雙碳目標下化工分離工程案例教學(xué)探索
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[摘要]在“雙碳”目標背景下，化工專業(yè)的核心課程建設(shè)對化工人才培養(yǎng)、化工行業(yè)低碳化轉(zhuǎn)型具有十分重要的意義。本文以案例教學(xué)為手段，對化工分離工程課堂教學(xué)進行改革探索：在專業(yè)知識內(nèi)容方面，通過項目式和PBL式案例教學(xué)法，重點培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、工程實踐及團隊創(chuàng)新方面的能力；在課程思政方面，充分考慮了思政元素與科學(xué)知識的交叉融合，積極引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的核心價值觀，心懷祖國的奉獻精神，為我國化工行業(yè)發(fā)展貢獻力量。
[關(guān)鍵詞]雙碳；節(jié)能減排；化工分離工程；案例教學(xué)；項目式
中國高度重視氣候變化應(yīng)對與環(huán)境污染治理，國家主席在2020年時已宣布中國將力爭在2030年使二氧化碳排放量達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和目標[1]。目前，我國碳排放量達到100億噸/年，其中化工行業(yè)排放量接近5億噸/年[2]。降低廢棄物排放，開發(fā)新型可再生能源，使國民經(jīng)濟向低碳化轉(zhuǎn)型，均離不開技術(shù)創(chuàng)新。在此背景下，化工行業(yè)也將迎來新的機遇和挑戰(zhàn)，以碳中和為目標，開發(fā)綠色化工過程，加快廢物資源化利用，推動化學(xué)工業(yè)向高質(zhì)量、綠色可持續(xù)方向發(fā)展，將對國民經(jīng)濟發(fā)展和實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。因此，加速化工專業(yè)課程建設(shè)，提高化工高等教育水平，加強化工人才培養(yǎng)力度，才能有效促進化工行業(yè)高新技術(shù)發(fā)展，實現(xiàn)化工行業(yè)碳中和目標?；し蛛x工程是一門與工程技術(shù)密切相關(guān)的化工專業(yè)課程，涉及大量的工程實踐問題。作為化工專業(yè)的核心課程，如何在“雙碳”目標的大背景下，探索本課程教學(xué)的新模式，實現(xiàn)“新工科+工程教育專業(yè)認證+課程思政”指導(dǎo)下的人才培養(yǎng)目標，是擺在所有化工類高等院校面前亟需解決的關(guān)鍵問題。新工科建設(shè)為本課程提出了“瞄準化工前沿技術(shù)、注重學(xué)科交叉融合”的課程建設(shè)方向；工程教育專業(yè)認證為本課程提出了“以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進”的課程教學(xué)標準；課程思政為本課程提出了“全程育人和全方位育人”的課程教育理念[3-5]。因此，本文擬從課程內(nèi)容與課程思政兩方面探索案例教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究能力、工程實踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，引導(dǎo)學(xué)生心懷國家、甘于奉獻，為我國社會發(fā)展而努力奮斗。
1案例教學(xué)的必要性
案例教學(xué)法是一種通過分析案例、啟發(fā)思考、引出結(jié)論的教學(xué)形式。任課教師可鼓勵學(xué)生對案例進行深入討論，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力，并掌握相關(guān)知識點。由于在學(xué)習(xí)化工分離工程專業(yè)核心課程之前，學(xué)生已經(jīng)掌握了基礎(chǔ)化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)、化工原理等專業(yè)基礎(chǔ)課程的相關(guān)知識，因而任課教師應(yīng)該主動摒棄傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方法，給予學(xué)生更多的獨立思考機會，引導(dǎo)學(xué)生從化工生產(chǎn)的案例中學(xué)習(xí)課程內(nèi)容知識，或者運用所學(xué)知識解決案例中出現(xiàn)的實際問題，這樣才能啟發(fā)和喚醒學(xué)生對化工分離工程課程的學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)生活學(xué)活用的工程實踐能力。另一方面，課程思政是本科課程建設(shè)質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程的課堂教學(xué)均應(yīng)在種好責(zé)任田的基礎(chǔ)上，將思想政治理論貫穿其中，做到同向同行、協(xié)同發(fā)展。但是，如何能在專業(yè)課程講授過程中，使學(xué)生很自然地接受思想理論知識，甚至引起感情共鳴，對專業(yè)課的普通教師而言仍然具有挑戰(zhàn)。因此，任課教師也可采取案例教學(xué)的方式，像“鹽溶于水”一樣，將思政元素與專業(yè)課程內(nèi)容有機結(jié)合，避免生搬硬套地堆砌思想理論知識。
2課程內(nèi)容的案例教學(xué)
化工分離工程以化工傳質(zhì)過程為主要內(nèi)容，包括了精餾、吸收、萃取、吸附、膜分離等化工單元操作，同時涵蓋了熱力學(xué)、相平衡等基礎(chǔ)知識?；し蛛x工程與化工原理課程的主要區(qū)別在于，本課程主要解決化工實際生產(chǎn)過程中非理想物系中混合物的分離與提純問題，因此學(xué)習(xí)難度較高，學(xué)生往往不知從哪學(xué)，最后導(dǎo)致學(xué)不下去，使課程教學(xué)質(zhì)量大打折扣。采用案例教學(xué)法，能極大地豐富教學(xué)活動內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)驅(qū)動力，增強課堂教學(xué)效果。
2.1項目式案例教學(xué)
膜分離技術(shù)是化工分離工程課程中唯一涉及速率分離的內(nèi)容，極具代表性。該技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，而且正加速進入尋常百姓家中，例如家用凈水裝置中就包含了微濾、超濾、反滲透等膜分離器件，因此學(xué)生對此較為熟悉，容易融入本次案例教學(xué)。在課堂教學(xué)中，任課教師可采用項目式案例教學(xué)方式，請學(xué)生設(shè)計一套合理膜分離凈水流程，使家用生活廢水實現(xiàn)零排放。教師首先可分別講授膜分離技術(shù)中各種膜分離器件的分離原理、異同點、優(yōu)缺點、成本價格等知識，使學(xué)生充分了解各種膜分離器件的特點。根據(jù)上述知識，學(xué)生繼續(xù)通過查閱文獻資料，對膜分離技術(shù)加深了解，并結(jié)合項目目標，整理出1~2套備選工藝流程，經(jīng)最終比選學(xué)生可提交一份自己設(shè)計的膜分離凈水流程。任課教師應(yīng)認真批閱，從完成度、合理性、經(jīng)濟性等方面評估學(xué)生項目作品，并對共性問題展開講解相關(guān)知識點，最后任課教師對整個項目式案例教學(xué)內(nèi)容作總結(jié)發(fā)言，完成本次膜分離技術(shù)的案例教學(xué)實踐。通過項目式案例教學(xué)方式，學(xué)生能具有自主學(xué)習(xí)的能動力，在項目設(shè)計中深入學(xué)習(xí)膜分離技術(shù)的相關(guān)知識點，達到更好的教學(xué)效果。
2.2PBL式案例教學(xué)
吸收是化工分離工程課程中的重要傳質(zhì)單元操作，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)中氣體分離過程。例如，針對易引起環(huán)境污染的SO2、NOx氣體，以及易引發(fā)溫室效應(yīng)的CO2氣體，工業(yè)上常采用堿性溶液作為吸收劑處理工業(yè)尾氣，減少污染物的排放。在課堂教學(xué)中，可采用PBL式(ProblemBasedLearning)案例教學(xué)法，以脫碳為目標，請學(xué)生解決合成氨化工生產(chǎn)中二氧化碳減排的實際問題[6]。首先，任課教師可根據(jù)酸性氣體的特點，介紹MEA溶液、MDEA溶液、熱鉀堿溶液、燒堿溶液等堿性吸收劑供學(xué)生選擇使用。然后，教師以MDEA溶液為例，介紹吸收脫碳原理，即利用MDEA溶液在高壓常溫條件將天然氣或合成氣中的CO2吸收，同時CO2可在降壓和升溫的情況下從溶液中解吸出來，使溶液再生循環(huán)。最后，教師可指導(dǎo)學(xué)生采用其它吸收劑，分析分離原理，并進行分離工藝設(shè)計，重點考慮吸收后富液的解吸問題，貧液與半貧液流程設(shè)計，以及能耗投資費用等綜合因素。經(jīng)過上述的案例教學(xué)，學(xué)生將對吸收原理、吸收-解吸流程、傳質(zhì)過程有更深刻的理解，從而提高學(xué)生對本知識點的掌握程度。
3課程思政的案例教學(xué)
為貫徹對高等教育中立德樹人環(huán)節(jié)要求，實現(xiàn)全程育人與全方位育人目標，教育部于2020年5月頒布了《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，要求從專業(yè)課程教學(xué)中開展思政教育，加快推進高校思政工作建設(shè)[7]?；I(yè)課程教學(xué)中，也應(yīng)密切結(jié)合課程內(nèi)容要點，深入挖掘思政內(nèi)涵，將思政元素悄然融入課堂教學(xué)中，實現(xiàn)自然科學(xué)與思想政治教育的完美融合。下面將以案例教學(xué)為例，為學(xué)生培養(yǎng)愛國主義精神，樹立社會主義核心價值觀。
3.1情境式案例教學(xué)
萃取是化工分離工程中課程中對液體混合物的分離操作，具有廣泛的應(yīng)用價值。我國采用萃取手段進行分離的案例最早可追溯至秦漢時代，古人將本草用水煎煮可入藥，實際上就是將本草中的藥用活性成分溶解于水中。本內(nèi)容授課時可設(shè)計一幕在東晉時代有人感染瘧疾的場景，采用情境式案例教學(xué)法，請學(xué)生回答如果大家穿越回到古代，可以用什么方法治療瘧疾呢？這時，大家會馬上想到我國諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主屠呦呦女士，是她帶領(lǐng)研究組經(jīng)歷380多次的實驗，190多個樣品的測定，終于在1971年利用乙醚溶劑從青蒿素中低溫萃取出青蒿素，并發(fā)現(xiàn)其對瘧原蟲具有完全的抑制作用。任課教師將以萃取青蒿素為例，講述了老一輩科學(xué)家埋頭苦干，不懼困難，無私奉獻的真實故事，鼓勵學(xué)生應(yīng)樹立正確的民族自信、文化自信，堅持和認同優(yōu)秀中華傳統(tǒng)歷史文化。進一步，教師可引申到在中國共產(chǎn)黨成立95周年大會上所提出的“四個自信”、“四個意識”、“四個全面”等重要論述與核心內(nèi)涵，使學(xué)生充分感受到我國的制度優(yōu)勢，鼓舞學(xué)生心懷國家、敢于奉獻、開拓進取，為實現(xiàn)“兩個一百年”奮斗目標而努力[8]。
3.2討論式案例教學(xué)
在“雙碳”目標背景下，綠色化工過程是大勢所趨，原材料的凈化、“三廢”的資源化利用，對實現(xiàn)化工生產(chǎn)的綠色循環(huán)經(jīng)濟、甚至實現(xiàn)真正的零排放至關(guān)重要。任課教師可采用討論式案例教學(xué)方式，請學(xué)生自行資料查閱制作PPT完成匯報，通過相互討論的方式，證明化工分離工程在綠色化工生產(chǎn)中的重要作用，引導(dǎo)學(xué)生形成低碳環(huán)保意識，樹立低碳生活的價值觀，推進我國生態(tài)文明建設(shè)，促進社會全面發(fā)展。其次，教師還可教導(dǎo)學(xué)生擁有正確的科學(xué)觀，自覺培養(yǎng)創(chuàng)新意識，求真務(wù)實地刻苦研究，不斷探索新知識新領(lǐng)域，儲備知識學(xué)好本領(lǐng)，更應(yīng)該為我國化工行業(yè)的高新技術(shù)發(fā)展貢獻自己的一份力量。
4總結(jié)
在“雙碳”目標背景下，化工分離工程課程的案例教學(xué)應(yīng)從課程內(nèi)容與課程思政兩方面進行開展。通過引入項目計劃，引導(dǎo)學(xué)生解決實際問題等方式，調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動力，促進課程教學(xué)計劃的實施。另一方面，采用情景化教學(xué)方式、組織案例討論等方式，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注綠色發(fā)展、加強社會使命感，為祖國社會主義建設(shè)做出貢獻。
作者:張逸 戢峻 熊蕓 鄧伏禮 丁一剛 單位:武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院