雙碳目標下低碳理念融入“化工原理”教學的初步探索

郭紅霞

（華北理工大學 化學工程學院，河北唐山 063210）

由于CO2過量排放而帶來的溫室效應、全球變暖、環境污染和能源危機等，已成為世界各國越來越關注和亟待解決的緊迫問題。作為世界上最大的能源生產和消費國，我國已向世界提出2030年“碳達峰”和2060年“碳中和”的目標，因此在高校教學過程中，如何恰如其分地引入低碳理念、助力實現“雙碳”目標顯得尤為重要[1]。

“化工原理”課程是化學工程學科的重要基礎，在培養學生創造性思維、綜合設計能力和工程實踐能力方面均占有極其重要的地位[2]。在教學過程中融入低碳理念，可以圍繞綠色環保、節能降耗、資源的可持續利用與發展、低碳新能源技術等領域展開。在講授流體流動、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過程中，培養學生的工程創新能力與追求化工原理真理、服務化工大國重器的職業素養（基本策略如圖1所示）。

圖1 “化工原理”教學中低碳理念融入的基本策略

1 低碳理念融入“化工原理”的教學內容

“化工原理”課程中流體流動、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的綠色環保、節能降耗、資源的可持續利用與發展、低碳新能源技術等低碳理念密切相關（圖2）。因此，如何將課堂講授的教學內容與低碳理念恰如其分地聯系起來，對于提高學生的職業素養至關重要。

圖2 “化工原理”教學內容與低碳理念之間的關系

1.1 綠色環保領域

元素經濟性和零排放是實現綠色化工的終極目標，將單元操作過程中產生的廢水、廢氣、廢渣等進行資源化再利用，使所有化學組分被充分利用，是實現綠色環保的重要一環[3]。比如在講授沉降單元操作過程中，將工業生產中的煙氣除塵等氣體凈化過程與低碳理念相結合，使學生理解產品回收與安全生產的意義所在。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生產過程中排放到大氣之前必須對其進行處理。將知識點與實際生產案例相結合，讓學生深入理解理論聯系實際的重要性。

1.2 節能降耗領域

化工行業作為高耗能行業，節能降耗作為可持續發展的有效途徑之一，應該貫穿于“化工原理”教學過程中（比如流體流動、傳熱、吸收、精餾、干燥等單元操作）[4]。這對于增強學生節能降耗、低碳生活的意識起到了重要作用，同時強化其責任擔當，努力為“雙碳”目標的實現貢獻一份力量。

比如在講授流體流動過程中，強調節能途徑[5]。在講授傳熱單元操作過程中，強化傳熱與削弱傳熱進行保溫等措施實現節能。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能設備時，為盡快實現“雙碳”目標，對余熱進行合理回收與利用也是其中重要的一環。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到節能降耗的目的；多段吸收過程由于具有較小的傳質阻力，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的速率，同樣可以減少能量的消耗。精餾操作中介紹實際工業生產過程中的熱泵技術，將精餾塔塔頂的低品位熱量傳輸到精餾塔塔底，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、節能的傳質設備，進一步拓寬學生的知識視野。

1.3 資源可持續利用領域

對生產過程中的資源進行可持續利用，也是實現“雙碳”目標的有效途徑之一。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注的CCUS（即碳捕獲、利用與封存）技術。此技術可以將生產過程中排放的CO2進行封存，或者進一步提純后進行循環再利用。CCUS 技術可以將CO2進行資源化再利用，產生附加的經濟效益，是實現“雙碳”目標中具有發展潛力的技術之一，因此得到世界各國的關注。此外，介紹超臨界CO2用作萃取劑等資源回收的實例。上述舉措為學生拓展碳捕集與利用的相關前沿研究，一方面讓學生認識到資源可持續利用的重要性，另一方面鼓勵學生勇于創新，甘于奉獻，為服務國家富強、民族復興、人民幸福以及社會進步貢獻自己的力量。

1.4 低碳新能源技術領域

隨著我國經濟的快速發展，大力發展清潔新能源產業，以盡量降低對傳統化石能源的依賴程度，從而減少環境污染。比如在講授膜分離技術中，列舉合成氨尾氣中H2的回收、煉油工業尾氣中H2的回收工藝等，介紹采用膜分離技術進行H2分離回收的工作原理。不僅讓學生掌握膜分離這一當前氣體分離應用最廣的技術之一，而且讓學生深刻認識到發展多樣化新能源技術的必要性，充分利用太陽能、風能、水能、地熱能等，為社會發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”的教學設計

采用線上線下混合式教學模式，激發學生主觀能動性，同時采用PBL式、啟發式、案例式教學，將教學內容與實際工業應用、科研課題結合。通過翻轉課堂教學模式對部分教學內容進行專題討論，培養學生獨立思考、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。在教學過程中，采用PBL（Problem Based Learning）教學法結合翻轉課堂的教學設計，以發現問題、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，激發學生積極主動學習，以培養學生創新理念、邏輯辯證的思維方法、綠色低碳的價值觀以及家國情懷為教學目標（圖3）。課前教師在“學習通”發布課前任務，查閱文獻資料并進行歸納總結，讓學生首先初步了解CO2氣體的特點、各種有機胺吸收劑的基本性質與捕集性能、填料塔傳質性能以及有機胺吸收技術等。課上，教師首先由“雙碳”目標引出目前研究比較熱的有機胺吸收技術，在此基礎上，引導學生思考與討論有機胺吸收技術中吸收劑用量如何確定。學生在回顧吸收操作線方程相關知識點之后，分組進行翻轉，通過ppt匯報，相互深入討論，并在教師的引導下總結歸納，最終掌握本講課的知識目標-吸收劑用量的確定方法。通過形成性評價考查學生的掌握程度，然后進行相關典型例題的解析。最后教師引導學生對本講課進行總結歸納與知識拓展。課后教師及時進行教學反思，以便進一步改進教學方法；學生針對總結歸納的知識點，完成相應的課后作業，以便達成本講課的能力目標和素質目標。在整個教學過程中通過低碳理念的融入，引導學生樹立低碳生活的價值觀，立志為推進國家生態文明建設、促進社會全面發展貢獻出自己的一份力量。

圖3 PBL教學法結合翻轉課堂的教學設計

3 低碳理念融入“化工原理”的教學資源建設

為更好地實現教學過程中融入低碳理念，分別對線上與線下課程資源進行建設。由于課堂上的教學時間有限，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“學習通”線上教學平臺，在通知中定期發布通知，實現對學生隨時隨地的思政浸潤。具體的知識點與思政點的融合見表1，“學習通”中發布的思政小課堂實例如圖4所示。錄制“萬個小視頻”教學資源，將其設置成任務點，發布在“學習通”的學習資源中。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備等方面出發，進行線下教學資源的建設。

表1 思政小課堂教學資源建設中知識點與思政點之間的融合

圖4 “流體流動”章節思政小課堂在“學習通”中的發布實例

4 教學效果評價

在教學過程中融入低碳理念，通過顯性教育和隱性教育相結合，實現價值觀引領，使學生將所學基本理論與最新的國家發展需求有效關聯，達到學以致用的目的。然而，低碳理念是否建立，仍需要在實踐中進行檢驗。在過程性評價與期末考核過程中，將相關內容納入考核范圍，教師會設計一些相關題目，讓學生進行選擇或者設計，以檢驗學生是否具有低碳理念。

課程考核以考核學生能力培養目標的達成為主要目的，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習、章節測驗、章節學習次數、作業、單元考試、課程互動和翻轉課堂分組任務七部分，在總成績中占50%。作業、考試、任務點等的評價標準依據教學大綱的規定，以“學習通”系統中導出的學生成績為依據。期末考核為閉卷考試，以卷面成績的50%計入課程總評成績。教學大綱中的課程目標5主要考查學生對復雜化學工程問題形成多種解決方案，并進行分析和評價，確定特定條件下最優的解決方案，體現經濟、節能低碳、環保等理念，此課程目標的達成度體現出低碳理念融入的教學效果。在課程結束后，首先通過在“學習通”發布關于課程目標達成情況的問卷（圖5），據此掌握學生課程目標的達成情況。期末考核后，完成課程目標達成度報告。2017 級化學工程與工藝專業1、2、3 班共有71名學生，根據學生成績散點圖（圖6）分析可見，其達成度評價值為0.357 5，表明大部分同學需要提高針對單元操作中不同方案的分析和評價能力，確定特定條件下最優的解決方案，進而提升對經濟、節能、環保等低碳理念的認知。2018級化學工程與工藝專業1、2、3班共有74名學生，其達成度評價值為0.631 2（圖6），表明大部分同學對經濟、節能、環保等低碳理念有了深刻認識，此結果與問卷調研的課程目標達成情況一致。可見通過此教學改革，課程目標5的達成度明顯提高。此外通過對比2017與2018級整體課程目標達成度（圖7），與2017級相比，2018級整體課程目標達成度也有明顯提高。

圖5 “學習通”中2018級化學工程與工藝專業課程目標5達成情況調研問卷

圖6 2017與2018級化學工程與工藝專業課程目標5達成度

圖7 2017與2018級化學工程與工藝專業整體課程目標達成度

在此基礎上，在畢業設計階段，指導學生圍繞綠色環保、節能降耗、資源的可持續利用與發展、低碳新能源技術等對工藝單元進行計算與優化，切實踐行低碳理念，厚植家國情懷，以便真正實現產出導向和價值引領。

5 結束語

通過將低碳理念融入“化工原理”課程教學過程，從綠色環保、節能降耗、資源的可持續利用與發展、低碳新能源技術四個方面出發，緊密圍繞“碳中和”目標，提高教學質量，激發學生學習興趣。通過踐行低碳理念，實現理論知識與教師科研、工業發展以及國家發展需求緊密結合，培養學生創新意識和實踐能力。此外，通過課程案例體系的建設，對于提高“碳中和”目標下教學質量和人才培養均具有積極的推動作用。