問題導(dǎo)向的課程思政案例在化工原理課程教學(xué)中的探索與實踐
——以傳熱為例

張傳玲 魏鳳玉

(合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，安徽 合肥 230009)

2020年5月，教育部在《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》中指出，全面推進課程思政建設(shè)是落實立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措，是全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要任務(wù)。課程思政建設(shè)工作要圍繞全面提高人才培養(yǎng)能力這個核心點，科學(xué)設(shè)計課程思政教學(xué)體系。其中，對工學(xué)類專業(yè)課程，要注重強化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)[1]。化工原理是化工類及相近專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。除了理論課教學(xué)外，還包括化工原理實驗和化工原理課程設(shè)計等實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。因此，該課程具有工程性和實踐性強的特點，對學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)及工程能力培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用，是化工類相關(guān)專業(yè)的核心課程[2]。由于課程教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜，計算公式多，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，積極性不高，同時還存在學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析解決復(fù)雜工程實際問題能力不強的問題[3]。針對以上問題，合肥工業(yè)大學(xué)化工原理教學(xué)團隊樹立“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，圍繞“育人與育才相統(tǒng)一”的課程總體建設(shè)目標，深入挖掘拓展化工原理課程和教學(xué)過程中蘊含的思政元素，探索在化工原理課程中引入課程思政案例的教學(xué)方法，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生綜合分析、解決問題的能力，較好地發(fā)揮專業(yè)課程與思政課程協(xié)同育人的作用。

1 化工原理課程思政案例教學(xué)的總體設(shè)計思路

圍繞“育人與育才相統(tǒng)一”的課程總體建設(shè)目標，化工原理教學(xué)團隊以關(guān)愛學(xué)生成長、幫助學(xué)生解決問題作為課程思政的切入點，改革傳統(tǒng)的教學(xué)方式，采取“問題牽引-思政案例導(dǎo)入-知識點剖析-總結(jié)提升”的教學(xué)方式，進行“課前-課中-課后”三位一體的教學(xué)設(shè)計，將思政元素有機融入到課程教學(xué)中，發(fā)揮好化工原理課程的育人作用。首先，進行學(xué)情分析，通過對章節(jié)知識點及以往學(xué)生在此章節(jié)學(xué)習(xí)中存在的問題進行梳理和分析，凝練出教學(xué)重點和難點，確定相應(yīng)的知識和能力目標；然后，根據(jù)章節(jié)內(nèi)容，挖掘和設(shè)計包含章節(jié)知識點和思政元素的案例，確定思政目標；最后，圍繞 “知識-能力-素養(yǎng)”的學(xué)生培養(yǎng)目標設(shè)計案例教學(xué)實施策略，使思政元素有機融入課程教學(xué)。

課程思政案例主要從日常生活、科學(xué)前沿、工程應(yīng)用、偉人事跡與新聞熱點中挖掘、甄選和設(shè)計。例如，從日常生活中遴選教學(xué)案例，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的思維意識和求知創(chuàng)新的精神欲望；從化工生產(chǎn)中凝練工程實際案例，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐與技術(shù)創(chuàng)新能力；從科學(xué)發(fā)展史和最新進展中設(shè)計學(xué)科前沿案例，培養(yǎng)學(xué)生不斷追求真理、勇于創(chuàng)新等科創(chuàng)精神[4,5]。具體地，可以通過開篇案例法、問題案例法和綜合案例法將課程思政案例融入到教學(xué)過程中[6]。這種以問題牽引的思政案例教學(xué)法，從幫助學(xué)生解決問題的角度出發(fā)，將思政元素自然融入專業(yè)知識點，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，科學(xué)合理地拓展了專業(yè)課程的廣度和深度，達到知識傳授、能力培養(yǎng)和價值引領(lǐng)的課程目標(圖1)。現(xiàn)以傳熱單元操作為例，具體介紹問題導(dǎo)向的思政案例在化工原理課程教學(xué)中的設(shè)計、實施與成效。

圖1 化工原理思政案例設(shè)計策略

2 傳熱單元操作思政案例教學(xué)的設(shè)計

傳熱是化工生產(chǎn)中最廣泛應(yīng)用的單元操作之一，是化工原理課程教學(xué)的重要內(nèi)容。該章節(jié)教學(xué)內(nèi)容主要包括三種傳熱方式的原理、傳熱速率的計算、強化或削弱傳熱的途徑以及傳熱設(shè)備的選型和設(shè)計等。其中，傳熱過程控制是本章的重點和難點。以往學(xué)生在進行本章學(xué)習(xí)時存在的主要問題是不能將傳熱的基本原理用于分析和解決實際復(fù)雜傳熱工程問題，如傳熱設(shè)備的設(shè)計與過程強化等。

在化工原理“課程思政”總體教學(xué)設(shè)計理念指導(dǎo)下，我們對傳熱過程控制章節(jié)進行了教學(xué)設(shè)計。首先，對傳熱過程控制章節(jié)進行學(xué)情分析，在此章節(jié)學(xué)習(xí)前，學(xué)生已掌握了三種傳熱方式的基本原理和計算、傳熱基本方程、平均溫差以及總傳熱系數(shù)的計算，在本節(jié)中，學(xué)生需要掌握強化與削弱傳熱過程的原理、方法及計算，教學(xué)重點為傳熱過程控制的主要措施、機理和應(yīng)用，以及對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，教學(xué)難點為如何運用傳熱過程控制原理分析解決復(fù)雜工程實際問題。在此基礎(chǔ)上，確定本章節(jié)的知識目標和能力目標。然后，通過科技前沿報道，選擇一種新型的高絕熱納米氣凝膠作為案例進行教學(xué)，并結(jié)合杰出校友俞書宏院士團隊在此領(lǐng)域內(nèi)的研究成果，設(shè)計了包含多個傳熱知識點的“冷熱可控、御寒有術(shù)”思政案例。通過此案例，一方面教會學(xué)生如何應(yīng)用所學(xué)的傳熱基本知識分析解決復(fù)雜工程實際問題，提高學(xué)生將理論知識融會貫通的能力和分析解決傳熱過程中復(fù)雜實際工程問題的能力；另一方面，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索、不斷創(chuàng)新、科技興國、為民服務(wù)的科創(chuàng)精神和家國情懷。最后，根據(jù)教學(xué)目標，確定教學(xué)策略，包括結(jié)合生活和工程及科學(xué)案例講授知識點，通過深度剖析、課堂討論和評價總結(jié)的形式，達到學(xué)生能力提升和素養(yǎng)提高的目的(圖2)。

圖2 傳熱過程控制章節(jié)的教學(xué)設(shè)計思路

3 傳熱單元操作思政案例教學(xué)的實施

在教學(xué)過程中，充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源和雨課堂等信息化教學(xué)手段，采取線上線下相結(jié)合、課內(nèi)課外相結(jié)合、理論實踐相結(jié)合的“三結(jié)合”教學(xué)模式(圖3)。課前，教師通過雨課堂將包括納米氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)視頻、學(xué)術(shù)論文以及慕課資源等資料推送給學(xué)生，同時提出兩道思考題：(1)生活中有哪些控溫過程？(2)為何文獻中10 mm厚度的二氧化硅納米氣凝膠可耐1 000 ℃以上火焰噴射和-196 ℃液氮？其絕熱機理是什么？讓學(xué)生帶著問題去預(yù)習(xí)。

圖3 傳熱過程控制章節(jié)的教學(xué)實施思路

上課開始，教師在簡要回顧上節(jié)知識點后，帶領(lǐng)學(xué)生觀看納米氣凝膠的科普視頻，介紹納米氣凝膠低密度、高孔隙率和低熱導(dǎo)率等特點，以及其在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用，并隨機提問學(xué)生思考題，檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。此時學(xué)生對納米氣凝膠的隔熱機理問題回答可能不全面，借此引入新的章節(jié)內(nèi)容——傳熱過程的強化和削弱。教師在講授新知的過程中，注重結(jié)合工程實際，從總傳熱系數(shù)、傳熱面積及傳熱推動力三個方面講述傳熱過程控制的途徑和機理。例如，列舉工程實際中常采用減小傳熱管管徑、在管外加入翅片等增大傳熱面積而不是增大傳熱設(shè)備幾何尺寸的方法以提高傳熱速率；在講授如何增大傳熱推動力時，提醒學(xué)生增大平均溫度差的方式雖然有多種，但往往受生產(chǎn)工藝條件的限制，除了技術(shù)上可行外，還需要兼顧經(jīng)濟效益，合理利用系統(tǒng)能量。對于工程上常需要的“削弱傳熱”——保溫問題，目前常用的方法是在設(shè)備表面包覆導(dǎo)熱系數(shù)較小的石棉和聚合物層等保溫材料，通過增厚保溫層的方式減少散熱，但這種方式受空間和成本的限制。為了讓學(xué)生更直觀地理解保溫隔熱，通過例題計算得到：保持相同熱損失所需要的納米氣凝膠厚度(1.5 mm)遠低于傳統(tǒng)保溫層厚度(30 mm)。同理，相同厚度的納米氣凝膠則會大大降低熱損失，解決了傳統(tǒng)保溫材料主要靠增厚實現(xiàn)保溫而導(dǎo)致的空間受限和成本增加的問題，讓學(xué)生認識到納米氣凝膠這種新材料節(jié)能降耗，符合我國綠色發(fā)展新理念。

針對納米氣凝膠案例，讓學(xué)生進行小組討論：納米氣凝膠為何會有如此低的導(dǎo)熱系數(shù)？除了低導(dǎo)熱系數(shù)，納米氣凝膠還有沒有其他的隔熱機理？教師根據(jù)學(xué)生討論結(jié)果，對氣凝膠涉及到的傳熱知識點做進一步地分析總結(jié)。納米氣凝膠的隔熱機理同時包含了對三種傳熱方式的削弱：大量納米孔的存在和極低的體積密度使材料內(nèi)部有“無限多”氣孔壁，熱流在固體中只能沿著氣孔壁傳遞，使得固體熱傳導(dǎo)的能力下降到最低極限；直徑小于70 nm的氣孔內(nèi)的空氣分子失去自由活動的能力而附著在氣孔壁上，產(chǎn)品處于近真空狀態(tài)，減少了對流傳熱；而氣凝膠的每一個納米級氣孔壁都有遮熱板的效果，從而使輻射傳熱下降到近乎最低極限。但納米氣凝膠易碎的缺點限制了其廣泛應(yīng)用。

從為解決納米氣凝膠易碎的缺點出發(fā)，進而介紹杰出校友俞書宏院士課題組研發(fā)的新型“超彈超輕納米氣凝膠” 的最新成果，特別是利用細菌纖維素和木質(zhì)纖維素等天然原材料即可制備出超彈可壓縮性納米氣凝膠[7, 8]，讓學(xué)生認識到學(xué)習(xí)化工原理課程能解決很多日常生活和科研實際問題，提升了學(xué)生對化工專業(yè)的認識和自信心。同時也指出，目前該成果在量化制備和產(chǎn)業(yè)化上還存在一定的問題，激發(fā)同學(xué)們要不斷探索，創(chuàng)新無止境。

最后，教師對本章節(jié)知識點進行系統(tǒng)總結(jié)，并進行雨課堂測試，了解學(xué)生對本節(jié)知識點的掌握情況。并根據(jù)本節(jié)知識點及案例，針對美國“哥倫比亞”號航天飛機發(fā)生的墜毀事故，讓同學(xué)們課后思考如何提升航天器外層材料的耐高溫性能，撰寫課程小論文，進一步提高學(xué)生綜合分析問題能力。

4 思政案例教學(xué)成效

問題導(dǎo)向的學(xué)科前沿思政案例教學(xué)，在提高學(xué)生參與度和學(xué)習(xí)積極性的同時，加強了學(xué)生對化工原理課程知識點的理解及掌握，提高了學(xué)生分析解決復(fù)雜問題的能力；另外，案例中思政元素的有機融入，激發(fā)了學(xué)生只有勇于探索和創(chuàng)新，才能更好地服務(wù)社會和人民，實現(xiàn)科技強國夢。因此，教師在知識傳授的同時能夠做到價值觀教育和能力培養(yǎng)相結(jié)合，最終實現(xiàn)“培養(yǎng)德才兼?zhèn)洌芰ψ吭剑杂X服務(wù)國家的骨干和領(lǐng)軍人才”的合肥工業(yè)大學(xué)人才培養(yǎng)總目標。雨課堂測試結(jié)果表明，學(xué)生很好地掌握了本章節(jié)知識點；課后的網(wǎng)上問卷調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)生很喜歡這種結(jié)合社會熱點和工程學(xué)科前沿的案例教學(xué)方式，認為除了學(xué)到專業(yè)知識外，還拓展了視野，使自己的綜合能力和科技創(chuàng)新意識等得到了提升。

本文探討了在化工原理課程教學(xué)中通過科學(xué)設(shè)計思政案例，充分利用信息化教學(xué)手段，采取課前-課中-課后三位一體、問題牽引、案例導(dǎo)入的教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)、分析和討論，提高了學(xué)生正確認識、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生勇于探索未知、追求真理、創(chuàng)新的科學(xué)精神，激發(fā)了學(xué)生以嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和扎實的專業(yè)能力服務(wù)社會的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)，增強了專業(yè)自信，達到了將知識傳授與價值引領(lǐng)有機結(jié)合的目的，提高了教學(xué)效果和育人成效。今后，我們還需根據(jù)國家“一流課程”的建設(shè)要求，在教學(xué)內(nèi)容的重新架構(gòu)、思政元素與教學(xué)內(nèi)容的有機融合、思政案例的凝練與實施及團隊教師的教學(xué)能力提升等方面加大改革力度，為國家培養(yǎng)能力卓越的骨干和領(lǐng)軍人才。