化工原理课程思政建设探索与实践

大学时期是青年学生人生的“拔节孕穗期”，是他们确立世界观、人生观和价值观的关键阶段。专业课教师在向学生传授知识的同时，要引导学生树立远大的理想信念，扣好人生的第一粒扣子。化工原理是化工及相近专业学生必修的一门技术基础课，包括化工原理、化工原理实验、化工原理课程设计三大教学环节，发挥着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用，具有工程性和实践性强的特点，对于学生专业素养及工程能力的培养至关重要。化工原理课程思政教育应以立德树人为核心，将思想政治教育融入课程教学和改革的各个方面，使教书育人贯穿教学活动的全过程，从而增强学生的社会责任感、创新精神和实践能力。对于化工原理这样的“硬核”课程，如何在教学中融入思政元素，将思政教育与课程内容有机融合呢？南京工业大学在化工原理课程思政建设方面进行了探索与实践，取得了一定成效。
一、深入挖掘课程中的思政元素，使立德树人与专业知识传授有机融合
（一）介绍课程发展史，激发学生学习兴趣
化工原理课程综合性强、涉及面广、公式繁多、计算量大，与实际生产紧密结合，学生普遍反映学习难度较大。在绪论课上介绍学科与课程发展史，有利于提高学生的学习兴趣。
化学工程是一门重要的工程学科，主要研究化学工业及相关过程工业生产中所进行的化学
应过程和物理过程的共同规律，化工原理课程正是随着化学工业和化学工程学科的发展而诞生的。１８８７年，英国化学家戴维斯（Ｇ　Ｅ　Ｄａｖｉｓ）在Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｓｃｈｏｏｌ（现为曼彻斯特大学）开设了一门化学工程学课程（共１２节课），指出化工生产过程由蒸发、蒸馏、过滤等基本操作（现在称为“单元操作”）组成，曼彻斯特大学化工系因此成为化学工程学科的诞生地。１９１５年，美国化学家利特尔（Ａ　Ｄ　Ｌｉｔｔｌｅ）首次阐明了“单元操作”的概念：虽然化工产品的生产过程纷繁复杂，但是都可以抽象成若干化学变化或物理操作过程，这使得单元操作成为研究化工生产过程的钥匙。１９２３年，美国麻省理工学院著名教授华克尔（Ｗ　Ｄ　Ｗａｌｋｅｒ）等编写了首部关于单元操作的著作《化工原理》，阐述各种单元操作的物理化学原理和计算方法，这为化学工程成为一门独立的工程学科奠定了基础。《化工原理》教材的出版不仅对化学工程师的培养和化学工程学科的进步产生了深远的影响，而且推动了整个化学工业的发展。
目前，化学工程的研究范围已经拓展到能源、环境、生物、材料等领域，与新能源开发、节能环保、生物医药、新材料研制等领域的新技术密切相关，对于引领和推动新产业发展具有重要作用。
在讲解绪论时，引导学生了解化工学科发展现状及趋势，并针对热点问题（如化学工业在国民经济中的地位和作用，化工如何与其他学科领域进行交叉融合，如何应对人类社会发展所面临的能源危机，如何解决当前日益严重的环境污染问题）开展分组讨论与汇报，有利于增强学生对专业的认同度，激发学生的学习兴趣。
（二）传承“时钧精神”，激励学生争当时代楷模
南京工业大学化工原理课程由“化工一代宗师”时钧院士等老一辈化工教育专家亲手创建。时钧院士一生淡泊名利，俯身在化工高等教育领域辛勤耕耘，倾注全力教书育人，为化工高等教育的发展做出了卓越贡献。时先生为我国培养了大量杰出人才，学生中涌现出１６位两院院士。郑英娥教授回忆：“时钧先生知识广博，大师风范尽显。他的板书一流，讲授连贯流畅，推理环环相扣，逻辑清晰，堪称经典。正所谓‘桃李不言，下自成蹊’，时先生以身作则，让我们养成了严于律己、踏踏实实做学问的作风。”王延儒教授回忆：“时老师坚定信念，坚守信仰，不管在什么岗位上工作都兢兢业业。时老师九十岁时再次申请入党，很多人都很惊讶。支部会议全票通过时，时老师感叹那是他人生中最幸福的时刻，在场人员无不内心翻涌、感动落泪。时钧先生于鲐背之年在党旗下庄严宣誓，永恒不变的是拳拳的爱党爱国心。”“一副板书，宽洪寰宇；三尺讲台，浩大乾坤；老骥伏枥，志在千里；门生满园，熠熠星河”正是时先生一生的生动写照，“时钧精神”激励着一代代化工学子薪火相传，争当时代楷模，立志报效祖国。
（三）倡导生命共同体理念，践行绿色发展观
人与自然是生命共同体，人类必须尊重自然、顺应自然、保护自然。“坚持人与自然和谐共生”“绿水青山就是金山银山”是习近平生态文明思想中科学自然观和绿色发展观的生动体现。根据国家《“十三五”节能减排综合工作方案》，单位ＧＤＰ能耗比２０１５年要降低１５％，能源消费总量应控制在５０亿吨标煤以内；化学需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放总量比２０１５年要分别下降１０％、１０％、１５％和１５％，挥发性有机物排放总量比２０１５年下降１０％以上。化工原理中的单元操作是实现节能减排的重要环节，通过过程强化降低能耗、减少污染物排放，是践行绿色发展观的具体体现。
换热器是工业生产中进行热量交换的通用设备，广泛用于石油、化工、电力、冶金、航空、动力、食品等领域，在设备投资中占有相当大的比例。
近几十年来，随着能源危机的加剧，强化传热技术研究受到广泛关注。在学习传热和换热器的内容时，教师可以引导学生从增大传热面积、增大平均温度差和总传热系数等方面入手，思考如何提高传热速率，进而对传热过程进行强化，以培养学生的节能减排和创新意识。在学习颗粒流体力学基础与机械分离的内容时，教师可以介绍：利用重力沉降、离心分离等方法处理工厂排放的废气、废液等污染物，能够避免或减少环境污染，如沉降室可分离大于５０μｍ的粗颗粒；旋风分离器能分离５～１０μｍ的颗粒，但对于更小的细颗粒物则束手无策；严重危害人类健康的ＰＭ２．５等粒径更小的颗粒则需要通过袋滤器、电除尘器、膜分离等方法进行捕集。在学习气体吸收的内容时，教师可以告诉学生，工业废气中往往含有ＳＯ２、ＮＯ、ＨＦ、ＶＯＣｓ（挥发性有机物）等低浓度有害成分，通常采用吸收的方法进行处理。上述案例的讲解可以帮助学生树立绿色发展理念，使学生自觉坚持节约资源和保护环境的基本国策，像对待生命一样对待生态环境。
（四）融入哲学观点和方法，培养学生的科学思维能力
哲学是系统化、理论化的世界观，是对自然知识、社会知识和思维知识的概括和总结。化工原理课程中蕴含着丰富的哲学思想和元素，将哲学思维运用到课程教学中，能使学生深刻认识事物的本质，把握事物的运动变化规律，对于学生世界观的形成和分析问题、解决问题能力的培养，具有十分重要的意义。
运动是物质的根本属性，物质运动具有客观规律性。流体流动是各单元操作中的普遍现象，对传热和传质速率影响很大。流体运动遵循一定的规律，流体运动规律的研究是研究传热、传质的基础。１８８３年，英国物理学家奥斯鲍恩·雷诺发现，流体流动具有层流和湍流两种截然不同的形态，他给出了流动形态的判据———雷诺数，这对于解决流体流动、热量传递、质量传递等方面的问题起到了重要作用。
唯物辩证法的“两点论”和“重点论”的统一是指：在复杂的矛盾体系中，既要着力抓住主要矛盾，又不能忽视次要矛盾；既要注意矛盾的主要方面，又不能忽视其次要方面。教师在教学中可以借鉴这一观点讲解相关内容。如“理论板”是汽液两相充分接触且传热与传质过程的阻力均为零的理想化塔板，计算精馏塔实际板数时，要先求得理论板层数，然后用塔板效率进行校正；在进行机械能衡算时，先按照“理想流体”进行处理，获得理想流体的机械能衡算式，然后计入因流体内摩擦带来的能量损失，从而推广到实际流体。教学中通过引入“理论板”和“理想流体”的概念，将复杂的精馏问题和流体流动问题分为矛盾的两个不同方面，然后分别予以解决。
量变是质变的基础和必要准备，质变是量变的必然结果。以流体通过固体颗粒床层为例，只有当流体速度达到一定值时，固体颗粒才能悬浮于流体中做随机运动，从固定床阶段进入流化床阶段。初始流化速度以下是量变阶段，量变达到一定的程度就会突破原有的度，引起质变。在沸腾给热过程中，随着加热壁面温度的升高，大容积饱和沸腾依次经历了自然对流、泡核沸腾和膜状沸腾三个阶段，这一过程说明量变是质变的必要准备，质变是量变的必然结果，质变又转化为新的量变。“不积跬步，无以至千里；不积细流，无以成江海”。教师可以告诫学生：既然事物的发展都是从量变开始的，那么不管从事任何工作都要脚踏实地，埋头苦干，做好量变的积累，这样才会有质变的飞跃；反之，好高骛远、急于求成、揠苗助长，是不可能取得成功的。
现象和本质是揭示客观事物的外部表现和内部联系之间相互关系的范畴。现象是事物的外部联系和表面特征，可以通过感官感知；本质则是事物的内在联系，只有靠人的理性思维才能把握。
以固定床流体阻力问题为例，固定床由大小不一、几何形状不同的众多小颗粒构成，颗粒之间的流体通道蜿蜒曲折、纵横交联，因此固定床的流动阻力问题表面上看起来非常复杂。科学研究的任务是通过现象发现本质：流体在通道中的流速很小（爬流），流动阻力主要来自流体的黏性力，其大小由颗粒的表面积决定，颗粒形状对阻力几乎没有影响。在抓住过程特征本质的基础上，我们可以根据流体空间相等和总比表面积相等的原则，将实际颗粒层转化为由平行细管组成的模型床层，从而建立简化的物理模型和数学模型，最后通过实验证明该模型的正确性，并确定模型参数。这就是化学工程中广泛采用的数学模型法。
马克思主义哲学是科学的世界观和方法论，不仅揭示了客观世界的普遍规律，而且提供了认识世界和改造世界的一般方法，为具体的科学研究提供指导。马克思主义哲学是科学的认识方法，有利于激发学生的想象力、创造力和批判力，能够帮助学生分析客观事物本身复杂的矛盾关系，培养学生的科学思维与创造性思维能力。
（五）探寻科学家足迹，激励学生成长
化工原理课程中包含大量的原理、定律及公式，如伯努利方程、傅里叶定律、顾氏公式等，这些规律的发现都离不开科学家的探索精神。丹尼尔·伯努利（１７００—１７８２）是瑞士物理学家、数学家，在流体力学领域做出了突出贡献，被称为“流体力学之父”。他在１７２６年提出了著名的“伯努利原理”：在水流或气流里，如果速度小，压强就大；如果速度大，压强就小。１７３８年，他在经典著作《流体动力学》中提出了伯努利方程，通过能量守恒定律解决了流体流动的问题，该方程广泛应用于航空、水利、造船等领域。伯努利父子都是一流的科学家，伯努利家族也因连续出现了十余位数学家，成为科学史上的一段佳话。
法国科学家约瑟夫·傅里叶（１７６８—１８３０）在随拿破仑远征埃及时，患上了一种黏液水肿病，总是感觉寒冷，在任何天气都要穿上厚厚的大衣，因此对热量传递产生了浓厚的兴趣。１８０７年，他在向巴黎科学院提交的论文《热的传播》（Ｍéｍｏｉｒｅｓｕｒ　ｌａ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｄｅ　ｌａ　ｃｈａｌｅｕｒ）中，推导出著名的热传导方程。另外，傅里叶提出大气层会拦截地表发出的部分红外辐射进入太空，他也是温室效应的发现者。在求解热传导方程时，傅里叶发现任一函数都可分解成由三角函数构成的无穷级数，这就是著名的傅里叶级数和傅里叶变换。为表彰傅里叶的巨大贡献，１０１０１号小行星和格勒诺布尔第一大学以“约瑟夫·傅里叶”命名，他的名字也被刻在埃菲尔铁塔上。
顾毓珍教授（１９０７—１９６８）是我国著名的化学工程专家，在麻省理工学院攻读博士学位期间对“流体之流动及传热问题”进行研究，１９３２年在博士论文Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　ｆｌｕｉｄｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｉｓｏ－ｔｈｅｒｍａｌ　ａｎｄ　ｎｏｎｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ　ｆｌｏｗ中提出流体在圆管内流动时的摩擦系数与雷诺数的关联式（被称为“顾氏公式”），获得国际学术界公认。该公式理论基础可靠，便于实际应用，得到ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ主编Ｊ　Ｈ　Ｐｅｒｒｙ教授的高度评价，是中国科学家早期在化学工程领域做出的杰出贡献之一。
科学技术的进步离不开科学家的不懈努力和辛勤汗水。探寻他们的足迹可以激励学生在科学的道路上不畏艰险、开拓进取、勇攀高峰。
（六）突出中国元素，增强学生的民族自豪感
课程教学中突出中国元素，介绍中国优秀传统文化，能够使学生树立民族自信心和自豪感。
都江堰水利工程兴建于公元前２５６年，由蜀郡太守李冰父子组织修建，被誉为中国古代水利史上的奇迹。该工程利用地形、地势，使江水在鱼嘴处按比例分流，形成洪水季节内江分四成、外江分六成的天然四六分流和枯水季节内江分六成、外江分四成的倒四六分流。根据水力学弯道环流原理，把引水口设在内江凹岸，水流进入弯道后形成横向环流，在离心力和重力的共同作用下，表层水流和底层水流作分层运动，泥沙较少的表层水进入内江凹岸，而富含沙石的底层水则趋向外江凸岸，实现水沙分离，从而巧妙地将清水导入引水渠，减少泥沙淤积。古代中国人民利用流体力学原理，实现了“四六分洪、二八排沙”，形成了科学完整、调控自如的工程体系，达到了无坝引水、自动调水调沙和泄洪的目的。
都江堰水利工程尊重自然、顺应河流自身规律，体现了“乘势利导、因时制宜”的设计思想，蕴含着人与自然和谐相处的传统自然观，是中国传统文化的优秀代表。它所蕴含的思想观念、人文精神和道德规范，不仅是中国人思想和精神的内核，而且对解决人类问题有重要价值。２２００多年来，都江堰水利工程在防洪、灌溉、航运等方面产生了巨大的社会经济效益，使成都平原成为“水旱从人，不知饥馑，时无荒年，天下谓之天府也”的富庶之地。从春秋都江堰、郑国渠到隋唐大运河，古代水利工程体现了中国人民的伟大智慧和工匠精神，也是世界人民共有的宝贵财富。
（七）引入国家重大工程案例，培养家国情怀
改革开放以来，中国特色社会主义事业建设取得了举世瞩目的成就，载人航天、青藏铁路、中国“天眼”……，这些重大工程成为中国给世界的新名片。人造卫星、空间站等航天器在太空中都会遇到“冷热不均”的难题：向阳面因受到太阳直接照射温度很高，背阴面的温度则非常低，巨大的温度差（约２７５℃）所导致的形变给航天器正常运行带来很大的困难。热管换热器通过管壳内工作液体的蒸发与凝结进行热量交换，它具有高热传导性，可以将热量从向阳面迅速传递至背阴面，实现航天器的等温化，保障舱内仪器顺利工作。目前，我国航天热管可以满足在轨安全运行１５年的需求，这使我国航天技术达到世界先进水平。
青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路，常年冻土区达５４７千米。冻土层冬季冻结、夏季消融，铁路会扭曲变形，存在安全隐患。利用重力热管的单向导热性，通过液氨将地下冻土层的“冷气”带到地表土层，就可以让铁路路基永远保持冷冻状态，从而有效解决青藏铁路冻土变形的问题。目前，热管换热器已广泛应用于锅炉余热回收、电子器件散热等领域。南京圣诺热管有限公司作为国家热管标准的主要起草单位和国家热管技术研究推广中心，是南京工业大学产学研合作的代表，业务已经覆盖俄罗斯、印度等“一带一路”沿线国家，获得了良好的经济和社会效益。教学中通过介绍国家重大工程，可以展现我国在前沿科技领域取得的伟大成就，有效增强学生对道路自信、理论自信、制度自信和文化自信的理解。
在美国挑起的贸易摩擦不断升级、国际竞争日益激烈的背景下，我国高端通用芯片、关键基础材料、先进基础工艺和高端制造装备等关键领域的核心技术仍受制于人的问题日益凸显，迫切需要提升自主创新能力，摆脱关键核心技术“卡脖子”的困境。当代大学生既要具备丰富的专业知识和较强的实践创新能力，又要胸怀强烈的历史使命感和责任感，树立高远的理想和追求，饱含深沉的家国情怀，将个人前途和国家的发展进步紧密联系起来，将所学所思落实到报效国家的实际行动中。
（八）引入警示性案例，培养严谨细致的工作作风
毕托管用于测量飞行器的空速和气流总压。
近年来，因毕托管故障而引发的事故甚至灾难多次发生。１９９６年１０月２日，秘鲁航空６０３航班坠毁在首都利马，造成６１名乘客和９名机组人员死亡。事故调查发现，技师在执行飞行前的清洁任务时，用胶布贴住静压口以保护毕托管，但是忘记撕下来。当晚负责验收的督查人员请病假，而机长在飞行前的检查中也疏忽了。飞机升空之后，仪表读取的是被胶布封死后的静压孔数据，导致空速和高度指示错误。１９９６年２月６日，德国伯根航空３０１号航班在圣多明哥起飞后不久，突然左倾坠海，事故造成１８９人遇难。美国国家运输安全委员会（ＮＴＳＢ）协助调查后发现，飞机残骸中的一根毕托管被堵。调查人员认为，毕托管是被当地一种叫胡蜂的昆虫用泥土筑的巢堵住了，从而导致空速指示错误，进而高度指示也发生偏差。２００９年６月１日，法国航空公司４４７航班在从里约热内卢飞往巴黎的途中在大西洋上空失事，造成２２８名乘客全部丧生。由于飞行过程中空中结冰，导致毕托管被冰覆盖而失效，进而引起空速计算错误、自动驾驶等系统关闭，最终酿成空难。“千里之堤，溃于蚁穴”“失之毫厘，谬以千里”，虽然这些失误看起来并不起眼，但是带来的灾难和教训是惨痛的。“天下难事，必作于易；天下大事，必作于细”，任何伟大的事业都离不开基础性的工作，学生在日常学习和实验过程中要养成认真负责、踏实敬业的工作态度和严谨细致的工作作风。
二、创新教学内容与方法，提升育人成效
课程思政教育的实施不是要改变原来的课程，而是要把价值引领巧妙地融合在课堂教学中，提升课程内涵。育人元素融入专业课程教学就像盐溶于汤。盐是人体的必需元素，能使汤更有味道。要将盐更好地溶于汤，打造更优质的底汤，就需要厨师提高厨艺。类似地，要想实现课程思政教育的目标，教师就要以学生为中心，加强教学设计，巧妙而又充分地展现专业知识中所承载的思想内涵和价值理念；同时积极开展教学方法改革，充分利用现代信息技术。教学中不仅要把内在规律讲清楚，而且要注重理论联系实际，并不断更新教学内容，这样才能引人入胜，激发学生的兴趣。
（一）积极开展教学方法改革，实施案例教学
当前，课堂教学仍然以传统模式为主，即教师主动施教、学生被动受教。这种模式造成教学资源和知识传递途径的单一性，无法培养学生的学习兴趣，不能激发学生的积极性和主动性。化工行业与实际生产联系紧密，学生必须具备较强的创新能力和实践能力，才能迅速适应岗位，满足未来产业发展的需要。区别于传统的灌输式教学方式，案例教学是一种动态、开放的教学方式。教师可以将国际上化工领域的研究热点纳入教学内容，并将教学团队在纳米技术、微化工技术和催化技术等研究方向的最新进展凝练成教学案例，引导学生自主查找资料，通过团队合作解决复杂工程问题，提出解决方案。教师还可以组织学生通过讨论、汇报的形式参与课堂学习，鼓励学生独立思考，大胆表达自己的想法，这样能够有效提高学生综合运用各种知识和经验分析问题和解决问题的能力。
（二）开发虚拟仿真实验系统，培养学生创新能力
南京工业大学以承办第二届全国大学生化工实验大赛华东区赛为契机，对化工原理实验装置进行了更新，提高了装置的水平。学校开发了化工原理实验三维虚拟现实仿真系统，用于学生在实验前模拟实验过程（包括实验目的、原理和流程）、进行仿真实验操作和老师评价、分析学生的操作质量，从而提高预习效果。学校还运用最新的虚拟现实技术（Ｕｎｉｔｙ　３ｄ），开发了化工单元操作设备的虚拟拆装系统。该系统具有３Ｄ效果，可以使学生通过电脑、手机学习单元操作设备的结构、功能、原理，并可实现虚拟拆装和在线测验，从而显著提高指导信息量。在化工原理实验装置更新工作中，学生也参与了装置的设计、安装和调试。如针对传热实验装置设计伊始提出的节能减排要求，学生认为可通过内插螺旋线圈等方式强化传热，教师引导学生优化干扰物的结构尺寸，在机械能损失增加较小的前提下提高传热系数。该装置的设计过程有效培养了学生的工程设计和实践创新能力，参与学生获得第二届全国大学生化工实验大赛特等奖。
（三）变革教学模式，丰富课程思政教育方式在互联网、大数据、人工智能等信息技术快速发展的背景下，互联网与传统产业深度融合，同时人类的认知行为发生了巨大变化。在校大学生处于网络无处不在的信息化时代，被称为“数字原住民”，他们偏爱碎片化的电子阅读，会根据自己的习惯和偏好使用信息，更喜欢游戏而不是严肃的学习模式，希望得到更多的肯定和奖励。互联网与教育的结合推动教学模式发生变革，为丰富和深化课程思政教育的方式提供了技术基础，有利于促进学习者的深度参与。ＳＰＯＣ（小规模限制性在线课程）是将ＭＯＯＣ资源用于小规模、特定人群教学的解决方案，实现了在线开放课程资源与课堂教学的有机结合，有利于培养学生的自主式、协作式、探究式学习能力。教师精心设计教学内容和教学情景，提前发布视频、课件等优质教学资源，让学生查阅资料并进行线上讨论。课堂上师生用更多时间进行互动，共同讨论重点、难点内容，学生组成团队协作完成任务、汇报进展，并进行课堂测试。ＳＰＯＣ教学模式突破了学习时间和地点的约束，实现了课前课后的自主学习。教师在教学过程中可以在线实时回答学生提出的问题，及时关注每个学生的学习状况，给予学生正面反馈，为学生提供个性化的学习体验，提升课程思政育人成效。
三、结语
本文探讨了如何深入挖掘化工原理课程中所蕴含的思政元素，把家国情怀、人文精神、科学素养、生态文明、工匠精神等元素融入课程，通过教学改革和信息技术手段将知识传授与价值引领衔接起来，提升育人成效。今后，我们还将根据“金课”的建设要求，提升课程的高阶性、创新性、挑战度，培养学生的高阶思维能力、创新意识和解决复杂工程问题的能力。同时，我们会继续深化对教育规律的研究，不断改革和创新教学方法，着力探索如何更好地将思政元素融入课程，力争进一步提高学生的认知度，培养更多具有家国情怀和创新精神的卓越科技人才。