面向“双碳”目标人才培养的工业化学课程教学改革探索与实践

基金项目：北京市与中央共建人才培养项目“以拔尖创新人才为目标的机械类专业实践教学的改革与实践”（JWGJ201912）；北京化工大学机电工程学院教改项目“大学生教学做合一班级创新团队模式建设探索研究”（B202220）

第一作者简介：王庆锋（1972-），男，汉族，山东聊城人，博士，教授，硕士研究生导师。研究方向为旋转设备预测与健康管理、高等教育管理。

*通信作者：马艳娥（1972-），女，汉族，河北衡水人，硕士，讲师，硕士研究生导师。研究方向为高等教育管理。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.032

摘  要：为培养“双碳”目标高等教育紧缺专业人才，过程装备与控制工程专业工业化学课程“教”与“学”的模式需要与时俱进，改变以教师为中心的教学模式，建立以学生为中心的教学模式势在必行。该文针对工业化学课程教学过程中存在的“双碳”目标教育内容不足问题，初步探索通过增加绿色工程教育内容、实施项目驱动教学、建设跨学科的工业化学师资队伍和建立与“双碳”目标人才培养相适应的教学评价方法等措施来提高教学质量，并提出“双碳”目标下工业化学课程体系改革建议，为培养“双碳”目标紧缺人才提供参考和应用实践。

关键词：“双碳”目标；绿色工程；教学模式；项目驱动教学；教学评价

中图分类号：G642     文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）19-0135-04

Abstract： In order to cultivate the shortage of professional talents in higher education with dual carbon objectives， the "teaching" and "learning" mode of industrial chemistry course of process equipment and control engineering needs to keep pace with the times. It is imperative to change the teacher-centered teaching mode and establish a student-centered teaching mode. Aiming at the problem of insufficient content of dual-carbon target education in the teaching process of industrial chemistry course， this paper preliminarily explores the measures to improve the teaching quality by increasing the content of green engineering education， implementing project-driven teaching， building interdisciplinary industrial chemistry teachers， and establishing teaching evaluation methods suitable for the cultivation of dual-carbon target talents， and puts forward suggestions for the reform of industrial chemistry curriculum system under the dual-carbon target. The research is to provide reference and application practice for the cultivation of dual-carbon target talents.

Keywords： "double carbon" target; green project; teaching mode; project-driven teaching; teaching evaluation

“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等各大会议上确立的纲领性文件，为我国工程教育改革探索出一条新路径[1]。新工科建设强调在实践中开展研究，在研究中解决实践问题。实践教学是过程装备与控制工程专业人才培养的重要组成部分，也是当前高校紧跟“双碳”目标需求、强化新工内涵建设的重要手段[2-4]。2022年教育部印发的《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》为高校新工科人才培养与高等教育改革指明了方向[5-6]。工业化学是过程装备与控制工程专业的专业核心课；它运用化工过程的基本原理，阐明化工产品的生产方法、工艺原理、典型流程、关键设备、工艺操作条件与节能减排途径；通过学习典型的化工生产工艺过程，使过程装备与控制工程专业学生熟悉化工工艺方面的基本知识及化工计算的基本方法，掌握化工生产过程基本组成、单元操作及分类、工艺条件与过程装备的关系。相关数据显示，截至2020年底我国石化化工行业碳排放总量接近14亿吨，占全国碳排放总量的12%左右[7]。“双碳”目标下，工业化学课程在培养绿色低碳新工科人才方面发挥着重要作用。传统的过程装备与控制工程工业化学课程教学存在绿色低碳教育内容不足，如何通过强化绿色工程教育[8]并增加智能优化制造技术教学内容、执行项目驱动教学课程实施方案[9]、培养碳达峰与碳中和工业化学师资队伍等措施来培养“双碳”目标急需人才，积极探索“双碳”目标下的工业化学课程实施方案和人才培养模式，是当前工业化学课程教学迫切需要解决的问题。本文以工业化学教学实践为例，介绍了北京化工大学机电工程学院面向“双碳”目标人才培养的教学改革探索和实践[10]。

一  工业化学课程的特点和传统教学方法、教学内容存在的不足

（一）  工业化学专业课程特点

1  工程实践性强

工业化学课程是一门理论联系实际、应用性较强的课程，本课程选择石油炼制、石油化工、工业制硫酸、工业制纯碱、氨合成、甲醇合成、尿素合成典型化工过程及设备的生产工艺作为教学内容，主要介绍将原料经过化学和物理变化生产化工产品的方法和过程。掌握化工工艺特点和工艺条件，理解化工设备的结构、原理和功能都需要丰富的工程实践知识。工业化学课程需要紧跟化学工业前沿工程技术的最新实践开展教学，比如：发展氢能新能源工业是达到“双碳”目标的重要途径，干气制氢、电解制氢、水煤气制氢、甲醇裂解制氢、氢油制氢和重油制氢等工艺路线呈多样化发展；制氢工艺路线的选择不仅仅考虑技术可行性、经济合理性，还要考虑能源消耗、CO2排放强度等指标。

2  专业基础性强

学好工业化学课程，教师和学生都要具备化工原理、工程材料、工程热力学专业基础知识，还需要掌握流体机械、过程装备与控制工程技术等方面的专业知识。理解过程装备在化工工艺生产中的地位和作用，还要熟悉流体输送、过滤、混合、换热、蒸发、干燥、结晶、蒸馏或精馏、吸收、吸附、粉碎、颗粒分级和流态化等单元操作基本知识。工业化学课程教学需要跨学科、跨领域的专业师资队伍。能够综合运用自然科学、工程技术和科学基础知识，针对典型化工过程问题，运用理论分析、数值模拟和科学实验，对涉及过程装备的相关问题能够采取科学合理的方法进行分析研究，包括建立分析模型、设计实验，并得出有效可信的结论。

3  工艺技术更新速度快

工业互联网、大数据、人工智能等技术赋能流程工业生产工艺装置，形成先进生产控制、分子炼油、数字孪生等智能制造技术，为化工生产过程绿色化、智能化提供了支撑技术。先进过程控制技术（Advanced Process Control，APC），它将化工工艺、化学工程、计算机、仪表、过程控制理论与先进控制技术相结合，用于优化生产工艺操作，实现工艺生产的平稳性、连续性和绿色节能。分子炼油技术，它从分子水平来认识石油加工过程，准确预测产品性质，优化工艺和加工流程，提升每个分子的价值；它是提升石油炼制效率、降低炼油能耗的可行路线。数字孪生智能制造技术应用于化工生产装置全流程优化运行，推动流程工业智能化绿色化转型。

（二）  传统工业化学课程教学模式存在的不足

1  理论和实践结合不紧密

针对典型化工产品的生产方法、工艺原理、典型流程和关键设备的内容讲解，一般从原料制备、化学反应、产品精制三个方面讲解原料物经过单元过程或单元操作转变为产品的化工生产过程。对于影响产品生产工艺连续性、平稳性、安全性和经济性的单元操作、单元过程、装备与过程匹配性的危险因素识别、预防控制措施及工艺流程的自动化控制与监测方法、先进过程控制技术很少在课堂上能够听到；学生在课堂上很难听到老师讲解工艺过程中的节能型设备、节能型工艺、节能型材料。工艺流程图中单元操作、单元过程等知识点的讲解，不与生产实践需求相结合，难以培养学生解决工程实践问题的能力。

2  绿色工程教育内容偏少

绿色过程工程是人类和过程工业可持续发展的客观要求，是当今国际过程工程科学发展的前沿，它吸收了当代化工、材料、信息等科学的最新理论和高新技术。从环境观点看，它从源头上消除污染；从经济观点看，它合理利用资源、能源来降低成本，符合经济可持续发展的要求。在实践教学中融入绿色工程教育理念，是培养“双碳”目标人才的重要途径之一。先进生产控制技术、分子炼油技术、数字孪生智能制造技术、高效催化合成技术、化工精馏高效节能技术、能源梯级利用技术、过程装备无级气量调节技术和轴端/级间密封等节能减排技术可作为绿色工程教育内容。传统课堂教学内容未能做到与时俱进，在培养具有绿色工程教育资质的教师队伍方面也难以取得实质性突破。

3  满堂灌教学模式弊病多

传统的工业化学课程教学以教师为中心，以教师讲述、讲解、讲演为主要方式来向学生传授工业化学课程中单元过程、单元操作、工艺流程、装备功能原理知识和技能等方面的知识，这种教学模式以完成教学大纲规定的教学内容为前提，老师讲的多、学生参与少；平铺直叙多、创设情景少；点状发散内容多、结构知识少；结论性知识多、推理性分析少。满堂灌教学模式，忽略了学生课堂学习质量，压抑了学生对学习新知识的思维过程，扼杀了学生的创新创造力，学生机械地、被动地接受老师灌输的知识，导致学生运用所学知识分析、解决问题能力较差。

二  “双碳”目标下工业化学课程改革与探索

由以“教”为主向以“学”为主的教学模式发展，把教学内容设计为一个个既独立又相互联系的项目，围绕具体项目开展教学，将教学与科学实践有机结合，以学生为中心，通过让学生参与并完成项目，提高其自主学习能力和工程实践能力，创新形成以学生为主体、教师为主导、项目为主线的新型工业化学课程教学模式。

（一）  增加绿色工程教育和绿色智能制造技术教学内容

1  先进过程控制技术

先进过程控制系统是将整个生产装置或者某个工艺单元作为一个整体研究对象，首先建立过程多变量控制器模型，利用模型预测生产过程的变化，通过提前调节多个相关的操作变量，提高装置运行的平稳性。先进过程控制技术使装置处于最优操作点附近运行（卡边操作），从而最大限度地提高目的产品收率、降低消耗，增加经济效益。

2  绿色智能制造技术

党的二十大报告提出要“推动制造业高端化、智能化、绿色化发展”，积极引导企业智能化绿色化转型。绿色智能制造是以可持续发展理念为指导，将工业互联网、大数据和人工智能等技术与自动化、精益生产、能效管理等先进生产运营技术相融合，并与通信技术、数字技术、能源技术协同应用于制造业的整个流程，如基于工业互联网的智能运维技术、绿色智能工厂数字孪生技术等。智能制造实现生产过程的智能化、自动化和数字化，提高生产效率和产品质量。绿色制造实现在生产过程中尽可能减少对环境的影响，实现可持续发展。