“碳中和”背景下《化工工艺学》课程教学改革与探索*

杨 浩，冯佃慧，赵玉潮，王 磊，王文华

(烟台大学化学化工学院，山东 烟台 264005)

为深入贯彻党中央、国务院关于碳达峰、碳中和的重大战略部署，教育部于2021年7月和2022年5月先后引发《高等学校碳中和科技创新行动计划》和《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》，指出高等学校要发挥高校基础研究主力军和重大科技创新策源地作用，为实现碳达峰、碳中和目标提供科技支撑和人才保障[1-2]。因此，高校应将“碳中和”理念与实践融入化工学科教育和人才培养体系中，提升化工专业学生的绿色化工能力。

《化工工艺学》作为一门专业性、综合性较强的课程，对学生的学科基础知识掌握程度要求较高，需要对基础专业理论知识充分掌握，并运用学过的基础理论解决工程实际问题。但化工工艺具有流程复杂、内容多、知识更新快等特点，导致学生对化工工艺理解不深刻，学习兴趣差。同时，如何将课程内容与“碳中和”战略有机融合，树立学生的“碳中和”意识，掌握绿色化工的原理和方法，培养学生形成“碳中和”思维模式和大局观，是“碳中和”目标下《化工工艺学》教学改革面临的重要问题。本文基于“碳中和”目标背景，针对《化工工艺学》教学现状和存在的问题，提出改善措施以提高教学质量，提高学生的“碳中和”工程实践能力和创新能力。

1 “碳中和”的背景和意义

不可再生能源(石油、煤、天然气等)的过度开发和使用，使大量温室气体释放，导致全球气候变暖并导致一系列环境问题，对人类社会构成严重危害。自1850-2022年，全球大气平均二氧化碳浓度由285 ppm增加到419 ppm，全球平均表面温度约升高0.97～1.21 ℃，预计到2050年全球温室气体排放将增加50%。如果不采取有效的措施降低二氧化碳排放，全球大气平均二氧化碳浓度、全球表面和海洋温度将持续升高，会导致物种灭绝、生物多样性丧失、干旱、洪水、森林火灾、海洋酸化、冰川融化和海平面上升等一系列重大问题。

为应对以上问题，诸多国家将“碳达峰、碳中和”作为国家战略。“碳达峰”是指二氧化碳排放量达到历史最高值，达峰之后进入逐步下降阶段。“碳中和”是指二氧化碳的排放量与二氧化碳的去除量相互抵消，使二氧化碳达到净零排放。2015年12月12日，195个国家在联合国气候峰会中制定并通过《巴黎协定》，以部署2020年以后气候变化的全球行动计划，冀望能共同遏阻全球暖化失控趋势。根据《巴黎协定》，将全球温度升高限制为低于2 ℃，并努力将全球温度升高限制为小于1.5 ℃。截至2021年2月，全世界124个国家宣布将在2050年或2060年到达碳中和并实现零净碳排放。

我国过去的粗放型增长方式会导致能源消耗过快和生态环境严重破坏，亟需转型到依靠知识和技术的发展阶段。加强应对气候变化，转型为绿色低碳发展符合自身的发展利益，同时可以形成国内低碳行动与全球气候治理的良性互动。2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上表示“中国将提高国家自主贡献力度，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”中央政治局第二十九次集体学习时指出：“实现碳达峰、碳中和是我国向世界作出的庄严承诺，也是一场广泛而深刻的经济社会变革，绝不是轻轻松松就能实现的。”作为我国重大战略，实现碳达峰、碳中和部分目的在于引领中国能源转型，从以煤油气为一次能源、电为二次能源，向电热为一次能源、氢为二次能源转变，这一转变的本质是有碳能源向无碳能源发展，是构建新发展格局、实现高质量发展的必须要求，也对加强新时代人才培养提出了新要求[3-4]。

2 “碳中和”与化工行业

化工行业是我国高能耗行业之一，碳排放强度很高，节能潜力巨大。2019年，我国化工行业碳排放量约5.88亿吨，约占工业领域总排放的16.7%，占全国能源碳排放6%。化工行业“碳中和”目标的提出与落实，对我国的节能减排具有重大影响。《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》指出要深度调整产业结构，推动产业结构优化升级，制定包括化工行业在内的重点行业领域碳达峰实施方案。对于化工行业而言，“碳中和”带来了技术、工艺、成本、管理等诸多方面的挑战。在实现“碳中和”目标过程中，从源头上减少二氧化碳排放是重要一环，二氧化碳回收、存储和利用更不可忽视。碳捕集、利用与封存是应对全球气候变化关键技术之一，已经为多国所重视。碳捕集是化工行业将化石能源过程中产生的二氧化碳进行分离和富集的过程；碳封存是通过工程技术手段将捕集的二氧化碳储存于地质构造中，实现与大气长期隔绝的过程；碳转化则是通过化学、生物等各种反应，将二氧化碳转化成有价值的目标产物，如二氧化碳制化学品及燃料等。做好碳捕集、利用和封存是未来化工行业实现大规模减排的关键技术之一，也是实现长期绝对减排和能源系统深度低碳转型的重要技术选择[5]。

3 《化工工艺学》教学现状和存在的问题

《化工工艺学》是化学工程与工艺专业的核心专业课，它是一门理论联系实际且应用性较强的课程，是以典型化工产品和工艺过程为主要研究对象，通过学习典型化工产品的生产工艺过程的方法、原理、流程及工艺条件，理解化工产品生产的基本原理和化工生产中的设备材质、安全生产、三废治理等问题，掌握运用学过的基础理论解决工程实际问题的能力，知晓当今化学工业概貌及其发展方向。以便在生产与开发研究工作中开拓思路，触类旁通，灵活运用，不断开发应用新技术、新工艺、新产品和新设备，降低生产过程中的原料与能源消耗，提高经济效益，更好地满足社会需要[6]。

3.1 理论知识与实际工艺脱离

《化工工艺学》是一门应用型化工专业课程，需要学生在掌握高等数学、物理化学、分析化学、有机化学、无机化学、化工原理、化学反应工程和化工热力学等课程的基础上，运用相关专业知识解决化工生产过程的实际问题。但是，目前的高校教师大多一直在高校从事科研工作，通常不是来自于化工生产第一线，不具有较强的工程实践经验。因此，在教学过程中对于基础理论知识较为重视，弱化了工程实践教学。同时，《化工工艺学》是以经典化工产品和工艺过程为基础，对生产工艺过程的方法、原理、流程、工艺条件、设备、安全及环保进行授课。但经典化工工艺过程与实际企业生产工艺较为割裂，导致在教学过程中难以将企业生产实际问题通过理论知识的讲解进行解决。这使得学生无法将理论知识与实际化工生产工艺紧密联系，对实际化工工艺没有深刻认知，不利于学生实践能力的培养。最终导致化学工程与工艺专业的学生在毕业后无法第一时间进入第一线工作，将课本知识转化为生产力。

3.2 教学方法单一，教学内容未与时俱进

《化工工艺学》需要结合当前社会环境，根据企业实际情况对书本内容进行深入挖掘，激发学生对教学内容的兴趣，发挥其主观能动性。但是，目前教学过程中大多数采用传统的教学方法，通过课件(PowerPoint)的形式将课本内容进行展示和讲解，并通过布置随堂或课后作业的方式对知识点进行巩固。这种传统的教学方式无法体现出《化工工艺学》这门课程的内在核心，同时难以激发学生对此课程的兴趣，降低学生的学习积极性，不利于教学质量的提升。此外，教科书中的内容一般为极其成熟的化工工艺，但随着国家“碳中和”战略的提出，传统工艺无法满足其要求。而教师在授课过程中主要以教科书内容为主，无法将前沿技术融入经典化工工艺中。

3.3 对化工工艺认知不清晰

《化工工艺学》这门课程在教学过程中会涉及很多化工设备和流程，但是在教学过程中难以使学生接触到实际的化工设备和工艺流程，学生无法清晰的认知实际化工工艺。

4 《化工工艺学》教学改革措施

针对以上问题，该课程从教学目标、教学内容和教学方式等方面进行了改革探讨，目的是提升教学质量，将“碳中和”理念融入到化工工艺中，使学生具有“碳中和”意识和相应的知识水平与创新能力，以实现“碳中和”背景下的培养目标。

4.1 将“碳中和”理念融入教学中，培养具有“碳中和”意识的化工人才

根据“碳中和”需求和新工科建设要求，围绕应用型人才培养目标，准确把握化工工艺学在课程体系中的定位和在专业毕业要求中的支撑作用，坚持价值塑造、知识传授和能力培养有机融合，明确课程目标。将“碳中和”教育贯穿课程教学全过程，加强产教融合、科教融合，将学科新知识、新理论、新技术充实到教学内容中，提升课程的高阶性、突出创新性、增加挑战度。要将《化工工艺学》这门专业课程与“碳中和”的社会需求、学科前沿相结合，将行业和企业实际案例、科研成果融入课程内容，体现前沿性和时代性。

4.2 加强低碳教学内容，紧跟“碳中和”技术前沿

在“碳中和”的背景下，《化工工艺学》的教学内容需要紧跟科技前沿，将新设备、新工艺和新材料等引入课堂，不仅要强调化工工艺的基础理论知识，也需要引入低碳工艺，引导节能降耗思维，加强低碳知识教育，倡导低碳理念。现阶段所使用的《化工工艺学》教学课本大多为传统的、成熟的化工工艺，未能紧跟科技的发展。因此，需要将教材内容和社会实际情况相结合，在教学过程中引入符合“碳中和”要求的前沿知识和工艺，培养学生“碳中和”理念的科学素养和实践能力。

教学内容中，在原有《化工工艺学》内容上增加有关碳捕集、碳封存和碳转化方面的工艺。在电热为一级能源、氢为二级能源时代转型过程中，传统产业的二氧化碳减排主要是再电气化，利用绿电和绿氢与二氧化碳通过绿色低碳技术的开发实现减排，氢源主要是通过电置换出的干起及各种煤气，也可以是低碳的天然气甲烷或零碳的生物甲烷。通过二氧化碳、氢气和甲烷的干重整，或二氧化碳、氢气和甲烷在水的补充下湿重整，生产一氧化碳和氢气的合成气，进行后续高值化或固碳减排[7]。例如，在化工原料及其初步加工和经典无机化工工艺合成氨章节中，引入煤气及干气的二氧化碳干重整，特别是利用二氧化碳和氢气反应体系，可回收二氧化碳与各类氢资源干重整合成气。合成气可用于生产甲醇，甲醇经MTO生产乙烯和丙烯，然后生产固体聚合物聚乙烯和聚丙烯等，可节能减排，实现碳源固化；或合成气通过费托合成生产高碳烃燃料，代替煤燃料，实现碳利用。在三废处理中可重点引入膜分离技术相关内容，膜分离技术作为高效节能的共性关键技术，可以为推进零碳能源重构、低碳流程再造、非二气体减排、负碳体系构建，实现“碳中和”战略提供坚实技术支撑，培养学生基于膜分离的低碳化工思维。

4.3 推动教学方式改革，从“教师中心”转变为“学生中心”

推行互动式、合作式、研讨式、启发式等教学方法，开展翻转课堂、线上线下混合式教学。将教学方式从“教师中心”向“学生中心”转变、学习方式从“被动学习”向“主动学习”转变，培养学生自主学习、终身学习的能力，使得学生主动具备“碳中和”理念。《化工工艺学》要突出课堂教学主阵地、主渠道、主战场作用，创新教学方法，合理有效应用数字化教学工具，打破课堂沉默状态，焕发课堂生机活力，使学生可以积极互动，开阔思维，培养“碳中和”思维[8]。

4.4 充分利用线上/线下仿真资源，提高学生对化工工艺的具体认知

强化线上/线下仿真资源的利用，通过虚拟仿真实验教学解决实实验项目条件不具备或实际运行困难等问题，推进现代信息技术与实验教学项目融合，线上学习与模拟实训、线下研讨交流，使得学生可以在仿真过程中深刻理解“碳中和”的重要性，掌握实际工艺中实现低碳的工艺方法。同时在课程中突出“碳中和”的社会关切与实际需求，注重低碳实践锻炼，加强“碳中和”的任务驱动能力，提高学生发现问题和解决“碳中和”问题的能力。

4.5 完善课程考核，提高学生综合素质

充分利用现代信息技术，加强对学生课堂内外、线上线下学习的过程考核与监测，建立全过程学业评价方式，增加过程考核的占比，杜绝“期末一考定成绩”。根据课程目标，设定课程论文、课程小结、报告答辩、非标准化答案考试等多样化考核方式，健全知识考核与能力考核、理论与实践并重的多元化考核评价体系，保证学生成绩的公平和公正，激发学生学习动力和专业志趣。通过多阶段过程考核，实时把握学生知识掌握情况，并且在过程考核中强化低碳内容，将“碳中和”理念贯穿于整个课程中，使低碳环保、节能减排等工艺技术完整融入到化工工艺中。

5 结 语

在“碳中和”背景下，《化工工艺学》的教学改革势在必行。通过将低碳工艺和思维融入到《化工工艺学》中，从教学目标、教学内容和教学方式等几方面进行教学改革，优化教学质量，加强低碳的教学理念，提高学生对化工工艺中低碳内容的兴趣爱好，提升学生的低碳素养，培养具有“碳中和”意识的新型工程人才，为实现国家“碳中和”目标而奋斗。