可再生能源技術與工程課程有效教學模式研究

王薇 周明華

摘? 要：可再生能源轉化與循環利用是實現“雙碳”目標的有效途徑，基于資源循環專業建設的特點和內涵，該文提出可再生能源技術與工程課程的教學改革思路，通過設立有效目標、建立有效基礎、開展有效指導、實現有效拓展和實施有效參與的方式形成適應當代資源科學與技術發展要求的有效教學模式，以達到提升教學質量，使學生可再生能源知識、創新能力、綜合素質得到有效發展，培養能滿足國家戰略性新興產業需求專業人才的目標。

關鍵詞：資源循環專業；人才培養；可再生能源技術與工程；教學模式；有效教學

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）21-0103-05

Abstract： The transformation and recycling of renewable energy is an effective way to achieve the goal of "Double Carbon". Based on the property and intension of resource recycling specialty construction， some thoughts on teaching reform for the course of "Renewable Energy Technology and Engineering" were put forward in this study. An effective teaching mode that meets the requirements of contemporary resource science and technology development was formed through setting effective goals， establishing effective foundation， carrying out effective guidance， realizing effective expansion and implementing effective participation. This aims to improve the teaching quality， effectively develop students' renewable energy knowledge， innovation ability and comprehensive quality， and cultivate professionals who can meet the needs of national strategic emerging industries.

Keywords： resource recycling specialty; personnel training; Renewable Energy Technology and Engineering; teaching mode; effective teaching

進入21世紀，人類社會面臨著嚴重的能源緊缺和環境污染，發展新能源刻不容緩。而我國在新能源的教育和科研方面，較發達國家還相對落后，這催生了資源循環專業在我國大學教育中的快速發展[1]。目前，大多數高校是在原有環境、動力、熱能等專業基礎上進行了專業的增設，如何提升課程內容設置的科學性、提高人才培養的專業性，是專業教育目前所面臨的主要問題[2-3]。

能源轉型是碳達峰、碳中和目標實現乃至將綠色發展轉化為新的綜合國力和國際競爭優勢的關鍵環節。面對碳達峰目標下我國能源轉型在經濟社會發展階段的挑戰，以增強科技進步、創新為突破，加速能源低碳轉型，是構建現代能源體系，推動經濟社會綠色低碳運行和高質量發展的迫切要求[4]。

因此，資源循環專業教育的根本目標是根據能源領域的發展趨勢和國民經濟發展需要，培養適應創新型國家發展戰略，知識、能力、素質全面發展，科學精神和人文素養協調發展，具有良好的綜合素質、系統的可再生能源科學與工程專業知識與技能，具備寬厚理論基礎，掌握可再生能源轉換與利用原理、可再生能源裝置及系統運行技術，能勝任可再生能源技術相關的科學研究、工程設計、技術開發、運行與生產管理的跨學科創新型人才和復合型高級工程技術人才。

通過專業課程的有效教學（Effective Teaching），在符合時代和個體積極價值建構的前提下提升教學水平，以達到教學效率的最高化、教學效益的最大化是實現教學目標的有效手段。有效教學理念源于20世紀上半葉西方的教學科學化運動，在美國實用主義哲學和行為主義心理學影響的教學效能核定運動后，引起了世界各國教育學者的關注，也是新時代教學內涵的詮釋、教學方法的探索和教學本質的體現[5]。通過設計引導探索性的、自主的、研究性的學習活動可發展學生的創新思維，滿足學生的實際需求，使每一個教學環節能夠在學生身上真正產生作用，使有效的理念在教學過程中得到貫徹落實，達到學生的進步或發展。

本文介紹了南開大學（以下簡稱“我校”）環境科學與工程學院資源循環專業的可再生能源技術與工程課程中開展有效教學的過程和成果，提出關于新能源專業教學改革中一些思路舉措的思考。

一? 專業特色

資源循環科學與工程專業是為了滿足國家節能減排、低碳經濟及循環經濟等戰略性新興產業對高素質人才的迫切需求而設立的新興交叉學科。作為教育部批準的第一批10所高校之一，我校環境科學與工程學院于2010年在國內率先建設了資源循環科學與工程本科專業，也是全國開設本專業僅有的兩所綜合性大學之一。該專業是依托南開大學文理交叉的多學科體系，特別是環境科學與工程學院工程科學的雄厚基礎而建立；目前擁有國內唯一的國家985工程循環經濟創新基地、南開大學循環經濟研究中心、南開大學中國再生資源研究中心，以及南開大學清潔生產研究中心等學術研究機構；2011年，被教育部批準為第七批特色專業建設點。

二? 課程特色

資源循環科學與工程專業建設目標是要培養面向我國環境保護、廢棄物資源化利用、節能減排、供給側結構性改革和生態文明建設需要，適應未來科技發展，掌握循環經濟工程技術方面的基礎知識，充實寬廣的專業知識和實踐技能，具備從事生態保護、廢棄物處理、工業工程技術基礎理論研究與技術開發的基本能力，能在這些領域從事科學研究、工程技術開發、經營管理等方面工作，全面發展的高素質人才。可再生能源技術與工程課程主要學習可再生能源的種類和特點、利用的方式和方法、應用的現狀和未來的發展趨勢。其教學內容與目前全球廣泛關注的新能源汽車、太陽能光伏發電、風力發電、生物質能、地熱能、氫能和燃料電池等課題密切相關。教學團隊在課程教學中有針對性地體現課程的理論性、實踐性、學術性、前沿性、應用性、發展性和創新性。

三? 存在的教學難點問題

資源循環專業是多學科多領域的綜合，需基于專業的公共課和專業基礎課平臺，建設“可再生能源”知識模塊。既注重“厚基礎”，突出基本理論與方法，又注重“寬方向”，豐富課程知識結構。實現學生“知識結構”的構建和“能力結構”的形成。

設計課程體系的所需基礎知識、具體工程技術、發展潛力趨勢三個層面，突出可再生能源核心技術方法與存在問題，將知識體系劃分為核心知識集合，以及不同的擴展知識模塊，以適應不同層次的教學需求，開展與行業、地區經濟社會需要相適應的應用型人才培養。

可再生能源的開發利用方式和存在問題都在快速更新，在有限的課程周期內將實際實施工程、企業新產品、行業新進展和科研前沿需求引入課程，使學生專業知識與學科現狀及發展動態之間建立有效連接，實施知識-能力-素質一體化的教學模式。

四? 教學改革的方法與思路

為適應新形勢對資源循環專業人才培養的需求，滿足社會及學生個人發展的需求，本研究以有效教學理念為指導，通過進一步組織教學內容、調整課堂與實踐教學方法、設計教學資源（圖1），來培養學生的專業理論知識、解決工程問題的能力與創新精神，以期獲得更好的教學質量。

（一）? 建立目標，樹立有效概念

明確培養目標和服務面向，建設具有專業特色的課程任務，指導基于有效教學的課程模式。針對新能源產業，培養適應創新型國家發展戰略需要，具有新能源科學與工程專業知識與技能，掌握新能源轉換與利用原理、新能源裝置及系統運行技術，可在太陽能、生物質能、風能等新能源和節能減排領域的企事業單位、高等院校和政府部門從事技術研發、工程設計、新能源科學教育與研究及新能源管理等相關工作的專業人才的目標。配合我國“低碳環保”發展戰略，在教學中增強理論基礎的同時將可再生能源的傳統教學內容和低碳、節能減排進行合理、科學的整合，明確可再生能源與低碳能源系統、低碳技術、低碳產業體系的關系。針對資源循環專業特色，將循環經濟理論、環境系統工程、生態工業技術與可再生能源技術工程的交叉部分重點突出，增強專業的適應性。

基于資源循環科學與工程專業的公共課和專業基礎課平臺，建設可再生能源技術與工程知識模塊。提出適合該專業的可再生能源技術與工程課程任務。針對中國的能源戰略體系框架而言，無論是到2050年的能源發展長期規劃，還是“十四五”的近期規劃，均將以可再生能源的節能環保發展作為我國能源結構的思路。為配合我國的“低碳環保”發展戰略，在教學中增強理論基礎的同時將可再生能源的傳統教學內容和低碳、節能減排進行合理、科學的整合，注重體現課程內容的理論性、學術性、研究性、實踐性、應用性和多方向性，特別是地方性[6]。構建與地區、行業經濟社會需要相適應的應用型人才培養模式。設計課程體系結構的三個層面，即所需基礎知識、具體技術工程、發展潛力趨勢三個層面，突出可再生能源核心技術方法與存在問題，將知識體系劃分為核心知識集合，以及不同的擴展知識模塊，以適應不同層次的教學需求。各模塊包含內容以及相互的聯系如圖2所示。

（二）? 激發興趣，奠定有效基礎

有效教學的核心是要從學生的需求出發，學生需求的前提是具有一定的興趣。通過每學年更新風電、光伏發展動態，結合行業發展和我國資源現狀，增加太陽能發電蓄氫、太陽能光熱海水淡化、地源熱泵、微生物燃料電池和垃圾滲濾液資源化等體現行業發展的教學內容，培養學生學習興趣。分析典型可再生能源節能建筑，如運用了太陽能采暖制冷、太陽能熱水、BIPV（光伏建筑一體化）技術、溫屏節能玻璃、高效智能遮陽技術、吊頂輻射技術和樓宇智能控制技術等幾十項國際領先低碳技術的山東德州太陽谷國際會議中心節約煤用量、碳減排效果；農村被動式太陽房采暖方式以窗間墻或屋頂為太陽能集熱器的主要安裝部位，與常規能源采暖方式的區別等。鼓勵學生參與暑期社會實踐，調研可再生能源項目（綠色建筑、新能源汽車等）節能減排效果，為基于學生知識需求的有效教學創造條件。

讓科研成果進入課堂，將教學團隊的“量子點太陽能電池”“光能產氫”“微生物燃料電池”等國家自然基金項目內容引入太陽能、氫能、生物質能等課程章節，按導入研究前沿、拓寬專業面、增強適應性的原則，滿足學生學習需求。科研成果轉化教學，團隊通過開展可再生能源領域相關科研工作，已發表相關論文十余篇，這些科研論文的內容充分體現了學科的前沿動態和發展趨勢。將這些研究成果作成教學專題，并將相關資料提供給學生課后閱讀，可將最新的專業知識及時傳遞給學生。既豐富了教學的內容，促進學生開闊視野、拓寬知識面，同時還能激發學生的學習興趣，培養學生的鉆研和創新精神，促進有效教學。

（三）? 課堂教學，進行有效指導

優化師資配置，開展分類教學。可再生能源技術與工程課程內容豐富，涵蓋了新能源材料、技術、工程領域的大量科學前沿。根據教師的科研方向和擅長領域進行分工，采取多位教師講授的團隊教學模式。如風能章節的內容由從事流體動力學相關研究的教師進行講授，在課堂教學中幫助學生對風能工程中的流體力學知識融會貫通。

通過課程有效實施強化學生素質能力培養。利用啟發式、互動式等教學方法，開展引導課、研討課、講座課和匯報課，以學生為教學主體，推進有效教學和有效學習。引導課由教師主導進行課程主要知識點的分析和講解，引導學習，留下相關問題供學生課下思考解決方案，培養學生發現問題的能力，如風速和風向是隨時間不斷變化的，風力發電機如何最大效率地利用風能。研討課由教師和學生共同探討完成引導課提出的問題，訓練提升學生分析和解決問題的能力，開展有效學習，如針對風能的不穩定問題，學生分析出風電機組的機艙要保持迎風態、葉輪轉速要達到最佳，需根據檢測的風速和風向調整葉片的迎風角度，控制機艙旋轉對風；教師借此說明變槳系統和偏航系統的工作原理和運行方式。講座課以專題講座的形式邀請行業專家與資深工程師，在課程中介紹典型工程實施案例（如天津濱海風力發電廠）、開展企業新產品專題教學（如薄膜太陽能電池）等，通過對實際問題的展示明確課程知識落點，達到與理論知識與工業應用的有效銜接。匯報課由學生分主題匯報某一技術（如太陽能產氫）的發展趨勢和學科前沿，培養學生創新思維和知識延伸能力。

（四）? 資源建設，知識有效拓展

1? 圖書資源教材建設

現代科學技術發展迅速，經典教材內容易滯后，教師的科研成果是本學科遇到問題所提出的新觀點或新結論，團隊將其作為前沿知識編入教材，以豐富課程內容、完善課程體系，使科研成果發揮更廣泛的影響。

2? 多媒體課件建設

開發與教材配套、適合線上教學的多媒體課件，豐富課程知識獲取的種類、方式。采用圖示、Flash、視頻等現代化和多樣化的多媒體手段實現實例演示，使教學內容更具直觀性、實踐性，便于知識的接受和掌握。

3? 課程試題庫建設

構建課程試題庫，供學生平時練習和過程考核。試題庫題型豐富，包括問答題、是非題、計算題、選擇題、填空題、視圖題和論述題等，可滿足對學生進行基礎知識、實踐技能、應用能力和創新能力的考核需求。

4? 專題教學建設

邀請校、院專業教師及行業專家為課程建設教學專題，并將教師承擔科研項目的主要研究方法與成果、開發設備產品等作為專題教學資料，供學生及時了解、掌握本學科研究現狀及最新動態，拓寬學生視野。

5? 課程網站建設

建設了課程數字資源網站，提供教學大綱、教案、多媒體課件、網上練習系統和試題庫等相關資源，增加學習課程的手段，為課內與課外學習相結合提供支撐。學生可直接下載所需教學內容，也可依托課程網站與教師互動交流、自由討論，使學生在課堂與課下均能獲得學習指導，提高教學質量與效率。

（五）? 創造機會，學生有效參與

推進實踐教學，使學生知識聯系、應用能力和創新精神能夠在實踐參與過程中得到有效發展[7]。利用南開大學環境科學與工程學院的自身特點和已有條件，構建實踐教學體系。如將學院已建設成熟的天津市生物質固廢資源化技術工程中心作為實踐基地，形成課程的餐廚垃圾資源化“實習教學模塊”，通過實驗演示、觀摩，使學生對課堂講授的相關知識有更現實、深入的認識和理解；通過對裝置和設備的操作，參與思考、分析提高可再生能源轉化效率的途徑和方法。在增強學生低碳、環保和資源循環利用意識的同時，進行知識-能力-素質一體化的培養。

結合科研的實踐性教學是團隊教學改革的另一重要方向。團隊教師在專業領域承擔了大量創新性的科研項目，如在微生物燃料電池研究方面有近十年的研究經驗，結合課程生物質制氫的內容，將所承擔的微生物燃料電池相關項目的研究成果融入教學內容，展示團隊研發的微生物燃料電池反應器，加深學生對微生物制氫技術現狀及應用前景的了解。基于科研課題，鼓勵和指導學生參加以“可再生能源技術開發”為主題的大學生創新性立項、大學生節能減排大賽等課外競賽活動，形成“創新實踐教學模塊”，促進學生科學研究能力和創造創新能力的發展，構筑“基礎、實踐、創新”三位一體的人才培養模式。

五? 教學改革成效

通過本課程教學改革的實施，教學團隊完善了專業課程的教學內容，推進了課程建設，改進了學生初步科研能力、實踐能力及創新能力的培養方式，在教育改革理論、實踐方法、課程資源庫建設等方面取得了一定的成果，為可再生能源技術與工程有效教學的發展探索了一些有益的經驗。

教學團隊用教學過程中積累的教學經驗和可再生能源科學研究成果，設計了專業性、針對性強的教學資源，出版了《資源循環科學與工程概論》《過程工程原理》《化工原理（第三版）》等著作，其中編寫的教材《資源循環科學與工程概論》，獲得了“中國石油和化學工業優秀出版物獎”，《過程工程原理》入選“十一五”國家級規劃教材。

在科研轉化教學形式的激勵下，班級學生申報獲批了南開大學本科生創新科研計劃項目2項。推進了創新務實的人才培養，保證了課程培養目標較高的達成度，特別是學生創新實踐能力得到提高，不僅增強了綜合素質和能力，還拓展了學生的知識面，增加了學生對畢業后工作的適應性，滿足了行業對專業人才的需求。

本課程教學改革獲得了南開大學2022年本科教育教學改革“一流課程建設”項目立項，實現了以課程建設凸顯專業特色、凝聚教學團隊、深化教學改革、推進教育創新等以一帶多的全面建設效果，在本專業教學管理與本科人才培養中發揮了課程的示范與輻射作用，對完善課程質量保障起到了積極的推動作用。

通過建設課程資源庫，并共享到網絡學習空間中，有效促進了翻轉課堂的實施，發揮了在線學習的空間輻射作用；充分使用網絡學習空間平臺進行課程輔助教學，確保了學生良好的自主學習環境，以及課堂課下的教學聯動，是提高課程教學質量、保證有效教學的實施、促進學生發展的有效形式。

六? 結束語

可再生能源技術與工程課程是資源循環科學與工程專業的一門重要專業課程，對新時代本科教育培養高素質應用型人才起著關鍵性的作用。在國家碳達峰和碳中和戰略背景下，面對可再生能源利用高端人才的巨大需求，可再生能源技術與工程課程基于有效教學理念，科學定位人才培養目標，合理構建基礎理論、工程能力和創新精神綜合培養體系，以提升學生從事可再生能源領域技術工作和科學研究的能力，對“雙碳”目標下相關專業人才的培養具有支撐作用和現實意義。本課程教學改革方案可為其他高校同類專業此課程建設提供參考。

參考文獻：

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[3] 徐芹芹，謝海波，李水娥，等.《可再生能源及其利用》課程教學的改革探索[J].廣州化工，2019，47（5）：156-158.

[4] 彭智利，李嬌嬌.基于翻轉課堂模式的線上線下混合課程教學設計與實踐——以“可再生能源與低碳社會”為例[J].云南大學學報（自然科學版），2020，42（S1）：14-17.

[5] 張廷凱，牛瑞雪.從要素到標準——有效教學研究百年概覽[J].教育史研究，2021，3（4）：164-172.

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[7] 宋冬然，方靈琦，楊建.“可再生能源發電技術”研究生課程教學改革探索[J].科技與創新，2022（4）：44-46，50.