“双碳”背景下智慧教育助力化学反应工程课程建设

＊陈振涛 武本成

（中国石油大学（北京）化学工程与环境学院 北京 102249）

引言

党的十九大报告提出“建设教育强国是中华民族伟大复兴的基础工程”。中国特色社会主义进入新时代，全球科技和产业革命进入新阶段，也为智慧教育提供了技术支撑。加快教育现代化，优化课程体系建设，提高人才培养质量已成为我国社会经济高质量发展的必然要求。与此同时，随着我国经济的快速发展和可持续发展理念的不断深化，“双碳”背景下化工产业发展面临新机遇，与之相匹配的课程体系建设面临新挑战。数字赋能化工产业的低碳发展，同时也促进教育领域的深刻变革。面对未来能源化工发展新形势和数字化教育新浪潮，围绕《化学反应工程》课程建设，着力从拓展课程内容、融合智慧教育、整合教学资源和强化教学效果等方面进行课程改革，可实现绿色低碳化工产业发展背景下实现实体课堂和线上教学模式的融合并进，从而为能源化工行业创新型人才的培养奠定基础。

1.《化学反应工程》的课程发展

化学工业作为我国国民经济的支柱产业，是支撑制造业高质量发展的关键领域。化工产业既为国民经济的快速发展提供能源保障，也为人民生活水平提高提供优质产品。化学反应工程是化学工程学科的重要组成部分。20世纪30和40年代，学者们论述了扩散、流体流动和传热对反应的影响，促进了化学反应工程学科的发展。自1957年第一届欧洲化学反应工程讨论会上正式确立该学科之后，借助化学工业，特别是石油化学工业的强力发展之势，《化学反应工程》学科日趋丰富和完善，已经发展成为化工领域具有重要地位的专业课程[1]。到了20世纪80年代，随着计算机技术以及精细化工、生物化工等新技术的快速发展。化学反应工程的研究领域得到了拓展，从而使《化学反应工程》课程体系不断得到丰富和完善。

经过数十年的发展，化学反应工程学科体系已基本形成，理论研究也渐趋完善。该课程是以有机化工、无机化工和能源化工生产中的化学反应过程为对象，按化学反应与动量、热量、质量传递交互作用的共性归纳综合的宏观反应过程。化学反应动力学和反应器设计是《化学反应工程》的两部分主要内容。前者主要研究化学反应的速率及其影响因素，后者则主要研究化学反应在反应器内的变化规律，从而用于指导反应过程和反应器的优化设计。生产趋于大型化，对化学反应过程的开发和反应器的优化设计提出迫切要求；化学反应动力学和化工单元操作的理论和实践奠定了该学科深厚的基础[2]；数学模型方法和高性能电子计算机的应用为反应工程理论研究提拱有效支撑。

当前，国内外学者基于化工生产过程和实验研究陆续出版一系列相关著作和教材，并围绕着化工领域的共性问题形成了较为完整的课程体系。近些年来，全球经济进入高速发展阶段，经济社会发展正推动着化工产业步入高质量发展轨道。新一轮产业革命日新月异，化工产业面临着重要的战略发展期。以传统化石能源为基础的化工产业必将根据当前“双碳目标”背景做出适时调整，推动我国化工产业提质增效、节能降碳。这就要求《化学反应工程》课程内容进行补充和拓展，以适应化工产业的转型升级。此外，高校的工科课程大多表现为单纯给学生传授课本知识，鲜少联系当前工业生产实践，课堂上习惯用空洞的说教育人，鲜少通过启发式教学和教学相长促进学生主动学习[3]。

2.“双碳”背景下《化学反应工程》课程发展现状

为实现人类社会发展中能源、资源和环境的可持续发展，2015年的《巴黎协定》提出在21世纪中叶实现全球碳中和[4]。2020年9月，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上庄严承诺：中国的二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。据统计，目前我国煤炭资源利用量、石油和天然气进口量均位列全球第一，传统能源的广泛使用致使CO2排放总量同样位列全球第一[5-6]。为保障我国能源资源的有效安全供给，并在未来短短40年内实现“3060双碳战略目标”，必须进行能源供给侧改革、实现结构优化、推动产业结构转型，逐步建立健全绿色低碳循环发展的技术体系。能源转型是大势所趋，化石能源占比将会逐渐降低，非化石能源的贡献将会不断增大[7-9]。

作为世界规模最大的行业，能源化工产业正经历着一场变革和新生，通过采用能源利用创新技术和节能增效创新方法来减少碳足迹、提高能源利用效率，从而实现行业转型升级和可持续发展[10]。随之带来“碳达峰”“碳中和”和“新能源”等新概念的不断提出，绿色化工高新技术和提质增效创新方法陆续涌现，能源产业转型和技术升级稳妥推进[9]。“双碳”背景下化工产业的转型迫切需要建立与之相匹配的课程体系。由于可再生能源种类繁多，新能源转换方式和技术特点各异，太阳能发电、水电解制氢、生物质制氢、燃料电池发电、光电化学反应、CO2资源化利用等过程均涉及众多化工基础问题。电化学工程、光化学工程和生物质转化化学工程等领域化学反应动力学和传质过程科学规律亟待归纳总结，以期形成新能源化工特色的理论基础，从而为提高可再生能源利用效率，促进可持续综合能源系统发展，实现我国“双碳”目标奠定坚实基础。

基于此，《化学反应工程》这门化工产业的专业基础课程需要与时俱进，不断补充和完善产业革命带来的新内容、新问题和新理论。从新的化工生产过程和新技术中不断总结归纳出涉及化学反应动力学的共性问题，作为课程的优异补充从而形成《化学反应工程》课程的创新知识体系，将会为化工产业的人才培养奠定基础。

3.智慧教育创新发展新模式

当前，大数据、云计算、移动通讯等信息技术突飞猛进。随着互联网技术的快速发展，数字化技术正逐渐影响着人们的工作和学习方式。2018年，教育部将“智慧教育创新发展”作为实施教育信息化的八大行动之一。当前社会不仅让学生见证了科技的力量，也催生了智慧教育新形态。给人们的生活方式带来了变化，全球产业链和供应链也面临重塑机遇和挑战。教与学的主阵地从实体课堂转移至线上。仅截至2020年5月初的统计显示，全国共有1454所高校开展在线教学，百万教师在线合计开课1226万门次，参加在线学习的大学生合计23亿人次[11]。在此期间，我国政府部门大力推进教育信息化基础建设，企事业机构也纷纷推出新型智慧教学平台，为中国教育改革提供创新途径。

数字化技术开创了教学模式的新思路，但同时也逐渐暴露出一些问题。许多教师的教育理念停留在实体课堂，只是将教授内容简单的搬至线上；在线教学平台处于发展初期，教师和在线平台缺少有效沟通，并未形成信息化教育合力；学生长时间面对网络，易受到游戏、不良信息和八卦娱乐等诱惑，学习效果参差不齐。数字化信息技术为教育变革提供了广阔空间，迫切需要教师和学生紧跟时代步伐，及时转换教育理念，借助信息化教学直观、生动、形象等优势，在磨合中积累经验，建立常态下课堂教育为主、线上智慧教育为辅的教学模式。

4.“双碳”背景下智慧教育助力化学反应工程课程建设

《化学反应工程》是化学工程类本科生的一门专业基础课，该课程以工业反应过程为对象，研究化学反应与动量、热量、质量传递交互作用下的宏观反应过程。经过数十年的发展，该课程围绕着传统化工产业构建起较为完整的课程体系。基于创新教育和“双碳”背景新形势，逐渐丰富化工产业发展中涉及《化学反应工程》课程的新知识，探索智慧教育推进《化学反应工程》课程改革新模式，强化绿色低碳循环发展背景下的化学反应工程分析能力，可实现智慧教育和课程建设的融合发展。基于此，本文着力从拓展课程内容、融合智慧教育、整合教学资源和强化教学效果等方面进行课程改革建设阐述，力争《化学反应工程》课程在绿色低碳化工产业发展背景下实现实体课堂和线上教学模式的融合并进。

(1)拓展课程内容

科教兴国和人才强国已成为我国重要的发展举措，可持续发展战略则推动化工产业结构转型。在碳达峰和碳中和目标背景下，太阳能、氢能和生物质能等新能源将会迎来一轮新的发展浪潮。基于绿色低碳的化工产业升级，需要调研并总结能源转型化工创新技术和节能增效创新方法中化学反应和传热传质的内在科学规律，丰富和完善《化学反应工程》课程的基本理论知识，聚焦光电转化和生物质转化技术中化学反应动力学共性问题以及“纳微气泡”和超重力等创新方法中强化传质科学本质，不断丰富和拓宽《化学反应工程》课程内容，适当引入智慧化管控和节能增效新理念，以适应化工产业转型过程中对化学工程相关知识需求的变化趋势，以高质量教育和创新型人才培育推动技术进步，从而最终支撑引领我国社会经济可持续发展。

(2)融合智慧教育

智慧教育利用数字化智能信息技术为手段，以促进学生主动学习为目标，实现智慧技术和课堂教学的融合创新发展[12]。《化学反应工程》课程建设可借助企业成熟的智慧教学云平台，创设网络化、数据化、交互化和智能化学习环境，构建实体课堂和线上教育一体化的教学场景，推动《化学反应工程》智慧教学模式创新，激发学生的学习热情和科研兴趣，实现个性化学习和引导式教学的育人模式。通过智能化的企业服务平台，实现多种教学资源的开发共享和综合应用，完成动态学习评价和资源推送，实现服务云的多级互联互通。在“分析、评价、创造”高级认知层级实现《化学反应工程》智慧教学新模式的创设。

(3)整合教学资源

实体课堂和智慧平台相结合的教学模式可以实现课程资料的共享和整合，为《化学反应工程》智慧课程建设奠定坚实基础。以现有教育教学团队为基础，整理实体课堂教材、课件和习题资源，通过企业智慧教学云平台进行模块化分解，融合课程相关的网络资源和工业实例，形成完整的《化学反应工程》课程的教学资源库，为学生提供开放的学习场景和资源共享氛围，实现从“静态资料”到“动态活动”的教学资源演变，以及从课堂固化到线上开放的跨越，提升学生应用课程知识分析和解决实际问题能力。此外，可以借助智慧教学云平台发掘学生的学习主动性，共同参与到教学资源的完善之中。在此基础上，将两种教学模式的资源和材料进行整合，从而形成“立体化”的《化学反应工程》课程资源新体系。

(4)强化教学效果

运用智慧化课堂教学新理念，分析实体课堂教学的现存问题，通过实时互动和视频教学等新手段激发学习兴趣，充分利用丰富的教学资源引导学生自主学习，结合云平台提供的教学活动过程性评估和统计分析获得实时反馈，利于教学过程及时进行调整，促进教学相长，形成持续有效地提高教学质量。通过科研实例和工业案例，引导学生运用《化学反应工程》的基础知识和基本原理对化工生产过程的工程问题进行分析，从而强化课堂知识的学习和消化，并激发学生科研兴趣和创新意识。“课堂故事”的授课方式不仅开拓了学生的视野，也改善学生的听课状态和教学效果。通过引入视频、计算机模拟和可视化实验等智慧教学模式，促进学生对《化学反应工程》基本原理从多层次和多角度进行深入理解，从而将复杂生涩的科学问题生动形象的加以阐释，从而促进学生对《化学反应工程》部分抽象知识的深入理解。

5.结语

在“3060双碳目标”背景下，《化学反应工程》课程建设面临新的任务和挑战。面对未来能源化工发展新形势，及时补充《化学反应工程》学科涌现的能源化工新技术和过程强化新方法，总结新能源产业过程中“生物/光/电化学反应”的科学本质及其内在规律，阐明反应中的传质、传热机理及其反应工程特性，从而赋予反应工程学科新的生命力。面对数字化教育新浪潮，迫切需要高校教师持续不断在技术、工具、语言、数据库等方面进行《化学反应工程》智慧课程开发与更新，以数字化技术推动课程教学资源和教学活动无缝衔接。在此过程中逐渐形成完整的教学内容，确立合理的评价体系，实现智慧教育和实体课堂的融合相长，应用创新的数字化教育强化教学效果，实现线上和线下教学相辅相成的智慧教学，激发学生学习兴趣和科学灵感，促进交互性教育环境的形成。

因此，围绕“3060双碳目标”的化工产业发展趋势，通过文献调研和知识归纳拓展课程资料，借助智慧教学平台实现课程资料共享和持续完善，结合智慧化课堂理念提升教学效果和学生学习兴趣，最终实现“双碳”背景下《化学反应工程》智慧课程建设，为未来能源化工技术研发和高端化工人才培养提供有效教学支撑。