀點和經濟觀點不強，并且在進行化工基本運算時常因碰壁而選擇放棄，養成不良的學習態度。最后，教師在教學中習慣性地注重知識傳授和能力培養，而忽略了價值塑造，造成一些不良現象發生，如學習好的同學只顧自己考高分拿獎學金，不參與對自己沒有益處的活動，養成了精致的利己主義；學習差的學生不是靠自身努力通過考試，而是集中突擊學習，不求甚解，只想要“六十分萬歲”。

特別在傳熱章節教學中，由于知識點專業性強，學生出現在課前不預習或預習中對基本概念不清、工程觀念不強等情況，例如，對傳熱的三種基本方式和換熱器的三種分類等概念混淆；對尚未學習的蒸發、蒸餾、干燥等單元操作沒有基本概念；也理解不了傳熱過程在這些單元操作以及化工生產線中的具體應用。由于知識點內容多，在課中學習時存在基本原理不明，公式容易混淆等情況，例如對數平均溫度差法和熱傳效率ε-傳熱單元數NTU 法的推導關系理不清，對復雜公式記不住，例如，ε-NTU 關系公式：

除此之外，理論不能緊密聯系實際，在課后作業中不能將工程觀點和經濟觀點運用在實際工程問題的解決上，如，在分析強化傳熱工程措施時，能夠利用所學的傳熱速率方程式：

提出強化傳熱要從總傳熱系數K、傳熱面積A和傳熱溫度差Δtm三個方面進行強化，但具體到工程措施就無法展開，理論與實際脫節。在換熱器課程設計的工藝尺寸設計計算時，不能對設計參數作出正確的選擇和判斷，只注重理論解析，而不考慮經濟因素。

3 教學目標

教學團隊從專業課程在大學生思政教育中扮演的角色出發，完善課程教學目標[6]，提出“知識傳授、能力培養、價值塑造”三者應合而為一，讓化工原理在思政教育中充分發揮作用，培養學生運用馬克思主義哲學思想分析和解決復雜工程問題的能力，為社會主義現代化發展添磚加瓦。

(1)知識傳授目標

通過學習傳熱，學生要了解傳熱的三種基本方式、傳熱速率、熱阻以及傳熱在化學工業中的應用；理解溫度場、溫度梯度、熱導率等基本概念；掌握傅里葉定律、牛頓冷卻定律等傳熱基本理論；熟練掌握平壁、圓筒壁等熱傳導的計算方法；能綜合利用傳熱速率方程式和熱量衡算式對間壁對流傳熱的工程問題進行分析和計算；能結合工程觀點和經濟觀點對換熱器進行工藝設計。通過對傳熱章節的學習，學生還要能梳理出類似圖1 的傳熱章節知識體系樹形圖，建立章節知識體系。

圖1 傳熱章節知識體系樹形圖

(2)能力培養目標

在熟練掌握傳熱基礎知識的基礎上，利用自然界中的傳熱和工程傳熱案例培養學生分析和解決問題的能力，通過在實驗中增設科研訓練內容來驗證學生的自主學習能力與成果；結合換熱設備的設計及應用，培養學生理論結合實際，用工程觀點和經濟觀點結合理論知識解決設計型、操作型復雜問題的綜合能力；建立“以人為本、工程與自然、工程與社會協調發展”的工程觀點，培養學生“創新優化、安全環保、團隊協作”的工程思維能力。

(3)價值塑造目標

課程教學融入思政案例，通過科學家人物簡介，培養學生善于觀察、勇于思考、不斷探索的科學家精神；利用我國重大工程建設案例講解，培養學生自主創新的家國情懷；用科學方法論培養學生務實、嚴謹的科學態度；結合全球氣候變化和我國“雙碳”政策，強化學生的安全環保意識，樹立綠色發展觀。在知識傳授和能力培養的同時，培養學生理解社會主義核心價值觀，堅定理想信念，從而樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。

4 傳熱教學內容及方法

熱量傳遞過程是化工生產乃至工業生產中應用最廣泛的單元操作之一，是化工“三傳”過程的重要組成部分。傳熱過程遵循傳熱基本規律，是以熱量傳遞理論為基礎研究的一類傳遞過程[7]。在教學過程中，從基本概念的引入、基本定律的介紹，再到間壁對流傳熱雙膜模型的分析、計算公式的推導，最后將所學知識用以解決復雜工程問題。如何在教學中融入思政元素，利用思政案例吸引學生關注和思考知識點，提升學生解決復雜工程問題的能力，實現知識傳授、能力培養和價值塑造的完美融合，是需要面對并解決的一大課題。化工原理教學團隊從學情分析出發，構建傳熱章節思政關聯圖，對課程思政教學精心設計，并在教學中進行實踐和探索。

4.1 思政關聯圖

熱量傳遞過程的教學內容主要包括傳熱方式、熱傳導、熱對流、熱輻射和傳熱設備等，該章節以傳熱基本原理為基礎，圍繞傳熱速率方程式和熱量衡算式展開，從對數平均溫度差法和傳熱效率-傳熱單元數法兩方面解決復雜工程傳熱問題。團隊根據相關知識點，篩選思政元素，繪制傳熱章節課程思政關聯圖，如圖2 所示。

圖2 傳熱章節思政關聯圖

4.2 教學設計及實施

根據化工原理課程思政教學目標，以傳熱章節思政關聯圖為引導，結合學情分析，進行“課前、課中、課后”[8]全時域的課程思政教學設計，使化工原理教學既能由簡入繁地傳授專業知識，又能潤物無聲地塑造正確“三觀”。

(1)課前導學

結合傳熱知識點，以世界最高綠色建筑-上海中心大廈為例，制作傳熱章節預習課件并在課前發送給學生完成預習。學生在預覽課件時，首先了解到世界最高的綠色建筑坐落于上海，是由我國首創修建的上海中心大廈，頓時提升學生的民族自豪感，同時也能吸引學生繼續預習并思考問題，如：什么叫綠色建筑、它跟傳熱過程有什么關系、為什么上海中心大廈可以看作是一個巨型“熱水瓶”。此外，無形中也會形成一些認知，例如，我國工程技術人員建成世界最高的綠色建筑，他們通過技術手段創新性地在上海中心大廈的建設中實現節能減排，為綠色建筑的推廣運用做了良好的榜樣，代表建筑行業推動我國加快實現“碳達峰、碳中和”的環保目標，同時也認識到了學習傳熱相關知識的重要性。最后以預習課件為引子，引導學生圍繞傳熱積極進行線上討論，例如尋找和發現身邊的傳熱過程和現象，并分析其原理和過程，激發學生學習傳熱相關知識的欲望[9]。

(2)課中研學

基本概念講解：課堂上采取以小見大、由簡入繁的方式，首先引導學生探尋日常生活中的傳熱現象，如：穿衣保暖、加熱食物、空調消暑、汽車尾氣等現象，分析其中的傳熱過程和原理，提高學生學習興趣的同時，培養學生善于觀察和思考的科學精神。其次引入工程案例，討論其中的傳熱現象和過程，例如，預習課件中的世界最高綠色建筑—上海中心大廈[10]和國家重大工程—港珠澳大橋等，在實際案例中培養學生的工程觀念，提升學生分析和解決復雜工程問題的能力[11]。最后回歸到傳熱在工業生產中的應用，如：化學反應過程中的傳熱、單元操作過程與傳熱、節能環保與傳熱、清潔生產與傳熱等，將例子有機融入到專業知識的講解當中。

公式推導及運用：在給熱系數知識點講解中，要揭示給熱系數的主要影響因素及其內在聯系，并推導出具體計算公式。由于常規數學模型法難以探尋各因素間的關系，因此引出量綱分析法[12]，該方法是在經驗和實驗的基礎上，根據物理定律的量綱一致性原則和白金漢的π 定理[13]，將多個變量組合成數目較少的無因次變量，然后求取無因次變量間的函數關系，再按無因次變量組織實驗，使實驗次數大為減少、實驗工作簡便易行，并且實驗結果能體現各變量之間的關系[14]。綜上所述，該知識點講解體現了以科學的方法論為指導，探索并揭示了傳熱過程的基本規律，讓學生在深刻理解復雜公式的同時，也培養了學生認真細致、科學嚴謹的學習和科研態度。

專業知識拓展：在學習輻射傳熱基本概念后，結合全球氣候變化這一國際熱點問題拓展視野，了解溫室氣體種類及溫室效應的基本原理，認識我國及國際有關碳排放的相關政策和文件，激勵學生努力學習科學知識。一方面從自身做起，做一個環保主義者，另一方面積極探索新知識，創新科技，利用知識為我國環保事業作貢獻，助力我國實現“雙碳”目標，建設地球生命共同體。

(3)課后實踐

課后作業除了甄選一定量有關基本概念、工程計算和復雜工程問題的題目考查學生專業知識掌握情況外，還應結合課前預習課件及課中傳授的知識點(如世界最高綠色建筑—上海中心大廈)設計相應的題目進行討論，培養學生在熟練掌握傳熱基本原理的基礎上，對復雜工程問題進行剖析。此外在課程實驗和課程設計實踐教學環節中，重點培養學生獨立思考、科學嚴謹地分析解決復雜工程問題[15]以及團結協作、高效高質量完成工程生產和設計任務的能力[16]，進一步理解專業知識的重要性，樹立學好知識為國家作貢獻的責任感，在實現自身價值的同時，推動祖國社會經濟發展，實現中國夢。

5 結語

本文以化工原理“三傳”過程中的熱量傳遞過程為例，以“立德樹人”為教育核心設立了知識傳授、能力培養和價值塑造三個層次的教學目標，深入挖掘與傳熱知識相關的思政元素，創建傳熱章節課程思政知識圖譜，結合學情分析設計“課前-課中-課后”全時域的課程思政教育方案，在傳道、授業、解惑中潛移默化地融入思政元素，實現專業知識傳授與正確“三觀”塑造的融合統一，為我國社會主義現代化建設培養德才兼備的工程人才。