面向“雙碳”目標人才培養的工業化學課程教學改革探索與實踐

王慶鋒 馬艷娥 汪曉男 段成紅

基金項目：北京市與中央共建人才培養項目“以拔尖創新人才為目標的機械類專業實踐教學的改革與實踐”（JWGJ201912）；北京化工大學機電工程學院教改項目“大學生教學做合一班級創新團隊模式建設探索研究”（B202220）

第一作者簡介：王慶鋒（1972-），男，漢族，山東聊城人，博士，教授，碩士研究生導師。研究方向為旋轉設備預測與健康管理、高等教育管理。

*通信作者：馬艷娥（1972-），女，漢族，河北衡水人，碩士，講師，碩士研究生導師。研究方向為高等教育管理。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.032

摘? 要：為培養“雙碳”目標高等教育緊缺專業人才，過程裝備與控制工程專業工業化學課程“教”與“學”的模式需要與時俱進，改變以教師為中心的教學模式，建立以學生為中心的教學模式勢在必行。該文針對工業化學課程教學過程中存在的“雙碳”目標教育內容不足問題，初步探索通過增加綠色工程教育內容、實施項目驅動教學、建設跨學科的工業化學師資隊伍和建立與“雙碳”目標人才培養相適應的教學評價方法等措施來提高教學質量，并提出“雙碳”目標下工業化學課程體系改革建議，為培養“雙碳”目標緊缺人才提供參考和應用實踐。

關鍵詞：“雙碳”目標；綠色工程；教學模式；項目驅動教學；教學評價

中圖分類號：G642? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）19-0135-04

Abstract： In order to cultivate the shortage of professional talents in higher education with dual carbon objectives， the "teaching" and "learning" mode of industrial chemistry course of process equipment and control engineering needs to keep pace with the times. It is imperative to change the teacher-centered teaching mode and establish a student-centered teaching mode. Aiming at the problem of insufficient content of dual-carbon target education in the teaching process of industrial chemistry course， this paper preliminarily explores the measures to improve the teaching quality by increasing the content of green engineering education， implementing project-driven teaching， building interdisciplinary industrial chemistry teachers， and establishing teaching evaluation methods suitable for the cultivation of dual-carbon target talents， and puts forward suggestions for the reform of industrial chemistry curriculum system under the dual-carbon target. The research is to provide reference and application practice for the cultivation of dual-carbon target talents.

Keywords： "double carbon" target; green project; teaching mode; project-driven teaching; teaching evaluation

“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等各大會議上確立的綱領性文件，為我國工程教育改革探索出一條新路徑[1]。新工科建設強調在實踐中開展研究，在研究中解決實踐問題。實踐教學是過程裝備與控制工程專業人才培養的重要組成部分，也是當前高校緊跟“雙碳”目標需求、強化新工內涵建設的重要手段[2-4]。2022年教育部印發的《加強碳達峰碳中和高等教育人才培養體系建設工作方案》為高校新工科人才培養與高等教育改革指明了方向[5-6]。工業化學是過程裝備與控制工程專業的專業核心課；它運用化工過程的基本原理，闡明化工產品的生產方法、工藝原理、典型流程、關鍵設備、工藝操作條件與節能減排途徑；通過學習典型的化工生產工藝過程，使過程裝備與控制工程專業學生熟悉化工工藝方面的基本知識及化工計算的基本方法，掌握化工生產過程基本組成、單元操作及分類、工藝條件與過程裝備的關系。相關數據顯示，截至2020年底我國石化化工行業碳排放總量接近14億噸，占全國碳排放總量的12%左右[7]。“雙碳”目標下，工業化學課程在培養綠色低碳新工科人才方面發揮著重要作用。傳統的過程裝備與控制工程工業化學課程教學存在綠色低碳教育內容不足，如何通過強化綠色工程教育[8]并增加智能優化制造技術教學內容、執行項目驅動教學課程實施方案[9]、培養碳達峰與碳中和工業化學師資隊伍等措施來培養“雙碳”目標急需人才，積極探索“雙碳”目標下的工業化學課程實施方案和人才培養模式，是當前工業化學課程教學迫切需要解決的問題。本文以工業化學教學實踐為例，介紹了北京化工大學機電工程學院面向“雙碳”目標人才培養的教學改革探索和實踐[10]。

一? 工業化學課程的特點和傳統教學方法、教學內容存在的不足

（一）? 工業化學專業課程特點

1? 工程實踐性強

工業化學課程是一門理論聯系實際、應用性較強的課程，本課程選擇石油煉制、石油化工、工業制硫酸、工業制純堿、氨合成、甲醇合成、尿素合成典型化工過程及設備的生產工藝作為教學內容，主要介紹將原料經過化學和物理變化生產化工產品的方法和過程。掌握化工工藝特點和工藝條件，理解化工設備的結構、原理和功能都需要豐富的工程實踐知識。工業化學課程需要緊跟化學工業前沿工程技術的最新實踐開展教學，比如：發展氫能新能源工業是達到“雙碳”目標的重要途徑，干氣制氫、電解制氫、水煤氣制氫、甲醇裂解制氫、氫油制氫和重油制氫等工藝路線呈多樣化發展；制氫工藝路線的選擇不僅僅考慮技術可行性、經濟合理性，還要考慮能源消耗、CO2排放強度等指標。

2? 專業基礎性強

學好工業化學課程，教師和學生都要具備化工原理、工程材料、工程熱力學專業基礎知識，還需要掌握流體機械、過程裝備與控制工程技術等方面的專業知識。理解過程裝備在化工工藝生產中的地位和作用，還要熟悉流體輸送、過濾、混合、換熱、蒸發、干燥、結晶、蒸餾或精餾、吸收、吸附、粉碎、顆粒分級和流態化等單元操作基本知識。工業化學課程教學需要跨學科、跨領域的專業師資隊伍。能夠綜合運用自然科學、工程技術和科學基礎知識，針對典型化工過程問題，運用理論分析、數值模擬和科學實驗，對涉及過程裝備的相關問題能夠采取科學合理的方法進行分析研究，包括建立分析模型、設計實驗，并得出有效可信的結論。

3? 工藝技術更新速度快

工業互聯網、大數據、人工智能等技術賦能流程工業生產工藝裝置，形成先進生產控制、分子煉油、數字孿生等智能制造技術，為化工生產過程綠色化、智能化提供了支撐技術。先進過程控制技術（Advanced Process Control，APC），它將化工工藝、化學工程、計算機、儀表、過程控制理論與先進控制技術相結合，用于優化生產工藝操作，實現工藝生產的平穩性、連續性和綠色節能。分子煉油技術，它從分子水平來認識石油加工過程，準確預測產品性質，優化工藝和加工流程，提升每個分子的價值；它是提升石油煉制效率、降低煉油能耗的可行路線。數字孿生智能制造技術應用于化工生產裝置全流程優化運行，推動流程工業智能化綠色化轉型。

（二）? 傳統工業化學課程教學模式存在的不足

1? 理論和實踐結合不緊密

針對典型化工產品的生產方法、工藝原理、典型流程和關鍵設備的內容講解，一般從原料制備、化學反應、產品精制三個方面講解原料物經過單元過程或單元操作轉變為產品的化工生產過程。對于影響產品生產工藝連續性、平穩性、安全性和經濟性的單元操作、單元過程、裝備與過程匹配性的危險因素識別、預防控制措施及工藝流程的自動化控制與監測方法、先進過程控制技術很少在課堂上能夠聽到；學生在課堂上很難聽到老師講解工藝過程中的節能型設備、節能型工藝、節能型材料。工藝流程圖中單元操作、單元過程等知識點的講解，不與生產實踐需求相結合，難以培養學生解決工程實踐問題的能力。

2? 綠色工程教育內容偏少

綠色過程工程是人類和過程工業可持續發展的客觀要求，是當今國際過程工程科學發展的前沿，它吸收了當代化工、材料、信息等科學的最新理論和高新技術。從環境觀點看，它從源頭上消除污染；從經濟觀點看，它合理利用資源、能源來降低成本，符合經濟可持續發展的要求。在實踐教學中融入綠色工程教育理念，是培養“雙碳”目標人才的重要途徑之一。先進生產控制技術、分子煉油技術、數字孿生智能制造技術、高效催化合成技術、化工精餾高效節能技術、能源梯級利用技術、過程裝備無級氣量調節技術和軸端/級間密封等節能減排技術可作為綠色工程教育內容。傳統課堂教學內容未能做到與時俱進，在培養具有綠色工程教育資質的教師隊伍方面也難以取得實質性突破。

3? 滿堂灌教學模式弊病多

傳統的工業化學課程教學以教師為中心，以教師講述、講解、講演為主要方式來向學生傳授工業化學課程中單元過程、單元操作、工藝流程、裝備功能原理知識和技能等方面的知識，這種教學模式以完成教學大綱規定的教學內容為前提，老師講的多、學生參與少；平鋪直敘多、創設情景少；點狀發散內容多、結構知識少；結論性知識多、推理性分析少。滿堂灌教學模式，忽略了學生課堂學習質量，壓抑了學生對學習新知識的思維過程，扼殺了學生的創新創造力，學生機械地、被動地接受老師灌輸的知識，導致學生運用所學知識分析、解決問題能力較差。

二? “雙碳”目標下工業化學課程改革與探索

由以“教”為主向以“學”為主的教學模式發展，把教學內容設計為一個個既獨立又相互聯系的項目，圍繞具體項目開展教學，將教學與科學實踐有機結合，以學生為中心，通過讓學生參與并完成項目，提高其自主學習能力和工程實踐能力，創新形成以學生為主體、教師為主導、項目為主線的新型工業化學課程教學模式。

（一）? 增加綠色工程教育和綠色智能制造技術教學內容

1? 先進過程控制技術

先進過程控制系統是將整個生產裝置或者某個工藝單元作為一個整體研究對象，首先建立過程多變量控制器模型，利用模型預測生產過程的變化，通過提前調節多個相關的操作變量，提高裝置運行的平穩性。先進過程控制技術使裝置處于最優操作點附近運行（卡邊操作），從而最大限度地提高目的產品收率、降低消耗，增加經濟效益。

2? 綠色智能制造技術

黨的二十大報告提出要“推動制造業高端化、智能化、綠色化發展”，積極引導企業智能化綠色化轉型。綠色智能制造是以可持續發展理念為指導，將工業互聯網、大數據和人工智能等技術與自動化、精益生產、能效管理等先進生產運營技術相融合，并與通信技術、數字技術、能源技術協同應用于制造業的整個流程，如基于工業互聯網的智能運維技術、綠色智能工廠數字孿生技術等。智能制造實現生產過程的智能化、自動化和數字化，提高生產效率和產品質量。綠色制造實現在生產過程中盡可能減少對環境的影響，實現可持續發展。

（二）? 實施項目驅動教學

教學與科學實踐活動相結合，以學生為中心，以學生為主體實施并完成項目的教學活動。依托北京化工大學化工產品全生命周期虛擬仿真實驗教學中心、高端壓縮機及系統技術全國重點實驗室等科研基地的設備、儀器、系統和師資力量，設置了酯化反應虛擬仿真、丙烯酸分離回收虛擬仿真、甲醇分離回收虛擬仿真、丙烯酸甲酯分離和精制虛擬仿真、往復式壓縮機無級氣量調節、比例積分微分（Proportional Integral Derivative， PID）控制系統參數整定和計算機集散控制等科學實驗項目。充分利用北京化工大學研制的丙烯酸甲酯全流程生產仿真實習教學平臺（圖1）、流體機械多功能密封實驗科研教學平臺（圖2）、往復壓縮機多功能氣量調節系統科研教學平臺（圖3），教師給學生明確教學大綱內容，學生編制科學實驗方案、實現項目分工，組織科學實驗項目實施。通過模擬不同生產工況，讓學生通過科學實驗切身體會先進過程控制技術、綠色智能制造技術帶來的技術進步，掌握保證穩定生產的各主要設備的工藝條件，培養學生應對突發情況的應急措施能力及安全意識。

（三）? 邀請綠色工程和智能制造領域專家進課堂

工業化學課程教學過程中邀請北京化工大學機電工程學院設備故障預測與健康管理、往復式壓縮機氣量無級調控、煙氣輪機能量回收關鍵電液控制閥自主健康、流體機械流體密封、高效傳熱傳質等技術領域專家以及北京化工大學信息科學與技術學院先進過程控制、工藝生產過程多變量預測及內模控制等技術領域的專家走進課堂，通過專家講座、知識問答、科學實驗教學指導等形式開展綠色低碳教育和項目式教學。為了上好這門課，跨學科跨領域老師和學生一起融入工業化學課程教學實踐環境中，項目驅動式課堂教學效果得到進一步驗證。

圖1? 丙烯酸甲酯全流程生產仿真實習教學平臺

圖2? 流體機械多功能密封實驗科研教學平臺

圖3? 往復壓縮機多功能氣量調節系統科研教學平臺

（四）? 實施綠色工程教育評價方法

建立與“雙碳”目標相適應的綠色工程教育學生評價方法。傳統的學生評價通過考試成績進行評價，這種評價方法只能考察學生的記憶力和應用能力，而不能考察學生的創新能力和實踐能力、團隊協作能力。實施項目驅動教學，參加項目的同學往往需要分工協作查找跨領域的專業知識，并集中小組成員集體智慧分析解決項目完成過程出現的問題。此背景下，過程與方法的評價非常重要：不但要關注學習的結果，更要關注學習過程取得的進步表現，以及項目實施過程學生形成的創新性的思維方法。

三? “雙碳”目標下工業化學課程體系改革建議

（一）? 增加工業化學課程綠色工程教學內容

面向碳達峰與碳中和目標，要把習近平生態文明思想貫穿于高等教育人才培養體系全過程。在石油煉制、石油化工、工業制硫酸、工業制純堿、氨合成、甲醇合成和制氫等典型化工過程工藝課程中，增加基于物聯網、大數據和人工智能技術的綠色工程教育內容，包括：先進過程控制技術、分子煉油技術和數字孿生智能制造技術等。

（二）? 實施項目驅動工業化學教學模式

化工生產裝置是流體機械、壓力容器、壓力管道和閥門等設備設施以及儀表、電氣自動控制單元等組成的復雜系統，設置以工業互聯網、大數據、人工智能為基礎的先進過程控制、PID參數優化設置、往復式壓縮機氣量無級調控、電液控制系統自主健康控制、腐蝕監測與控制等科學實踐教學項目，讓學生知道如何實現以及怎么實現綠色低碳生產；用科學實踐項目實施過程控制代替傳統的課堂灌輸式教學，培養實踐能力強、創新能力強的高素質復合型“雙碳”目標緊缺人才。

（三）? 建設跨學科的“雙碳”目標師資隊伍

工業化學課程教學實踐性強，開展工業化學綠色工程教育，任課教師需要具備化工工藝、流體機械、承壓設備、自動控制、閥門、工業管道以及工業互聯網等方面的專業知識，需要建立化工工藝、過程裝備與控制工程、信息自動化等跨學科、跨領域的師資隊伍。校企聯合，在工業企業生產實踐過程中培訓工業化學師資力量，同時要探討建立依托學校各層級科研基地的研發團隊為主、工礦企業技術專家作為補充的高水平教師隊伍。

（四）? 建立與“雙碳”目標人才培養相適應的教學評價方法

項目驅動式教學內容既包括專業基礎知識、專業理論、專業技能的培養環節，也包括學生實踐能力、創新能力和解決工程實際問題能力的培養。項目驅動教學任務確定、任務完成和對任務完成情況的評估是教學的中心環節。要研究與“雙碳”目標人才培養相適應的教學評價方法，可以采用傳統考試、項目任務書編制、項目實踐報告、項目實踐操作技能、問題辯論與解答等多種方式，建立以考核學生工程能力、科研能力和實際問題解決能力提升為內容的評價標準。

四? 結束語

工業化學是過程裝備與控制工程專業的核心課程，工業化學課程在培養綠色低碳新工科人才方面發揮著重要作用。創新“雙碳”目標人才培養模式，需要將綠色低碳發展理念融入工業化學課堂教學、增加具有時代特色的綠色工程教育內容、以學生為中心實施項目驅動教學、建設跨學科的工業化學師資隊伍、建立與“雙碳”目標人才培養相適應的教學評價方法。北京化工大學機電工程學院在培養與“雙碳”目標相適應、具備通用能力和專業能力的復合型、實踐創新性人才方面進行了初步探索和實踐，為國家流程工業企業實現“雙碳”目標提供了強有力的人才保障和智力支持，受到了用人單位的廣泛好評。

參考文獻：

[1] 馬鑫，王君豪，李志鵬，等.項目導向教學模式在化工機械基礎與實踐課程中的探索[J].化工高等教育，2023，40（3）：124-129.

[2] 高慧穎，周陽修，李志勇.新工科背景下應用化學專業分析化學課程教學改革與探索[J].教書育人（高教論壇），2022（18）：87-90.

[3] 王玉輝，邱田會.基于能力培養的數字電子技術課堂教學改革實踐與探究——以青島理工大學為例[J].高教學刊，2024，10 （4）：139-142.

[4] 程毅，蔣建軍，呂冰，等.虛實深度融合的工程實踐教學體系探索[J].高教學刊，2024，10（4）：117-121，126.

[5] 教育部關于印發《加強碳達峰與碳中和高等教育人才培養體系建設工作方案》的通知[J].中華人民共和國教育部公報，2022（Z2）：70-73.

[6] 何建麗，董萬鵬，劉淑梅，等.新工科背景下產教融合深化協同育人探究[J].高教學刊，2024，10（2）：165-168.

[7] 經濟參考報.石化化工行業勾勒碳達峰路線[EB/OL].（2022-01-10）.https：//www.cet.com.cn/cjpd/hg/gn/3087290.shtml.

[8] 辛忠.貫徹黨的二十大精神 深化綠色工程教育[J].化工高等教育，2022，39（6）：1.

[9] 劉紅梅，侯春娟，韓永萍，等.理論學習與設計實踐相互驅動的項目教學模式的構建——基于化工原理課程教學的探索[J].化工高等教育，2023，40（2）：31-36，100.

[10] 王慶鋒，于洪杰，段成紅.雙碳目標下過程裝備與控制工程專業流體機械課程教學改革探索[J]．廣東化工，2023，50（23）：180-182.