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雙碳目標(biāo)下化工分離工程案例教學(xué)探索

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雙碳目標(biāo)下化工分離工程案例教學(xué)探索

[摘要]在“雙碳”目標(biāo)背景下,化工專業(yè)的核心課程建設(shè)對(duì)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(duì)化工分離工程課堂教學(xué)進(jìn)行改革探索:在專業(yè)知識(shí)內(nèi)容方面,通過(guò)項(xiàng)目式和PBL式案例教學(xué)法,重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、工程實(shí)踐及團(tuán)隊(duì)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(shí)的交叉融合,積極引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的核心價(jià)值觀,心懷祖國(guó)的奉獻(xiàn)精神,為我國(guó)化工行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)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(xiàng)目式

中國(guó)高度重視氣候變化應(yīng)對(duì)與環(huán)境污染治理,國(guó)家主席在2020年時(shí)已宣布中國(guó)將力爭(zhēng)在2030年使二氧化碳排放量達(dá)到峰值,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[1]。目前,我國(guó)碳排放量達(dá)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn),以碳中和為目標(biāo),開發(fā)綠色化工過(guò)程,加快廢物資源化利用,推動(dòng)化學(xué)工業(yè)向高質(zhì)量、綠色可持續(xù)方向發(fā)展,將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)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(qiáng)化工人才培養(yǎng)力度,才能有效促進(jìn)化工行業(yè)高新技術(shù)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)化工行業(yè)碳中和目標(biāo)?;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(shí)踐問(wèn)題。作為化工專業(yè)的核心課程,如何在“雙碳”目標(biāo)的大背景下,探索本課程教學(xué)的新模式,實(shí)現(xiàn)“新工科+工程教育專業(yè)認(rèn)證+課程思政”指導(dǎo)下的人才培養(yǎng)目標(biāo),是擺在所有化工類高等院校面前亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。新工科建設(shè)為本課程提出了“瞄準(zhǔn)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(rèn)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(jìn)”的課程教學(xué)標(biāo)準(zhǔn);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(shí)踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力,引導(dǎo)學(xué)生心懷國(guó)家、甘于奉獻(xiàn),為我國(guó)社會(huì)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(guò)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(lì)學(xué)生對(duì)案例進(jìn)行深入討論,培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力,并掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。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(jī)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(shí),因而任課教師應(yīng)該主動(dòng)摒棄傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方法,給予學(xué)生更多的獨(dú)立思考機(jī)會(huì),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(shí),或者運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決案例中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題,這樣才能啟發(fā)和喚醒學(xué)生對(duì)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(shí)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(guò)程中,使學(xué)生很自然地接受思想理論知識(shí),甚至引起感情共鳴,對(duì)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(jī)結(jié)合,避免生搬硬套地堆砌思想理論知識(shí)。

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(guò)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(shí)涵蓋了熱力學(xué)、相平衡等基礎(chǔ)知識(shí)?;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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中非理想物系中混合物的分離與提純問(wèn)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(dòng)內(nèi)容,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)力,增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。

2.1項(xiàng)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(jìn)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(duì)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(xiàng)目式案例教學(xué)方式,請(qǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)一套合理膜分離凈水流程,使家用生活廢水實(shí)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(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)、成本價(jià)格等知識(shí),使學(xué)生充分了解各種膜分離器件的特點(diǎn)。根據(jù)上述知識(shí),學(xué)生繼續(xù)通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料,對(duì)膜分離技術(shù)加深了解,并結(jié)合項(xiàng)目目標(biāo),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(jì)的膜分離凈水流程。任課教師應(yīng)認(rèn)真批閱,從完成度、合理性、經(jīng)濟(jì)性等方面評(píng)估學(xué)生項(xiàng)目作品,并對(duì)共性問(wèn)題展開講解相關(guān)知識(shí)點(diǎn),最后任課教師對(duì)整個(gè)項(xiàng)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(shí)踐。通過(guò)項(xiàng)目式案例教學(xué)方式,學(xué)生能具有自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)力,在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中深入學(xué)習(xí)膜分離技術(shù)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn),達(dá)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(guò)程。例如,針對(duì)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(biāo),請(qǐng)學(xué)生解決合成氨化工生產(chǎn)中二氧化碳減排的實(shí)際問(wèn)題[6]。首先,任課教師可根據(jù)酸性氣體的特點(diǎn),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(shí)CO2可在降壓和升溫的情況下從溶液中解吸出來(lái),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(jìn)行分離工藝設(shè)計(jì),重點(diǎn)考慮吸收后富液的解吸問(wèn)題,貧液與半貧液流程設(shè)計(jì),以及能耗投資費(fèi)用等綜合因素。經(jīng)過(guò)上述的案例教學(xué),學(xué)生將對(duì)吸收原理、吸收-解吸流程、傳質(zhì)過(guò)程有更深刻的理解,從而提高學(xué)生對(duì)本知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。

3課程思政的案例教學(xué)

為貫徹對(duì)高等教育中立德樹人環(huán)節(jié)要求,實(shí)現(xiàn)全程育人與全方位育人目標(biāo),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(jìn)高校思政工作建設(shè)[7]。化工專業(yè)課程教學(xué)中,也應(yīng)密切結(jié)合課程內(nèi)容要點(diǎn),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(shí)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(guó)主義精神,樹立社會(huì)主義核心價(jià)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(duì)液體混合物的分離操作,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。我國(guó)采用萃取手段進(jìn)行分離的案例最早可追溯至秦漢時(shí)代,古人將本草用水煎煮可入藥,實(shí)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(shí)可設(shè)計(jì)一幕在東晉時(shí)代有人感染瘧疾的場(chǎng)景,采用情境式案例教學(xué)法,請(qǐng)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(shí),大家會(huì)馬上想到我國(guó)諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主屠呦呦女士,是她帶領(lǐng)研究組經(jīng)歷380多次的實(shí)驗(yàn),190多個(gè)樣品的測(cè)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(duì)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(wú)私奉獻(xiàn)的真實(shí)故事,鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)樹立正確的民族自信、文化自信,堅(jiān)持和認(rèn)同優(yōu)秀中華傳統(tǒng)歷史文化。進(jìn)一步,教師可引申到在中國(guó)共產(chǎn)黨成立95周年大會(huì)上所提出的“四個(gè)自信”、“四個(gè)意識(shí)”、“四個(gè)全面”等重要論述與核心內(nèi)涵,使學(xué)生充分感受到我國(guó)的制度優(yōu)勢(shì),鼓舞學(xué)生心懷國(guó)家、敢于奉獻(xiàn)、開拓進(jìn)取,為實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)而努力[8]。

3.2討論式案例教學(xué)

在“雙碳”目標(biāo)背景下,綠色化工過(guò)程是大勢(shì)所趨,原材料的凈化、“三廢”的資源化利用,對(duì)實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)的綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)、甚至實(shí)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(qǐng)學(xué)生自行資料查閱制作PPT完成匯報(bào),通過(guò)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(shí),樹立低碳生活的價(jià)值觀,推進(jìn)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè),促進(jìn)社會(huì)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(jué)培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí),求真務(wù)實(shí)地刻苦研究,不斷探索新知識(shí)新領(lǐng)域,儲(chǔ)備知識(shí)學(xué)好本領(lǐng),更應(yīng)該為我國(guó)化工行業(yè)的高新技術(shù)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。

4總結(jié)

在“雙碳”目標(biāo)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(jìn)行開展。通過(guò)引入項(xiàng)目計(jì)劃,引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題等方式,調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)力,促進(jìn)課程教學(xué)計(jì)劃的實(shí)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(qiáng)社會(huì)使命感,為祖國(guó)社會(huì)主義建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

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