“雙碳”背景下智慧教育助力化學(xué)反應(yīng)工程課程建設(shè)

＊陳振濤 武本成

（中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院 北京 102249）

引言

黨的十九大報告提出“建設(shè)教育強國是中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)工程”。中國特色社會主義進入新時代，全球科技和產(chǎn)業(yè)革命進入新階段，也為智慧教育提供了技術(shù)支撐。加快教育現(xiàn)代化，優(yōu)化課程體系建設(shè)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量已成為我國社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。與此同時，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深化，“雙碳”背景下化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨新機遇，與之相匹配的課程體系建設(shè)面臨新挑戰(zhàn)。數(shù)字賦能化工產(chǎn)業(yè)的低碳發(fā)展，同時也促進教育領(lǐng)域的深刻變革。面對未來能源化工發(fā)展新形勢和數(shù)字化教育新浪潮，圍繞《化學(xué)反應(yīng)工程》課程建設(shè)，著力從拓展課程內(nèi)容、融合智慧教育、整合教學(xué)資源和強化教學(xué)效果等方面進行課程改革，可實現(xiàn)綠色低碳化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下實現(xiàn)實體課堂和線上教學(xué)模式的融合并進，從而為能源化工行業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

1.《化學(xué)反應(yīng)工程》的課程發(fā)展

化學(xué)工業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，是支撐制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域?；ぎa(chǎn)業(yè)既為國民經(jīng)濟的快速發(fā)展提供能源保障，也為人民生活水平提高提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程學(xué)科的重要組成部分。20世紀(jì)30和40年代，學(xué)者們論述了擴散、流體流動和傳熱對反應(yīng)的影響，促進了化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的發(fā)展。自1957年第一屆歐洲化學(xué)反應(yīng)工程討論會上正式確立該學(xué)科之后，借助化學(xué)工業(yè)，特別是石油化學(xué)工業(yè)的強力發(fā)展之勢，《化學(xué)反應(yīng)工程》學(xué)科日趨豐富和完善，已經(jīng)發(fā)展成為化工領(lǐng)域具有重要地位的專業(yè)課程[1]。到了20世紀(jì)80年代，隨著計算機技術(shù)以及精細化工、生物化工等新技術(shù)的快速發(fā)展?；瘜W(xué)反應(yīng)工程的研究領(lǐng)域得到了拓展，從而使《化學(xué)反應(yīng)工程》課程體系不斷得到豐富和完善。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科體系已基本形成，理論研究也漸趨完善。該課程是以有機化工、無機化工和能源化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)過程為對象，按化學(xué)反應(yīng)與動量、熱量、質(zhì)量傳遞交互作用的共性歸納綜合的宏觀反應(yīng)過程?；瘜W(xué)反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計是《化學(xué)反應(yīng)工程》的兩部分主要內(nèi)容。前者主要研究化學(xué)反應(yīng)的速率及其影響因素，后者則主要研究化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)器內(nèi)的變化規(guī)律，從而用于指導(dǎo)反應(yīng)過程和反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計。生產(chǎn)趨于大型化，對化學(xué)反應(yīng)過程的開發(fā)和反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計提出迫切要求；化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和化工單元操作的理論和實踐奠定了該學(xué)科深厚的基礎(chǔ)[2]；數(shù)學(xué)模型方法和高性能電子計算機的應(yīng)用為反應(yīng)工程理論研究提拱有效支撐。

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者基于化工生產(chǎn)過程和實驗研究陸續(xù)出版一系列相關(guān)著作和教材，并圍繞著化工領(lǐng)域的共性問題形成了較為完整的課程體系。近些年來，全球經(jīng)濟進入高速發(fā)展階段，經(jīng)濟社會發(fā)展正推動著化工產(chǎn)業(yè)步入高質(zhì)量發(fā)展軌道。新一輪產(chǎn)業(yè)革命日新月異，化工產(chǎn)業(yè)面臨著重要的戰(zhàn)略發(fā)展期。以傳統(tǒng)化石能源為基礎(chǔ)的化工產(chǎn)業(yè)必將根據(jù)當(dāng)前“雙碳目標(biāo)”背景做出適時調(diào)整，推動我國化工產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、節(jié)能降碳。這就要求《化學(xué)反應(yīng)工程》課程內(nèi)容進行補充和拓展，以適應(yīng)化工產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。此外，高校的工科課程大多表現(xiàn)為單純給學(xué)生傳授課本知識，鮮少聯(lián)系當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)實踐，課堂上習(xí)慣用空洞的說教育人，鮮少通過啟發(fā)式教學(xué)和教學(xué)相長促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)[3]。

2.“雙碳”背景下《化學(xué)反應(yīng)工程》課程發(fā)展現(xiàn)狀

為實現(xiàn)人類社會發(fā)展中能源、資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，2015年的《巴黎協(xié)定》提出在21世紀(jì)中葉實現(xiàn)全球碳中和[4]。2020年9月，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上莊嚴(yán)承諾：中國的二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。據(jù)統(tǒng)計，目前我國煤炭資源利用量、石油和天然氣進口量均位列全球第一，傳統(tǒng)能源的廣泛使用致使CO2排放總量同樣位列全球第一[5-6]。為保障我國能源資源的有效安全供給，并在未來短短40年內(nèi)實現(xiàn)“3060雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)”，必須進行能源供給側(cè)改革、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，逐步建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的技術(shù)體系。能源轉(zhuǎn)型是大勢所趨，化石能源占比將會逐漸降低，非化石能源的貢獻將會不斷增大[7-9]。

作為世界規(guī)模最大的行業(yè)，能源化工產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷著一場變革和新生，通過采用能源利用創(chuàng)新技術(shù)和節(jié)能增效創(chuàng)新方法來減少碳足跡、提高能源利用效率，從而實現(xiàn)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展[10]。隨之帶來“碳達峰”“碳中和”和“新能源”等新概念的不斷提出，綠色化工高新技術(shù)和提質(zhì)增效創(chuàng)新方法陸續(xù)涌現(xiàn)，能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和技術(shù)升級穩(wěn)妥推進[9]?！半p碳”背景下化工產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型迫切需要建立與之相匹配的課程體系。由于可再生能源種類繁多，新能源轉(zhuǎn)換方式和技術(shù)特點各異，太陽能發(fā)電、水電解制氫、生物質(zhì)制氫、燃料電池發(fā)電、光電化學(xué)反應(yīng)、CO2資源化利用等過程均涉及眾多化工基礎(chǔ)問題。電化學(xué)工程、光化學(xué)工程和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化化學(xué)工程等領(lǐng)域化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和傳質(zhì)過程科學(xué)規(guī)律亟待歸納總結(jié)，以期形成新能源化工特色的理論基礎(chǔ)，從而為提高可再生能源利用效率，促進可持續(xù)綜合能源系統(tǒng)發(fā)展，實現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)奠定堅實基礎(chǔ)。

基于此，《化學(xué)反應(yīng)工程》這門化工產(chǎn)業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程需要與時俱進，不斷補充和完善產(chǎn)業(yè)革命帶來的新內(nèi)容、新問題和新理論。從新的化工生產(chǎn)過程和新技術(shù)中不斷總結(jié)歸納出涉及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的共性問題，作為課程的優(yōu)異補充從而形成《化學(xué)反應(yīng)工程》課程的創(chuàng)新知識體系，將會為化工產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

3.智慧教育創(chuàng)新發(fā)展新模式

當(dāng)前，大數(shù)據(jù)、云計算、移動通訊等信息技術(shù)突飛猛進。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)正逐漸影響著人們的工作和學(xué)習(xí)方式。2018年，教育部將“智慧教育創(chuàng)新發(fā)展”作為實施教育信息化的八大行動之一。當(dāng)前社會不僅讓學(xué)生見證了科技的力量，也催生了智慧教育新形態(tài)。給人們的生活方式帶來了變化，全球產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈也面臨重塑機遇和挑戰(zhàn)。教與學(xué)的主陣地從實體課堂轉(zhuǎn)移至線上。僅截至2020年5月初的統(tǒng)計顯示，全國共有1454所高校開展在線教學(xué)，百萬教師在線合計開課1226萬門次，參加在線學(xué)習(xí)的大學(xué)生合計23億人次[11]。在此期間，我國政府部門大力推進教育信息化基礎(chǔ)建設(shè)，企事業(yè)機構(gòu)也紛紛推出新型智慧教學(xué)平臺，為中國教育改革提供創(chuàng)新途徑。

數(shù)字化技術(shù)開創(chuàng)了教學(xué)模式的新思路，但同時也逐漸暴露出一些問題。許多教師的教育理念停留在實體課堂，只是將教授內(nèi)容簡單的搬至線上；在線教學(xué)平臺處于發(fā)展初期，教師和在線平臺缺少有效溝通，并未形成信息化教育合力；學(xué)生長時間面對網(wǎng)絡(luò)，易受到游戲、不良信息和八卦娛樂等誘惑，學(xué)習(xí)效果參差不齊。數(shù)字化信息技術(shù)為教育變革提供了廣闊空間，迫切需要教師和學(xué)生緊跟時代步伐，及時轉(zhuǎn)換教育理念，借助信息化教學(xué)直觀、生動、形象等優(yōu)勢，在磨合中積累經(jīng)驗，建立常態(tài)下課堂教育為主、線上智慧教育為輔的教學(xué)模式。

4.“雙碳”背景下智慧教育助力化學(xué)反應(yīng)工程課程建設(shè)

《化學(xué)反應(yīng)工程》是化學(xué)工程類本科生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程以工業(yè)反應(yīng)過程為對象，研究化學(xué)反應(yīng)與動量、熱量、質(zhì)量傳遞交互作用下的宏觀反應(yīng)過程。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，該課程圍繞著傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)構(gòu)建起較為完整的課程體系?；趧?chuàng)新教育和“雙碳”背景新形勢，逐漸豐富化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展中涉及《化學(xué)反應(yīng)工程》課程的新知識，探索智慧教育推進《化學(xué)反應(yīng)工程》課程改革新模式，強化綠色低碳循環(huán)發(fā)展背景下的化學(xué)反應(yīng)工程分析能力，可實現(xiàn)智慧教育和課程建設(shè)的融合發(fā)展?；诖耍疚闹耐卣拐n程內(nèi)容、融合智慧教育、整合教學(xué)資源和強化教學(xué)效果等方面進行課程改革建設(shè)闡述，力爭《化學(xué)反應(yīng)工程》課程在綠色低碳化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下實現(xiàn)實體課堂和線上教學(xué)模式的融合并進。

(1)拓展課程內(nèi)容

科教興國和人才強國已成為我國重要的發(fā)展舉措，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略則推動化工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。在碳達峰和碳中和目標(biāo)背景下，太陽能、氫能和生物質(zhì)能等新能源將會迎來一輪新的發(fā)展浪潮?；诰G色低碳的化工產(chǎn)業(yè)升級，需要調(diào)研并總結(jié)能源轉(zhuǎn)型化工創(chuàng)新技術(shù)和節(jié)能增效創(chuàng)新方法中化學(xué)反應(yīng)和傳熱傳質(zhì)的內(nèi)在科學(xué)規(guī)律，豐富和完善《化學(xué)反應(yīng)工程》課程的基本理論知識，聚焦光電轉(zhuǎn)化和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)中化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)共性問題以及“納微氣泡”和超重力等創(chuàng)新方法中強化傳質(zhì)科學(xué)本質(zhì)，不斷豐富和拓寬《化學(xué)反應(yīng)工程》課程內(nèi)容，適當(dāng)引入智慧化管控和節(jié)能增效新理念，以適應(yīng)化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型過程中對化學(xué)工程相關(guān)知識需求的變化趨勢，以高質(zhì)量教育和創(chuàng)新型人才培育推動技術(shù)進步，從而最終支撐引領(lǐng)我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

(2)融合智慧教育

智慧教育利用數(shù)字化智能信息技術(shù)為手段，以促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)為目標(biāo)，實現(xiàn)智慧技術(shù)和課堂教學(xué)的融合創(chuàng)新發(fā)展[12]?！痘瘜W(xué)反應(yīng)工程》課程建設(shè)可借助企業(yè)成熟的智慧教學(xué)云平臺，創(chuàng)設(shè)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化、交互化和智能化學(xué)習(xí)環(huán)境，構(gòu)建實體課堂和線上教育一體化的教學(xué)場景，推動《化學(xué)反應(yīng)工程》智慧教學(xué)模式創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和科研興趣，實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)和引導(dǎo)式教學(xué)的育人模式。通過智能化的企業(yè)服務(wù)平臺，實現(xiàn)多種教學(xué)資源的開發(fā)共享和綜合應(yīng)用，完成動態(tài)學(xué)習(xí)評價和資源推送，實現(xiàn)服務(wù)云的多級互聯(lián)互通。在“分析、評價、創(chuàng)造”高級認(rèn)知層級實現(xiàn)《化學(xué)反應(yīng)工程》智慧教學(xué)新模式的創(chuàng)設(shè)。

(3)整合教學(xué)資源

實體課堂和智慧平臺相結(jié)合的教學(xué)模式可以實現(xiàn)課程資料的共享和整合，為《化學(xué)反應(yīng)工程》智慧課程建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ)。以現(xiàn)有教育教學(xué)團隊為基礎(chǔ)，整理實體課堂教材、課件和習(xí)題資源，通過企業(yè)智慧教學(xué)云平臺進行模塊化分解，融合課程相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源和工業(yè)實例，形成完整的《化學(xué)反應(yīng)工程》課程的教學(xué)資源庫，為學(xué)生提供開放的學(xué)習(xí)場景和資源共享氛圍，實現(xiàn)從“靜態(tài)資料”到“動態(tài)活動”的教學(xué)資源演變，以及從課堂固化到線上開放的跨越，提升學(xué)生應(yīng)用課程知識分析和解決實際問題能力。此外，可以借助智慧教學(xué)云平臺發(fā)掘?qū)W生的學(xué)習(xí)主動性，共同參與到教學(xué)資源的完善之中。在此基礎(chǔ)上，將兩種教學(xué)模式的資源和材料進行整合，從而形成“立體化”的《化學(xué)反應(yīng)工程》課程資源新體系。

(4)強化教學(xué)效果

運用智慧化課堂教學(xué)新理念，分析實體課堂教學(xué)的現(xiàn)存問題，通過實時互動和視頻教學(xué)等新手段激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，充分利用豐富的教學(xué)資源引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，結(jié)合云平臺提供的教學(xué)活動過程性評估和統(tǒng)計分析獲得實時反饋，利于教學(xué)過程及時進行調(diào)整，促進教學(xué)相長，形成持續(xù)有效地提高教學(xué)質(zhì)量。通過科研實例和工業(yè)案例，引導(dǎo)學(xué)生運用《化學(xué)反應(yīng)工程》的基礎(chǔ)知識和基本原理對化工生產(chǎn)過程的工程問題進行分析，從而強化課堂知識的學(xué)習(xí)和消化，并激發(fā)學(xué)生科研興趣和創(chuàng)新意識?！罢n堂故事”的授課方式不僅開拓了學(xué)生的視野，也改善學(xué)生的聽課狀態(tài)和教學(xué)效果。通過引入視頻、計算機模擬和可視化實驗等智慧教學(xué)模式，促進學(xué)生對《化學(xué)反應(yīng)工程》基本原理從多層次和多角度進行深入理解，從而將復(fù)雜生澀的科學(xué)問題生動形象的加以闡釋，從而促進學(xué)生對《化學(xué)反應(yīng)工程》部分抽象知識的深入理解。

5.結(jié)語

在“3060雙碳目標(biāo)”背景下，《化學(xué)反應(yīng)工程》課程建設(shè)面臨新的任務(wù)和挑戰(zhàn)。面對未來能源化工發(fā)展新形勢，及時補充《化學(xué)反應(yīng)工程》學(xué)科涌現(xiàn)的能源化工新技術(shù)和過程強化新方法，總結(jié)新能源產(chǎn)業(yè)過程中“生物/光/電化學(xué)反應(yīng)”的科學(xué)本質(zhì)及其內(nèi)在規(guī)律，闡明反應(yīng)中的傳質(zhì)、傳熱機理及其反應(yīng)工程特性，從而賦予反應(yīng)工程學(xué)科新的生命力。面對數(shù)字化教育新浪潮，迫切需要高校教師持續(xù)不斷在技術(shù)、工具、語言、數(shù)據(jù)庫等方面進行《化學(xué)反應(yīng)工程》智慧課程開發(fā)與更新，以數(shù)字化技術(shù)推動課程教學(xué)資源和教學(xué)活動無縫銜接。在此過程中逐漸形成完整的教學(xué)內(nèi)容，確立合理的評價體系，實現(xiàn)智慧教育和實體課堂的融合相長，應(yīng)用創(chuàng)新的數(shù)字化教育強化教學(xué)效果，實現(xiàn)線上和線下教學(xué)相輔相成的智慧教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)靈感，促進交互性教育環(huán)境的形成。

因此，圍繞“3060雙碳目標(biāo)”的化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，通過文獻調(diào)研和知識歸納拓展課程資料，借助智慧教學(xué)平臺實現(xiàn)課程資料共享和持續(xù)完善，結(jié)合智慧化課堂理念提升教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，最終實現(xiàn)“雙碳”背景下《化學(xué)反應(yīng)工程》智慧課程建設(shè)，為未來能源化工技術(shù)研發(fā)和高端化工人才培養(yǎng)提供有效教學(xué)支撐。