“碳中和”背景下《化工工藝學(xué)》課程教學(xué)改革與探索*

楊 浩，馮佃慧，趙玉潮，王 磊，王文華

(煙臺大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺 264005)

為深入貫徹黨中央、國務(wù)院關(guān)于碳達(dá)峰、碳中和的重大戰(zhàn)略部署，教育部于2021年7月和2022年5月先后引發(fā)《高等學(xué)校碳中和科技創(chuàng)新行動計劃》和《加強(qiáng)碳達(dá)峰碳中和高等教育人才培養(yǎng)體系建設(shè)工作方案》，指出高等學(xué)校要發(fā)揮高?；A(chǔ)研究主力軍和重大科技創(chuàng)新策源地作用，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提供科技支撐和人才保障[1-2]。因此，高校應(yīng)將“碳中和”理念與實(shí)踐融入化工學(xué)科教育和人才培養(yǎng)體系中，提升化工專業(yè)學(xué)生的綠色化工能力。

《化工工藝學(xué)》作為一門專業(yè)性、綜合性較強(qiáng)的課程，對學(xué)生的學(xué)科基礎(chǔ)知識掌握程度要求較高，需要對基礎(chǔ)專業(yè)理論知識充分掌握，并運(yùn)用學(xué)過的基礎(chǔ)理論解決工程實(shí)際問題。但化工工藝具有流程復(fù)雜、內(nèi)容多、知識更新快等特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生對化工工藝?yán)斫獠簧羁蹋瑢W(xué)習(xí)興趣差。同時，如何將課程內(nèi)容與“碳中和”戰(zhàn)略有機(jī)融合，樹立學(xué)生的“碳中和”意識，掌握綠色化工的原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生形成“碳中和”思維模式和大局觀，是“碳中和”目標(biāo)下《化工工藝學(xué)》教學(xué)改革面臨的重要問題。本文基于“碳中和”目標(biāo)背景，針對《化工工藝學(xué)》教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題，提出改善措施以提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的“碳中和”工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1 “碳中和”的背景和意義

不可再生能源(石油、煤、天然氣等)的過度開發(fā)和使用，使大量溫室氣體釋放，導(dǎo)致全球氣候變暖并導(dǎo)致一系列環(huán)境問題，對人類社會構(gòu)成嚴(yán)重危害。自1850-2022年，全球大氣平均二氧化碳濃度由285 ppm增加到419 ppm，全球平均表面溫度約升高0.97～1.21 ℃，預(yù)計到2050年全球溫室氣體排放將增加50%。如果不采取有效的措施降低二氧化碳排放，全球大氣平均二氧化碳濃度、全球表面和海洋溫度將持續(xù)升高，會導(dǎo)致物種滅絕、生物多樣性喪失、干旱、洪水、森林火災(zāi)、海洋酸化、冰川融化和海平面上升等一系列重大問題。

為應(yīng)對以上問題，諸多國家將“碳達(dá)峰、碳中和”作為國家戰(zhàn)略。“碳達(dá)峰”是指二氧化碳排放量達(dá)到歷史最高值，達(dá)峰之后進(jìn)入逐步下降階段?！疤贾泻汀笔侵付趸嫉呐欧帕颗c二氧化碳的去除量相互抵消，使二氧化碳達(dá)到凈零排放。2015年12月12日，195個國家在聯(lián)合國氣候峰會中制定并通過《巴黎協(xié)定》，以部署2020年以后氣候變化的全球行動計劃，冀望能共同遏阻全球暖化失控趨勢。根據(jù)《巴黎協(xié)定》，將全球溫度升高限制為低于2 ℃，并努力將全球溫度升高限制為小于1.5 ℃。截至2021年2月，全世界124個國家宣布將在2050年或2060年到達(dá)碳中和并實(shí)現(xiàn)零凈碳排放。

我國過去的粗放型增長方式會導(dǎo)致能源消耗過快和生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞，亟需轉(zhuǎn)型到依靠知識和技術(shù)的發(fā)展階段。加強(qiáng)應(yīng)對氣候變化，轉(zhuǎn)型為綠色低碳發(fā)展符合自身的發(fā)展利益，同時可以形成國內(nèi)低碳行動與全球氣候治理的良性互動。2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上表示“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！敝醒胝尉值诙糯渭w學(xué)習(xí)時指出：“實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是我國向世界作出的莊嚴(yán)承諾，也是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會變革，絕不是輕輕松松就能實(shí)現(xiàn)的?！弊鳛槲覈卮髴?zhàn)略，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和部分目的在于引領(lǐng)中國能源轉(zhuǎn)型，從以煤油氣為一次能源、電為二次能源，向電熱為一次能源、氫為二次能源轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變的本質(zhì)是有碳能源向無碳能源發(fā)展，是構(gòu)建新發(fā)展格局、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必須要求，也對加強(qiáng)新時代人才培養(yǎng)提出了新要求[3-4]。

2 “碳中和”與化工行業(yè)

化工行業(yè)是我國高能耗行業(yè)之一，碳排放強(qiáng)度很高，節(jié)能潛力巨大。2019年，我國化工行業(yè)碳排放量約5.88億噸，約占工業(yè)領(lǐng)域總排放的16.7%，占全國能源碳排放6%?；ば袠I(yè)“碳中和”目標(biāo)的提出與落實(shí)，對我國的節(jié)能減排具有重大影響?！吨泄仓醒雵鴦?wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》指出要深度調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，制定包括化工行業(yè)在內(nèi)的重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案。對于化工行業(yè)而言，“碳中和”帶來了技術(shù)、工藝、成本、管理等諸多方面的挑戰(zhàn)。在實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)過程中，從源頭上減少二氧化碳排放是重要一環(huán)，二氧化碳回收、存儲和利用更不可忽視。碳捕集、利用與封存是應(yīng)對全球氣候變化關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)為多國所重視。碳捕集是化工行業(yè)將化石能源過程中產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)行分離和富集的過程；碳封存是通過工程技術(shù)手段將捕集的二氧化碳儲存于地質(zhì)構(gòu)造中，實(shí)現(xiàn)與大氣長期隔絕的過程；碳轉(zhuǎn)化則是通過化學(xué)、生物等各種反應(yīng)，將二氧化碳轉(zhuǎn)化成有價值的目標(biāo)產(chǎn)物，如二氧化碳制化學(xué)品及燃料等。做好碳捕集、利用和封存是未來化工行業(yè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模減排的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)長期絕對減排和能源系統(tǒng)深度低碳轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)選擇[5]。

3 《化工工藝學(xué)》教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題

《化工工藝學(xué)》是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心專業(yè)課，它是一門理論聯(lián)系實(shí)際且應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，是以典型化工產(chǎn)品和工藝過程為主要研究對象，通過學(xué)習(xí)典型化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程的方法、原理、流程及工藝條件，理解化工產(chǎn)品生產(chǎn)的基本原理和化工生產(chǎn)中的設(shè)備材質(zhì)、安全生產(chǎn)、三廢治理等問題，掌握運(yùn)用學(xué)過的基礎(chǔ)理論解決工程實(shí)際問題的能力，知曉當(dāng)今化學(xué)工業(yè)概貌及其發(fā)展方向。以便在生產(chǎn)與開發(fā)研究工作中開拓思路，觸類旁通，靈活運(yùn)用，不斷開發(fā)應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品和新設(shè)備，降低生產(chǎn)過程中的原料與能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，更好地滿足社會需要[6]。

3.1 理論知識與實(shí)際工藝脫離

《化工工藝學(xué)》是一門應(yīng)用型化工專業(yè)課程，需要學(xué)生在掌握高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程和化工熱力學(xué)等課程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用相關(guān)專業(yè)知識解決化工生產(chǎn)過程的實(shí)際問題。但是，目前的高校教師大多一直在高校從事科研工作，通常不是來自于化工生產(chǎn)第一線，不具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，在教學(xué)過程中對于基礎(chǔ)理論知識較為重視，弱化了工程實(shí)踐教學(xué)。同時，《化工工藝學(xué)》是以經(jīng)典化工產(chǎn)品和工藝過程為基礎(chǔ)，對生產(chǎn)工藝過程的方法、原理、流程、工藝條件、設(shè)備、安全及環(huán)保進(jìn)行授課。但經(jīng)典化工工藝過程與實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)工藝較為割裂，導(dǎo)致在教學(xué)過程中難以將企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際問題通過理論知識的講解進(jìn)行解決。這使得學(xué)生無法將理論知識與實(shí)際化工生產(chǎn)工藝緊密聯(lián)系，對實(shí)際化工工藝沒有深刻認(rèn)知，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。最終導(dǎo)致化學(xué)工程與工藝專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)后無法第一時間進(jìn)入第一線工作，將課本知識轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

3.2 教學(xué)方法單一，教學(xué)內(nèi)容未與時俱進(jìn)

《化工工藝學(xué)》需要結(jié)合當(dāng)前社會環(huán)境，根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況對書本內(nèi)容進(jìn)行深入挖掘，激發(fā)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的興趣，發(fā)揮其主觀能動性。但是，目前教學(xué)過程中大多數(shù)采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，通過課件(PowerPoint)的形式將課本內(nèi)容進(jìn)行展示和講解，并通過布置隨堂或課后作業(yè)的方式對知識點(diǎn)進(jìn)行鞏固。這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式無法體現(xiàn)出《化工工藝學(xué)》這門課程的內(nèi)在核心，同時難以激發(fā)學(xué)生對此課程的興趣，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，不利于教學(xué)質(zhì)量的提升。此外，教科書中的內(nèi)容一般為極其成熟的化工工藝，但隨著國家“碳中和”戰(zhàn)略的提出，傳統(tǒng)工藝無法滿足其要求。而教師在授課過程中主要以教科書內(nèi)容為主，無法將前沿技術(shù)融入經(jīng)典化工工藝中。

3.3 對化工工藝認(rèn)知不清晰

《化工工藝學(xué)》這門課程在教學(xué)過程中會涉及很多化工設(shè)備和流程，但是在教學(xué)過程中難以使學(xué)生接觸到實(shí)際的化工設(shè)備和工藝流程，學(xué)生無法清晰的認(rèn)知實(shí)際化工工藝。

4 《化工工藝學(xué)》教學(xué)改革措施

針對以上問題，該課程從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式等方面進(jìn)行了改革探討，目的是提升教學(xué)質(zhì)量，將“碳中和”理念融入到化工工藝中，使學(xué)生具有“碳中和”意識和相應(yīng)的知識水平與創(chuàng)新能力，以實(shí)現(xiàn)“碳中和”背景下的培養(yǎng)目標(biāo)。

4.1 將“碳中和”理念融入教學(xué)中，培養(yǎng)具有“碳中和”意識的化工人才

根據(jù)“碳中和”需求和新工科建設(shè)要求，圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，準(zhǔn)確把握化工工藝學(xué)在課程體系中的定位和在專業(yè)畢業(yè)要求中的支撐作用，堅持價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)有機(jī)融合，明確課程目標(biāo)。將“碳中和”教育貫穿課程教學(xué)全過程，加強(qiáng)產(chǎn)教融合、科教融合，將學(xué)科新知識、新理論、新技術(shù)充實(shí)到教學(xué)內(nèi)容中，提升課程的高階性、突出創(chuàng)新性、增加挑戰(zhàn)度。要將《化工工藝學(xué)》這門專業(yè)課程與“碳中和”的社會需求、學(xué)科前沿相結(jié)合，將行業(yè)和企業(yè)實(shí)際案例、科研成果融入課程內(nèi)容，體現(xiàn)前沿性和時代性。

4.2 加強(qiáng)低碳教學(xué)內(nèi)容，緊跟“碳中和”技術(shù)前沿

在“碳中和”的背景下，《化工工藝學(xué)》的教學(xué)內(nèi)容需要緊跟科技前沿，將新設(shè)備、新工藝和新材料等引入課堂，不僅要強(qiáng)調(diào)化工工藝的基礎(chǔ)理論知識，也需要引入低碳工藝，引導(dǎo)節(jié)能降耗思維，加強(qiáng)低碳知識教育，倡導(dǎo)低碳理念?，F(xiàn)階段所使用的《化工工藝學(xué)》教學(xué)課本大多為傳統(tǒng)的、成熟的化工工藝，未能緊跟科技的發(fā)展。因此，需要將教材內(nèi)容和社會實(shí)際情況相結(jié)合，在教學(xué)過程中引入符合“碳中和”要求的前沿知識和工藝，培養(yǎng)學(xué)生“碳中和”理念的科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力。

教學(xué)內(nèi)容中，在原有《化工工藝學(xué)》內(nèi)容上增加有關(guān)碳捕集、碳封存和碳轉(zhuǎn)化方面的工藝。在電熱為一級能源、氫為二級能源時代轉(zhuǎn)型過程中，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的二氧化碳減排主要是再電氣化，利用綠電和綠氫與二氧化碳通過綠色低碳技術(shù)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)減排，氫源主要是通過電置換出的干起及各種煤氣，也可以是低碳的天然氣甲烷或零碳的生物甲烷。通過二氧化碳、氫氣和甲烷的干重整，或二氧化碳、氫氣和甲烷在水的補(bǔ)充下濕重整，生產(chǎn)一氧化碳和氫氣的合成氣，進(jìn)行后續(xù)高值化或固碳減排[7]。例如，在化工原料及其初步加工和經(jīng)典無機(jī)化工工藝合成氨章節(jié)中，引入煤氣及干氣的二氧化碳干重整，特別是利用二氧化碳和氫氣反應(yīng)體系，可回收二氧化碳與各類氫資源干重整合成氣。合成氣可用于生產(chǎn)甲醇，甲醇經(jīng)MTO生產(chǎn)乙烯和丙烯，然后生產(chǎn)固體聚合物聚乙烯和聚丙烯等，可節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)碳源固化；或合成氣通過費(fèi)托合成生產(chǎn)高碳烴燃料，代替煤燃料，實(shí)現(xiàn)碳利用。在三廢處理中可重點(diǎn)引入膜分離技術(shù)相關(guān)內(nèi)容，膜分離技術(shù)作為高效節(jié)能的共性關(guān)鍵技術(shù)，可以為推進(jìn)零碳能源重構(gòu)、低碳流程再造、非二氣體減排、負(fù)碳體系構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)“碳中和”戰(zhàn)略提供堅實(shí)技術(shù)支撐，培養(yǎng)學(xué)生基于膜分離的低碳化工思維。

4.3 推動教學(xué)方式改革，從“教師中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生中心”

推行互動式、合作式、研討式、啟發(fā)式等教學(xué)方法，開展翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下混合式教學(xué)。將教學(xué)方式從“教師中心”向“學(xué)生中心”轉(zhuǎn)變、學(xué)習(xí)方式從“被動學(xué)習(xí)”向“主動學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的能力，使得學(xué)生主動具備“碳中和”理念。《化工工藝學(xué)》要突出課堂教學(xué)主陣地、主渠道、主戰(zhàn)場作用，創(chuàng)新教學(xué)方法，合理有效應(yīng)用數(shù)字化教學(xué)工具，打破課堂沉默狀態(tài)，煥發(fā)課堂生機(jī)活力，使學(xué)生可以積極互動，開闊思維，培養(yǎng)“碳中和”思維[8]。

4.4 充分利用線上/線下仿真資源，提高學(xué)生對化工工藝的具體認(rèn)知

強(qiáng)化線上/線下仿真資源的利用，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)解決實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難等問題，推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目融合，線上學(xué)習(xí)與模擬實(shí)訓(xùn)、線下研討交流，使得學(xué)生可以在仿真過程中深刻理解“碳中和”的重要性，掌握實(shí)際工藝中實(shí)現(xiàn)低碳的工藝方法。同時在課程中突出“碳中和”的社會關(guān)切與實(shí)際需求，注重低碳實(shí)踐鍛煉，加強(qiáng)“碳中和”的任務(wù)驅(qū)動能力，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決“碳中和”問題的能力。

4.5 完善課程考核，提高學(xué)生綜合素質(zhì)

充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，加強(qiáng)對學(xué)生課堂內(nèi)外、線上線下學(xué)習(xí)的過程考核與監(jiān)測，建立全過程學(xué)業(yè)評價方式，增加過程考核的占比，杜絕“期末一考定成績”。根據(jù)課程目標(biāo)，設(shè)定課程論文、課程小結(jié)、報告答辯、非標(biāo)準(zhǔn)化答案考試等多樣化考核方式，健全知識考核與能力考核、理論與實(shí)踐并重的多元化考核評價體系，保證學(xué)生成績的公平和公正，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力和專業(yè)志趣。通過多階段過程考核，實(shí)時把握學(xué)生知識掌握情況，并且在過程考核中強(qiáng)化低碳內(nèi)容，將“碳中和”理念貫穿于整個課程中，使低碳環(huán)保、節(jié)能減排等工藝技術(shù)完整融入到化工工藝中。

5 結(jié) 語

在“碳中和”背景下，《化工工藝學(xué)》的教學(xué)改革勢在必行。通過將低碳工藝和思維融入到《化工工藝學(xué)》中，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式等幾方面進(jìn)行教學(xué)改革，優(yōu)化教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)低碳的教學(xué)理念，提高學(xué)生對化工工藝中低碳內(nèi)容的興趣愛好，提升學(xué)生的低碳素養(yǎng)，培養(yǎng)具有“碳中和”意識的新型工程人才，為實(shí)現(xiàn)國家“碳中和”目標(biāo)而奮斗。