问题导向的课程思政案例在化工原理课程教学中的探索与实践——以传热为例

张传玲 魏凤玉

(合肥工业大学 化学与化工学院，安徽 合肥 230009)

2020年5月，教育部在《高等学校课程思政建设指导纲要》中指出，全面推进课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措，是全面提高人才培养质量的重要任务。课程思政建设工作要围绕全面提高人才培养能力这个核心点，科学设计课程思政教学体系。其中，对工学类专业课程，要注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当[1]。化工原理是化工类及相近专业学生必修的一门专业基础课。除了理论课教学外，还包括化工原理实验和化工原理课程设计等实践性教学环节。因此，该课程具有工程性和实践性强的特点，对学生专业素养及工程能力培养起着至关重要的作用，是化工类相关专业的核心课程[2]。由于课程教学内容复杂，计算公式多，学生学习难度大，积极性不高，同时还存在学生综合运用所学知识分析解决复杂工程实际问题能力不强的问题[3]。针对以上问题，合肥工业大学化工原理教学团队树立“以学生为中心”的教学理念，围绕“育人与育才相统一”的课程总体建设目标，深入挖掘拓展化工原理课程和教学过程中蕴含的思政元素，探索在化工原理课程中引入课程思政案例的教学方法，以激发学生的学习兴趣，提高学生综合分析、解决问题的能力，较好地发挥专业课程与思政课程协同育人的作用。

1 化工原理课程思政案例教学的总体设计思路

围绕“育人与育才相统一”的课程总体建设目标，化工原理教学团队以关爱学生成长、帮助学生解决问题作为课程思政的切入点，改革传统的教学方式，采取“问题牵引-思政案例导入-知识点剖析-总结提升”的教学方式，进行“课前-课中-课后”三位一体的教学设计，将思政元素有机融入到课程教学中，发挥好化工原理课程的育人作用。首先，进行学情分析，通过对章节知识点及以往学生在此章节学习中存在的问题进行梳理和分析，凝练出教学重点和难点，确定相应的知识和能力目标；然后，根据章节内容，挖掘和设计包含章节知识点和思政元素的案例，确定思政目标；最后，围绕 “知识-能力-素养”的学生培养目标设计案例教学实施策略，使思政元素有机融入课程教学。

课程思政案例主要从日常生活、科学前沿、工程应用、伟人事迹与新闻热点中挖掘、甄选和设计。例如，从日常生活中遴选教学案例，培养学生学以致用的思维意识和求知创新的精神欲望；从化工生产中凝练工程实际案例，培养学生的工程实践与技术创新能力；从科学发展史和最新进展中设计学科前沿案例，培养学生不断追求真理、勇于创新等科创精神[4,5]。具体地，可以通过开篇案例法、问题案例法和综合案例法将课程思政案例融入到教学过程中[6]。这种以问题牵引的思政案例教学法，从帮助学生解决问题的角度出发，将思政元素自然融入专业知识点，极大地提高了学生的学习兴趣，科学合理地拓展了专业课程的广度和深度，达到知识传授、能力培养和价值引领的课程目标(图1)。现以传热单元操作为例，具体介绍问题导向的思政案例在化工原理课程教学中的设计、实施与成效。

图1 化工原理思政案例设计策略

2 传热单元操作思政案例教学的设计

传热是化工生产中最广泛应用的单元操作之一，是化工原理课程教学的重要内容。该章节教学内容主要包括三种传热方式的原理、传热速率的计算、强化或削弱传热的途径以及传热设备的选型和设计等。其中，传热过程控制是本章的重点和难点。以往学生在进行本章学习时存在的主要问题是不能将传热的基本原理用于分析和解决实际复杂传热工程问题，如传热设备的设计与过程强化等。

在化工原理“课程思政”总体教学设计理念指导下，我们对传热过程控制章节进行了教学设计。首先，对传热过程控制章节进行学情分析，在此章节学习前，学生已掌握了三种传热方式的基本原理和计算、传热基本方程、平均温差以及总传热系数的计算，在本节中，学生需要掌握强化与削弱传热过程的原理、方法及计算，教学重点为传热过程控制的主要措施、机理和应用，以及对学生科学素养的培养，教学难点为如何运用传热过程控制原理分析解决复杂工程实际问题。在此基础上，确定本章节的知识目标和能力目标。然后，通过科技前沿报道，选择一种新型的高绝热纳米气凝胶作为案例进行教学，并结合杰出校友俞书宏院士团队在此领域内的研究成果，设计了包含多个传热知识点的“冷热可控、御寒有术”思政案例。通过此案例，一方面教会学生如何应用所学的传热基本知识分析解决复杂工程实际问题，提高学生将理论知识融会贯通的能力和分析解决传热过程中复杂实际工程问题的能力；另一方面，培养学生勇于探索、不断创新、科技兴国、为民服务的科创精神和家国情怀。最后，根据教学目标，确定教学策略，包括结合生活和工程及科学案例讲授知识点，通过深度剖析、课堂讨论和评价总结的形式，达到学生能力提升和素养提高的目的(图2)。

图2 传热过程控制章节的教学设计思路

3 传热单元操作思政案例教学的实施

在教学过程中，充分利用互联网资源和雨课堂等信息化教学手段，采取线上线下相结合、课内课外相结合、理论实践相结合的“三结合”教学模式(图3)。课前，教师通过雨课堂将包括纳米气凝胶的网络视频、学术论文以及慕课资源等资料推送给学生，同时提出两道思考题：(1)生活中有哪些控温过程？(2)为何文献中10 mm厚度的二氧化硅纳米气凝胶可耐1 000 ℃以上火焰喷射和-196 ℃液氮？其绝热机理是什么？让学生带着问题去预习。

图3 传热过程控制章节的教学实施思路

上课开始，教师在简要回顾上节知识点后，带领学生观看纳米气凝胶的科普视频，介绍纳米气凝胶低密度、高孔隙率和低热导率等特点，以及其在航空航天等领域的应用，并随机提问学生思考题，检查学生的预习情况。此时学生对纳米气凝胶的隔热机理问题回答可能不全面，借此引入新的章节内容——传热过程的强化和削弱。教师在讲授新知的过程中，注重结合工程实际，从总传热系数、传热面积及传热推动力三个方面讲述传热过程控制的途径和机理。例如，列举工程实际中常采用减小传热管管径、在管外加入翅片等增大传热面积而不是增大传热设备几何尺寸的方法以提高传热速率；在讲授如何增大传热推动力时，提醒学生增大平均温度差的方式虽然有多种，但往往受生产工艺条件的限制，除了技术上可行外，还需要兼顾经济效益，合理利用系统能量。对于工程上常需要的“削弱传热”——保温问题，目前常用的方法是在设备表面包覆导热系数较小的石棉和聚合物层等保温材料，通过增厚保温层的方式减少散热，但这种方式受空间和成本的限制。为了让学生更直观地理解保温隔热，通过例题计算得到：保持相同热损失所需要的纳米气凝胶厚度(1.5 mm)远低于传统保温层厚度(30 mm)。同理，相同厚度的纳米气凝胶则会大大降低热损失，解决了传统保温材料主要靠增厚实现保温而导致的空间受限和成本增加的问题，让学生认识到纳米气凝胶这种新材料节能降耗，符合我国绿色发展新理念。

针对纳米气凝胶案例，让学生进行小组讨论：纳米气凝胶为何会有如此低的导热系数？除了低导热系数，纳米气凝胶还有没有其他的隔热机理？教师根据学生讨论结果，对气凝胶涉及到的传热知识点做进一步地分析总结。纳米气凝胶的隔热机理同时包含了对三种传热方式的削弱：大量纳米孔的存在和极低的体积密度使材料内部有“无限多”气孔壁，热流在固体中只能沿着气孔壁传递，使得固体热传导的能力下降到最低极限；直径小于70 nm的气孔内的空气分子失去自由活动的能力而附着在气孔壁上，产品处于近真空状态，减少了对流传热；而气凝胶的每一个纳米级气孔壁都有遮热板的效果，从而使辐射传热下降到近乎最低极限。但纳米气凝胶易碎的缺点限制了其广泛应用。

从为解决纳米气凝胶易碎的缺点出发，进而介绍杰出校友俞书宏院士课题组研发的新型“超弹超轻纳米气凝胶” 的最新成果，特别是利用细菌纤维素和木质纤维素等天然原材料即可制备出超弹可压缩性纳米气凝胶[7, 8]，让学生认识到学习化工原理课程能解决很多日常生活和科研实际问题，提升了学生对化工专业的认识和自信心。同时也指出，目前该成果在量化制备和产业化上还存在一定的问题，激发同学们要不断探索，创新无止境。

最后，教师对本章节知识点进行系统总结，并进行雨课堂测试，了解学生对本节知识点的掌握情况。并根据本节知识点及案例，针对美国“哥伦比亚”号航天飞机发生的坠毁事故，让同学们课后思考如何提升航天器外层材料的耐高温性能，撰写课程小论文，进一步提高学生综合分析问题能力。

4 思政案例教学成效

问题导向的学科前沿思政案例教学，在提高学生参与度和学习积极性的同时，加强了学生对化工原理课程知识点的理解及掌握，提高了学生分析解决复杂问题的能力；另外，案例中思政元素的有机融入，激发了学生只有勇于探索和创新，才能更好地服务社会和人民，实现科技强国梦。因此，教师在知识传授的同时能够做到价值观教育和能力培养相结合，最终实现“培养德才兼备，能力卓越，自觉服务国家的骨干和领军人才”的合肥工业大学人才培养总目标。雨课堂测试结果表明，学生很好地掌握了本章节知识点；课后的网上问卷调查结果表明，学生很喜欢这种结合社会热点和工程学科前沿的案例教学方式，认为除了学到专业知识外，还拓展了视野，使自己的综合能力和科技创新意识等得到了提升。

本文探讨了在化工原理课程教学中通过科学设计思政案例，充分利用信息化教学手段，采取课前-课中-课后三位一体、问题牵引、案例导入的教学设计，让学生带着问题去学习、分析和讨论，提高了学生正确认识、分析和解决问题的能力，培养了学生勇于探索未知、追求真理、创新的科学精神，激发了学生以严谨的科学态度和扎实的专业能力服务社会的家国情怀和使命担当，增强了专业自信，达到了将知识传授与价值引领有机结合的目的，提高了教学效果和育人成效。今后，我们还需根据国家“一流课程”的建设要求，在教学内容的重新架构、思政元素与教学内容的有机融合、思政案例的凝练与实施及团队教师的教学能力提升等方面加大改革力度，为国家培养能力卓越的骨干和领军人才。