“双碳”背景下化工专业课程的改革与实践——以“化学反应工程”课程为例

葛武杰

贵州理工学院化学工程学院 贵州贵阳 550003

高等教育应坚持以立德树人为教育的中心环节，应把思政教育贯穿到教育的全过程中，要努力实现全程育人和全方位育人。做好高校思想政治工作，要用好课堂教学这个主渠道。另外，教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》要求全面推进高校课程思政建设，课程思政建设是当前高校教育事业发展迫在眉睫的任务，是事关高校所有课程建设及相应教师发展的教书育人重要工作要求。对于理工课程，在授课过程中，要将学科专业知识与做人做事的基本道理、与社会主义核心价值观的要求相融，一方面提高大学生认识、分析、解决实际工程问题的能力，另一方面对大学生进行科学素质与工程伦理教育，激发学生敢于探索、追求卓越的科学精神以及吃苦耐劳、精益求精的工匠精神，培养学生科技报国、解决研究前沿热点难题的使命担当[1-2]。

另一方面，中国将力争2030年前达到二氧化碳排放峰值、并努力争取2060年前实现碳中和。这也被称为中国的“双碳”目标。在此目标的指引下，从石化、能源到消费、制造行业，都掀起了达峰降碳的热潮。而贵州省以煤矿、磷矿为资源诞生的煤化工、磷化工生产产业属于高碳排放行业，特别是煤化工，因为其原料煤炭中的氢/碳原子比大约为0.2～1.0，在煤气化制合成气，再制备合成氨、甲醇和其他烯烃类物质，以及煤液化过程中都会有大量的碳以二氧化碳或其他碳氢化合物的形式产生。在煤、磷化工生产过程中，为了减少碳排放，推动行业向绿色低碳方面的发展转变，无论是采取优化产业链布局、细化或是研发、生产新能源材料，抑或是采取有效的节能减排措施，都离不开对生产物料体系的分析优化、对物料所在反应器系统的结构优化改造及对物料在反应器内部的混合传递性质进行优化考虑。

而在化工类专业课程中，“化学反应工程”恰恰是对物料反应器进行设计、优化的一门课程。“化学反应工程”是以各种化学生产加工过程为背景，将内在本征化学反应与外在的动量、热量和质量三种传递过程有机结合起来研究其综合的宏观反应过程，进而对化工反应器进行设计与优化。在课程教学内容中的对反应器设计优化处处体现着绿色、低碳、环保以及提升反应效率理念。该课程素质目标包含有激发学生学习化工专业兴趣、引导学生思考与提问、掌握(反应器选型和设计)技能、培养化工工程思维能力、培养爱国情怀、增强绿色低碳环保意识等多个方面[3]。课程体系内容恰恰是化工行业实现“双碳”目标的有效路径。

通过以上三个方面表述可以看出，将实现“双碳”目标这个国家重大需求为出发点与课程思政建设融合在一起，恰好符合“化学反应工程”授课内容及目标，又可提升学生对专业的认可度，大有可为。

1 碳中和与化工专业建设

化工类专业主要目的是培养工程类人才，在碳中和时代背景下，培养新层次符合社会需求及科技变革规律的新型工程师成为人才培养工作的重要课题。贵州理工学院化学工程与工艺专业正在进行工程教育认证工作，工程教育与实现碳中和的目标相辅相成，碳中和为工程教育指出了培养具有哪方面素质的工程人才，为工程教育明确了培养方向，也是未来化工工程人才的就业发展方向。工程教育注重生态环境与工程经济相协调、人文价值与生产技术相统一的培养特征，其内涵和实践途径也会在现如今的双碳目标下不断得到完善[4-5]。另一方面，实现双碳目标的过程正是践行工程教育的重要载体，具体表现为高校在教育教学策略方面注重与生态环境保护相结合的工程类课程学习、强化具有多学科交叉融合特性的工程项目设计以及采取以学生为中心的工程学习策略。因此，未来化工类工程教育必须体现双碳目标下特殊的工程实践特性与创新性。

化工类专业教育要时刻与现代新兴产业的发展需要保持高度一致，需要以多学科交叉融合为出发点，积极探索和实践应用型人才培养模式，培养符合产业需求的卓越工程型人才[6]。双碳目标正是社会对产业提出的变革要求及目标，需要对传统行业进行变革与创新，发展新兴产业。这就需要将双碳目标与化工专业培养有机结合，以行业创新带动复合型人才培养，探索双碳目标下特色鲜明的化工人才培养模式。此外，高校教育的立身之本在于立德树人，在传授知识的同时传播崇高的理念。马克思主义哲学告诉我们，人与自然需要和谐相处，而碳中和正是这种思想的具体体现，因此，碳中和可以作为化工类课程思政教育的重要组成部分，碳中和思想既是人类社会可持续可持续发展理念，也是现代化工工程人才应承担的时代使命和责任担当，将碳中和作为化工类课程思政元素融入学生课堂，可以切实有效地提高专业课程育人能力，发挥课堂教学育人的主渠道作用。

2 结合双碳目标的“化学反应工程”课程建设

在调研学生学情的基础上、熟悉学生对于“化学反应工程”的难点、痛点之后，有针对性地进行教学方式的建设；查阅文献，调研贵州煤、磷化工企业，构建“化学反应工程”课程体系，设置能够凸显煤、磷化工实现“双碳”目标的项目化内容及资源案例库；搜集案例，从新闻、实事、科技前沿、发明/发现及发展变化历程中深度挖掘课程的思政元素，并建设有效可行的思政元素的融入方式，做到润物无声；构建结合贵州煤、磷化工特色以及思政内容的“化学反应工程”课程教学评价模式。

在授课过程中，融入的素质教育目标的具体思路举例如下：

(1)“三传一反”结合马克思主义哲学辩证思维。“三传一反”是指质量传递、能量传递、动量传递和化学反应，其最本质的科学依据是质量守恒、能量守恒、动量守恒及化学反应动力学基础。从大自然和人类社会发展的历史中提取出来的唯物辩证法中将上述守恒阐述为“质量互变规律”“对立统一规律”及“否定之否定规律”等。化学反应的反应器中流体流动、混合以及从固定床到流化床、气流床的过度也正是反映量变产生质变的典型实例。可见，辩证法描绘的科学规律与课程中“三传一反”的基本工程原理体系在本质上是相似的。此外，影响反应器效率的因素也包含主观因素和客观因素，辩证统一地认识各因素之间的差异及耦合关系，是解决实际问题的关键。双碳目标的实现、“零碳”技术的开发也是碳元素在守恒规律下不同物质形式的转变技术[7]。

(2)研究方法映衬理论联系实际。“化学反应工程”涉及流体流动、热量传递、物料传递、物料停留时间、物料及热量返混等，这些理论研究均是经过“理论联系实际、从实践中来到实践中去”才总结出来的精华所在。这些研究总结过程与中国共产党一直坚持的理论联系实际的思想路线完全一致，一个是自然科学，一个是社会科学，都遵循着同样的哲学原理而不断发展前进着。

(3)将中国元素融进工程知识。讲到浆态床反应器时，以2020年6月刷新世界极限制造记录、问鼎世界之最的中国一重公司设计制造的全球首台3000吨大型浆态床反应器为例；讲反应器的选型设计时，以我国自主研发的针对贵州低品位磷矿资源的开发而设计的高炉法磷酸设计和我国科学院院士闵恩泽在磁稳定床反应器方面的研究工作为例；讲到流化床反应器时，以我国自主开发的采用流化床将甲醇转化为丙烯的工业技术为例，以“双碳”背景下，恒力石化向新型可降解塑料产品调整设计的反应器为例，清华大学为贵州瓮福设计的磷酸铁锂产品工艺为例，等等。将中国元素融入在教学工程中，使爱国主义、核心价值观、责任感、使命感“四个自信”跃然心中。

在授课过程中，具体可以采用的教育案例举例如下：

(1)在“气固相催化反应动力学”教学过程中，引入中国催化剂的发展历程，如夏商时期采用酵母菌酿酒、中世纪采用硝石催化剂制取硫酸、石油化工、煤化工技术，直到现代工业催化技术，让学生感悟先辈们的古老智慧，传承及发扬传统文化，推动工业发展；引入双碳目标下开发的先进二氧化碳的催化转化技术；引入最新光催化水解制氢的研究进展，设计催化剂借助太阳光的能量促使水分解为氢气和氧气，制备洁净能源，助力双碳目标的实现，让学生感悟催化技术在化工生产中的重要作用及实现双碳目标的技术瓶颈。

(2)在“反应器的设计选型”教学过程中，引入“国旗红”染料的研发过程，介绍沈阳化工研究院经过反应釜的不断改进于1952年成功自主研发出色泽鲜艳、耐光、耐热、永不褪色的“国旗红”染料，从此五星红旗有了完全国产的专用燃料，彻底打破了我国红色染料依靠进口的局面，让学生感悟反应器对产品性能的重要影响，体会通过反应器的优选设计可以实现降低反应能耗、减少碳排放的目的，同时学习中国化工人的耐心与毅力。

(3)在“气液反应工程”教学过程中，引入低温甲醇洗脱碳工艺，介绍气相和液相接触、反应及工艺特性，学习化工生产中有效除去混合气体中二氧化碳的一种工艺，促使学生建立减碳思维方式，共同为实现双碳目标而奋斗。

随着课程改革及专业认证的不断深化，化工专业课程的重点已经成为培养各学科领域交叉融合、善于创新、同时具有家国情怀的应用型人才。以国家重大需求为切入点，同时按照国家教育方针政策，将我国先进技术、科学家治学经历等思政元素有效地融入专业课程教学中，实现将专业课程的“学什么”“怎么学”与思政内容的“为什么学”和“有什么用”有效地结合起来，完美地实现了高校教书育人目标。在课程教学方法上，为了充分发挥学生的主动性，可以采用问题导向式教学方式，如下图所示，即在上课前针对该章节内容设计若干问题作为学习任务单，并将其发给学生，学生查阅资料文献，有准备地进入课堂中，在课堂中进行探讨甚至各组之间争辩，课后完成相应的反应器计算作业[8]。

问题导向式教学过程图

结语

化工类专业课程“化学反应工程”应该结合目前双碳大背景将思政教育内容融入课程建设当中，更好地实现教书育人的作用，课程建设可以通过以下四个方面进行：

(1)创新课程体系及资源建设，将较新的固定床、流化床、釜式反应器以及管式反应器设计结构以及新技术演变的思路方式穿插在课程当中，将企业车间实际生产方式穿插在课程当中，让学生在学习课程理论知识的同时，感悟创新思维、勇攀科技高峰、不断进取的精神，增加“双碳”背景下化工行业的大变革，强化现代化工生产技术变革；

(2)思政融合型教学团队建设，团队教师成员多参加课程建设培训活动，积极参与企业实践，强化自身工程实践背景，搜集更多的反应器工程实例，更好地实现理论联系实际；

(3)素材案例库的建设，项目团队成员可以从我国化工的发展历程中选取优秀案例，比如“双碳”背景下煤、磷化工转型过程中出现的新型反应器等，让学生在了解我国化工行业的专家在做什么和怎么做的同时，建立节能减排、绿色低碳的生活，生产思想观念；

(4)课程评价体系优化，在课程评价过程中，应充分考虑学生平时能力的考核以及课外评价和课内评价的结合，比如，加入项目PPT汇报的考核(让小组学生查阅本领域专家的研究、治学经历，作汇报交流，纳入到作业分值中)以及学生进行文献检索大作业，对“双碳”背景下化工行业的转型及涉及的反应器系统进行文献调研，了解目前国家重大急需领域、学术研究进展以及感受科学家们的报国和治学情怀。