双碳目标下低碳理念融入“化工原理”教学的初步探索

郭红霞

（华北理工大学 化学工程学院，河北唐山 063210）

由于CO2过量排放而带来的温室效应、全球变暖、环境污染和能源危机等，已成为世界各国越来越关注和亟待解决的紧迫问题。作为世界上最大的能源生产和消费国，我国已向世界提出2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”的目标，因此在高校教学过程中，如何恰如其分地引入低碳理念、助力实现“双碳”目标显得尤为重要[1]。

“化工原理”课程是化学工程学科的重要基础，在培养学生创造性思维、综合设计能力和工程实践能力方面均占有极其重要的地位[2]。在教学过程中融入低碳理念，可以围绕绿色环保、节能降耗、资源的可持续利用与发展、低碳新能源技术等领域展开。在讲授流体流动、非均相物系的分离、传热、吸收、蒸馏、萃取、干燥等单元操作过程中，以挖掘、浸润、反哺的方式将以上低碳主题融入教学过程中，培养学生的工程创新能力与追求化工原理真理、服务化工大国重器的职业素养（基本策略如图1所示）。

图1 “化工原理”教学中低碳理念融入的基本策略

1 低碳理念融入“化工原理”的教学内容

“化工原理”课程中流体流动、非均相物系的分离、传热、吸收、蒸馏、萃取、干燥等单元操作过程，与目前国家大力倡导的绿色环保、节能降耗、资源的可持续利用与发展、低碳新能源技术等低碳理念密切相关（图2）。因此，如何将课堂讲授的教学内容与低碳理念恰如其分地联系起来，对于提高学生的职业素养至关重要。

图2 “化工原理”教学内容与低碳理念之间的关系

1.1 绿色环保领域

元素经济性和零排放是实现绿色化工的终极目标，将单元操作过程中产生的废水、废气、废渣等进行资源化再利用，使所有化学组分被充分利用，是实现绿色环保的重要一环[3]。比如在讲授沉降单元操作过程中，将工业生产中的烟气除尘等气体净化过程与低碳理念相结合，使学生理解产品回收与安全生产的意义所在。同样，在吸收与吸附单元操作讲授过程中，介绍目前大气中含硫化合物、含氮化合物、碳的氧化物等污染化合物在工业生产过程中排放到大气之前必须对其进行处理。将知识点与实际生产案例相结合，让学生深入理解理论联系实际的重要性。

1.2 节能降耗领域

化工行业作为高耗能行业，节能降耗作为可持续发展的有效途径之一，应该贯穿于“化工原理”教学过程中（比如流体流动、传热、吸收、精馏、干燥等单元操作）[4]。这对于增强学生节能降耗、低碳生活的意识起到了重要作用，同时强化其责任担当，努力为“双碳”目标的实现贡献一份力量。

比如在讲授流体流动过程中，强调节能途径[5]。在讲授传热单元操作过程中，强化传热与削弱传热进行保温等措施实现节能。介绍自清洗流化床换热器、高效螺旋折流板换热器等新型节能设备时，为尽快实现“双碳”目标，对余热进行合理回收与利用也是其中重要的一环。吸收单元操作中，在升温解吸过程中，富液与贫液之间可以通过热量交换达到节能降耗的目的；多段吸收过程由于具有较小的传质阻力，可大大降低有效能的损失；降低吸收与解吸操作过程中溶剂循环的速率，同样可以减少能量的消耗。精馏操作中介绍实际工业生产过程中的热泵技术，将精馏塔塔顶的低品位热量传输到精馏塔塔底，成为高品位热量。干燥操作中如何提高干燥效率，通过介绍新型、高效、节能的传质设备，进一步拓宽学生的知识视野。

1.3 资源可持续利用领域

对生产过程中的资源进行可持续利用，也是实现“双碳”目标的有效途径之一。在讲授吸收与吸附单元操作过程中，介绍目前研究者广泛关注的CCUS（即碳捕获、利用与封存）技术。此技术可以将生产过程中排放的CO2进行封存，或者进一步提纯后进行循环再利用。CCUS 技术可以将CO2进行资源化再利用，产生附加的经济效益，是实现“双碳”目标中具有发展潜力的技术之一，因此得到世界各国的关注。此外，介绍超临界CO2用作萃取剂等资源回收的实例。上述举措为学生拓展碳捕集与利用的相关前沿研究，一方面让学生认识到资源可持续利用的重要性，另一方面鼓励学生勇于创新，甘于奉献，为服务国家富强、民族复兴、人民幸福以及社会进步贡献自己的力量。

1.4 低碳新能源技术领域

随着我国经济的快速发展，大力发展清洁新能源产业，以尽量降低对传统化石能源的依赖程度，从而减少环境污染。比如在讲授膜分离技术中，列举合成氨尾气中H2的回收、炼油工业尾气中H2的回收工艺等，介绍采用膜分离技术进行H2分离回收的工作原理。不仅让学生掌握膜分离这一当前气体分离应用最广的技术之一，而且让学生深刻认识到发展多样化新能源技术的必要性，充分利用太阳能、风能、水能、地热能等，为社会发展过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”的教学设计

采用线上线下混合式教学模式，激发学生主观能动性，同时采用PBL式、启发式、案例式教学，将教学内容与实际工业应用、科研课题结合。通过翻转课堂教学模式对部分教学内容进行专题讨论，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，可以以讲授吸收操作捕集电厂等烟气中的CO2为例。在教学过程中，采用PBL（Problem Based Learning）教学法结合翻转课堂的教学设计，以发现问题、分析问题、解决问题为核心，采用分组展示、分组讨论以及相互交流的方法，激发学生积极主动学习，以培养学生创新理念、逻辑辩证的思维方法、绿色低碳的价值观以及家国情怀为教学目标（图3）。课前教师在“学习通”发布课前任务，查阅文献资料并进行归纳总结，让学生首先初步了解CO2气体的特点、各种有机胺吸收剂的基本性质与捕集性能、填料塔传质性能以及有机胺吸收技术等。课上，教师首先由“双碳”目标引出目前研究比较热的有机胺吸收技术，在此基础上，引导学生思考与讨论有机胺吸收技术中吸收剂用量如何确定。学生在回顾吸收操作线方程相关知识点之后，分组进行翻转，通过ppt汇报，相互深入讨论，并在教师的引导下总结归纳，最终掌握本讲课的知识目标-吸收剂用量的确定方法。通过形成性评价考查学生的掌握程度，然后进行相关典型例题的解析。最后教师引导学生对本讲课进行总结归纳与知识拓展。课后教师及时进行教学反思，以便进一步改进教学方法；学生针对总结归纳的知识点，完成相应的课后作业，以便达成本讲课的能力目标和素质目标。在整个教学过程中通过低碳理念的融入，引导学生树立低碳生活的价值观，立志为推进国家生态文明建设、促进社会全面发展贡献出自己的一份力量。

图3 PBL教学法结合翻转课堂的教学设计

3 低碳理念融入“化工原理”的教学资源建设

为更好地实现教学过程中融入低碳理念，分别对线上与线下课程资源进行建设。由于课堂上的教学时间有限，所以充分挖掘课程中的思政主题，制作成思政小课堂，充分利用“学习通”线上教学平台，在通知中定期发布通知，实现对学生随时随地的思政浸润。具体的知识点与思政点的融合见表1，“学习通”中发布的思政小课堂实例如图4所示。录制“万个小视频”教学资源，将其设置成任务点，发布在“学习通”的学习资源中。此外，从模拟软件、仿真软件、仿真工艺、仿真流程以及单元操作的模型与设备等方面出发，进行线下教学资源的建设。

表1 思政小课堂教学资源建设中知识点与思政点之间的融合

图4 “流体流动”章节思政小课堂在“学习通”中的发布实例

4 教学效果评价

在教学过程中融入低碳理念，通过显性教育和隐性教育相结合，实现价值观引领，使学生将所学基本理论与最新的国家发展需求有效关联，达到学以致用的目的。然而，低碳理念是否建立，仍需要在实践中进行检验。在过程性评价与期末考核过程中，将相关内容纳入考核范围，教师会设计一些相关题目，让学生进行选择或者设计，以检验学生是否具有低碳理念。

课程考核以考核学生能力培养目标的达成为主要目的，包括过程性考核和期末考核两部分。过程性考核包括课程音视频学习、章节测验、章节学习次数、作业、单元考试、课程互动和翻转课堂分组任务七部分，在总成绩中占50%。作业、考试、任务点等的评价标准依据教学大纲的规定，以“学习通”系统中导出的学生成绩为依据。期末考核为闭卷考试，以卷面成绩的50%计入课程总评成绩。教学大纲中的课程目标5主要考查学生对复杂化学工程问题形成多种解决方案，并进行分析和评价，确定特定条件下最优的解决方案，体现经济、节能低碳、环保等理念，此课程目标的达成度体现出低碳理念融入的教学效果。在课程结束后，首先通过在“学习通”发布关于课程目标达成情况的问卷（图5），据此掌握学生课程目标的达成情况。期末考核后，完成课程目标达成度报告。2017 级化学工程与工艺专业1、2、3 班共有71名学生，根据学生成绩散点图（图6）分析可见，其达成度评价值为0.357 5，表明大部分同学需要提高针对单元操作中不同方案的分析和评价能力，确定特定条件下最优的解决方案，进而提升对经济、节能、环保等低碳理念的认知。2018级化学工程与工艺专业1、2、3班共有74名学生，其达成度评价值为0.631 2（图6），表明大部分同学对经济、节能、环保等低碳理念有了深刻认识，此结果与问卷调研的课程目标达成情况一致。可见通过此教学改革，课程目标5的达成度明显提高。此外通过对比2017与2018级整体课程目标达成度（图7），与2017级相比，2018级整体课程目标达成度也有明显提高。

图5 “学习通”中2018级化学工程与工艺专业课程目标5达成情况调研问卷

图6 2017与2018级化学工程与工艺专业课程目标5达成度

图7 2017与2018级化学工程与工艺专业整体课程目标达成度

在此基础上，在毕业设计阶段，指导学生围绕绿色环保、节能降耗、资源的可持续利用与发展、低碳新能源技术等对工艺单元进行计算与优化，切实践行低碳理念，厚植家国情怀，以便真正实现产出导向和价值引领。

5 结束语

通过将低碳理念融入“化工原理”课程教学过程，从绿色环保、节能降耗、资源的可持续利用与发展、低碳新能源技术四个方面出发，紧密围绕“碳中和”目标，提高教学质量，激发学生学习兴趣。通过践行低碳理念，实现理论知识与教师科研、工业发展以及国家发展需求紧密结合，培养学生创新意识和实践能力。此外，通过课程案例体系的建设，对于提高“碳中和”目标下教学质量和人才培养均具有积极的推动作用。