“雙碳”目標下相變儲熱技術課程的教學改革探索

摘要：實現碳中和已成為全人類的共同使命，在我國提出二氧化碳排放力爭于2030年前碳達峰、2060年前實現碳中和的總體目標指引下，中國面臨著能源轉型的重大使命，能源的高效存儲與利用無疑將是重中之重。而相變儲熱技術能夠有效克服能量供求雙方在時間、空間及強度上的不匹配問題，在太陽能熱發電、醫療、食品保鮮、建筑節能等領域成為不可或缺的共性關鍵技術。因此，本文提出調整人才培養目標、重構課程體系、調整實踐課程內容，探索交叉學科建設和教學體系的優化改革路徑、改變教學方法等解決方案。旨在培養具備綜合素質的能源型人才，推動能源產業的創新和可持續發展，實現綠色能源體系，為全球氣候變化應對作出貢獻，為中國實現碳中和目標貢獻力量。

關鍵詞：碳達峰；碳中和；相變儲熱

1概述

為解決傳統能源日漸匱乏，避免環境日趨惡化，大力開展節能減排并推廣清潔能源及可再生能源的應用是我國經濟社會可持續發展的重大戰略需求。我國非常重視節能環保工作，己出臺的《能源中長期發展規劃綱要（2004-2020）》、《2030年前碳達峰行動方案》等文件，在明確節約化石能源開發與利用的同時，也非常注重積極開發利用太陽能、風能、地熱能、潮汐能等清潔能源，而這極大促進了儲能技術的發展[1]。相變儲熱技術，作為儲能技術的重要分支，專注于實現熱能的高效儲存和管理。以太陽能熱發電系統為例，利用熔融鹽儲熱罐可有效緩解能源存在間歇性、波動性的難題。在太陽光充足的時候，太陽能熱發電系統能夠充分吸收陽光的熱量，同時，相變儲熱裝置將多余的熱能儲存以備后用。而在陰雨天或者夜間，這些儲存的熱能會被釋放出來，為發電機組提供所需的熱能，從而實現持續穩定的電力供應[2]。此外，該項技術在電力系統中也可以充當高溫能量存儲裝置，通過在低電負荷時期積累熱能，然后在高電負荷時期釋放熱能，以平衡電網負荷波動，提升電力系統的穩定性和可靠性。總的來說，相變儲熱技術不僅有效應對了能源存儲和管理的難題，還在多個領域展現了廣泛的應用前景，提升能源效率和促進可持續能源利用方面發揮愈加重要的作用[3]。通過導入大規模相變儲熱技術，利用相變過程中溫度恒定、潛熱大、熱穩定性好等優勢，可有效緩解能量供求雙方在時間、強度及地點上不匹配的問題，既可以提高能源利用效率又對環境非常友好[4-6]。

研究學者將相變儲熱技術用于熱電聯供系統、工業生產等領域，從而提高能源利用效率，減少對傳統高碳能源的需求，提高能源系統的效率，降低碳排放。此外，隨著能源體系向可持續能源轉型，相變儲熱技術可作為綠色儲能解決方案，支持新能源的大規模集成[7]。為更好地貫徹黨中央和國務院關于實現碳達峰和碳中和戰略的重要決策，以高校為主要力量，發揮其在科研領域的領軍作用和科技創新的驅動力，為實現“雙碳”目標提供專業智力支持和技術人才儲備，教育部特別發布了《高等學校碳中和科技創新行動計劃》。目前，國內外諸多高校和學院均開展了針對相變儲熱技術的教學與科學研究，旨在使能源動力相關專業的學生掌握相變儲熱技術的基本原理，把握相變儲熱技術發展趨勢及應用路線等，為學生以后從事儲能領域的研究與技術應用奠定基礎[8-10]。截止到目前為止，該課程在教學實踐中仍面臨了一系列挑戰，其中包括學科基礎知識要求高、內容繁雜以及學生學習興趣不足問題，而以上問題也是“雙碳”目標下該課程教學改革面臨的重要問題。此外，如何推動教師隊伍率先樹立綠色低碳理念，提升傳播綠色低碳知識能力，改善教學質量并培養更具創新能力的碳中和人才也是本文研究目的所在。

2?相變儲熱技術教學現狀及存在問題

相變儲熱技術相關課程教學現狀及存在問題可以總結為如下幾個方面：①學科基礎知識要求高，此類課程涉及復雜的熱工學、材料科學等領域的知識，可能需要學生具備一定的學科基礎，否則難以理解課程內容；②內容多且深入，復合相變儲熱技術領域涉及的概念和原理較多，而且可能涵蓋從基礎到前沿的廣泛范圍，導致課程內容繁多且深入，難以在有限的時間內全面講解；③知識更新快，技術領域更新迅速，新的材料、方法和應用不斷涌現，導致課程內容需要經常；④由于課程內容的復雜性，學生可能面臨理解難度，導致學習興趣不足，從而影響他們的學習積極性和參與度；⑤缺乏實際應用案例，該技術通常需要實驗室或實際工程的支持，但學校設施可能有限，造成實踐機會有限；⑥評估方式單一，傳統的考試和作業評估方式可能不足以全面評估學生的理解深度、創新能力以及能夠將所學知識應用于實際的能力；⑦學生創新能力培養不足，傳統教學可能未能充分培養學生的創新思維和解決問題的能力；⑧碳中和理念整合不足，將碳中和理念融入課程可能需要額外的教學設計，以使學生理解這一概念與課程內容的關聯，從而限制了整合的深度；⑨跨學科聯系不足，此類課程可能涉及多個學科領域，如材料科學、能源工程等，但學科間的聯系可能未能得到充分認識。

結合上述內容，本文將詳細圍繞學科基礎知識要求高、專業人才培養目標未與“雙碳”背景相結合、專業實踐教學與“雙碳”融合不夠這三個方面描述相變儲熱技術教學現狀及存在問題，如下所述：

2.1學科基礎知識要求高

相變儲熱技術作為一門高度專業化的學科，的確具有一定的復雜性和深度，通常學生在學習過程、以及教師在上課過程都很容易遇到困難。改課程涉及物理、熱力學、材料科學等領域的知識，其中包含一些抽象的概念和復雜的物理過程，學生可能需要時間來理解這些抽象概念和過程。同時，教師上難以采用生動的例子、圖表、模擬實驗等方式來解釋抽象概念，導致課堂講授效率不高。此外，如果學生在物理、化學和熱力學基礎知識這些基礎上存在薄弱環節，理解起來可能會更加困難，需在開設課程之前，設立預備課程，幫助學生建立必要的基礎知識。除此之外，缺乏實驗和實際應用，學生沒有足夠的機會進行實際案例學習，導致學生難以將理論與實際聯系起來。

2.2專業人才培養目標未與“雙碳”背景相結合

我國為應對全球氣候變化。已提出宏偉的“碳中和”目標，直接影響各行各業的發展方向和人才培養需求。盡管如此，儲能科學與工程專業的人才培養目標卻尚未充分與這個關乎“碳達峰和碳中和”的融合深度仍待提高。在將相變儲熱技術專業人才培養目標與“雙碳”背景相結合時，需要高校、教育部門和產業界共同努力，確保培養出能夠為碳減排和可持續發展做出貢獻的專業人才。目前，學生的碳減排意識不強，應當加強學生對碳排放問題的認識，讓他們了解如何通過相變儲熱技術減少碳排放，培養他們在技術研發和實際應用中重視碳減排的意識。其次，該專業研究生對于相變儲熱技術如何在可再生能源領域中發揮作用，如何將相變儲熱技術納入綠色能源轉型的背景中，促進綠色能源的大規模應用，實現綠色能源轉型的認知仍不清晰。對于相變儲熱技術的可持續性，以及如何培養學生在技術研究、設計和應用中考慮社會、環境和經濟可持續性的能力，貫徹可持續發展觀念仍有待探索。

2.3專業實踐教學與“雙碳”融合不夠

將專業實踐教學與“雙碳”融合起來，可以幫助學生更好地理解相關概念，掌握相關技術，同時培養他們在實際情境中解決碳減排和可持續發展問題的能力。其中專業知識雖然具有重要性，然而僅僅擁有專業技能已不足以適應當今復雜多變的社會和環境需求。因此，將“雙碳”大背景與專業課程緊密結合，致力于培養那些不僅具備專業技能，更要培養出具備創新意識和專業素養的人才，為行業的可持續發展和社會的進步做出貢獻。其中，最大的挑戰是如何有效地將“雙碳”與專業課程融合起來。因此，我們必須采取一系列措施，以促進“雙碳”與相變儲熱專業課程的有機結合，積極推動該行業的發展。

然而，目前學生所接觸到的與“雙碳”相關的案例較少，缺乏對相變儲熱技術相關的項目或企業進行實地考察，難以讓學生深入了解實際應用情況，無法掌握相變儲熱技術在工程領域的作用和影響，進而導致相關專業研究生無法獨立完成實驗設計，人才培養出現瓶頸。

3?教學改革措施

針對上述問題，本文擬通過以下措施提高“雙碳”目標下該課程的教學質量，培養符合“雙碳”目標的創新型人才。

3.1設計前置課程、引入案例分析

將課程內容拆分為模塊，逐步深入，確保每個模塊的理解，彌補學生基礎知識差距。在課程開始前，了解學生的學術背景和基礎知識水平；確定哪些方面的知識可能是薄弱的，并根據學生的差距制定前置課程內容；根據學生的差距，確定需要涵蓋的前置課程內容，包括必要的基礎概念、公式、原理等；收集適合前置課程的教材和學習資源，采用多種教學方法，如閱讀、講座、討論、練習等，以滿足不同學生的學習需求；隨后設計前置課程的學習計劃，明確內容的安排和學習進度，確保前置課程的長度和深度合適，不至過于繁瑣。

在前置課程中，引入一些實際應用案例或趣味性內容，激發學生的學習興趣，增強他們的主動性；在前置課程結束后，收集學生的反饋意見，了解他們的學習感受和問題，以便不斷優化前置課程設計；根據前置課程的學生反饋和評估結果，適時調整正式課程的內容和深度，以確保所有學生能夠跟上課程進度；通過精心設計的前置課程與實際應用案例，幫助學生填補基礎知識差距，使他們在正式課程中更好地理解和掌握高溫相變儲熱技術的相關專業知識。總的來說，解決學生難以理解相變儲熱技術的問題需要綜合采取多種方法，包括引導、實踐、案例教學等，以幫助學生逐步掌握和理解這門高級學科。

3.2教學方式的改革

增強專業實踐教學與“雙碳”融合，通過設計與“雙碳”相關的案例，確保學生在實際場景中認知相變儲熱技術的應用過程，觀察物質相變過程，并結合能源效率、碳排放等指標，探討技術在碳中和背景下的應用價值。幫助學生分析如何通過該技術減少碳排放、提高能源效率等。將學生分為小組，組內開展相變儲熱技術應用項目，從技術研究、設計、投資分析等方面考慮碳減排和可持續發展的問題。高校與相關企業或機構合作進行產學合作，為研究生提供實習、實訓機會，讓他們親身參與項目，了解技術在實際產業中的應用和挑戰。著重培養學生在相變儲熱技術領域的創新能力，鼓勵他們開發出更高效、可持續的儲熱方案，以應對能源存儲和供應的挑戰。增加實踐環節，讓學生參與真實項目、實驗室工作或實地調研，將理論知識與實際應用相結合，培養他們解決實際問題的能力。強調相變儲熱技術與其他學科的交叉，培養學生具備多學科合作的能力，如與環境科學、材料工程、能源經濟等領域的合作。

3.3構建“雙碳”與“高溫相變儲熱技術”專業學科交叉融合課程體系

構建碳中和專業相關學科交叉貫通、多維主體協同的教育課程體系，并將碳中和理念引入研究生教育體系，是一個具有前瞻性和戰略性的舉措。通過與其他學科的教師合作，共同開設交叉學科的課程，為學生提供不同學科領域的視角，促進綜合性思考，開發跨學科的核心課程，涵蓋碳中和領域的不同方面（能源、環境、工程等）；在課程中引入真實的碳中和相關案例，讓學生從多個角度分析問題，培養解決復雜問題的能力；設計項目，該項目可涉及不同學科，鼓勵學生通過合作和交流解決實際工作中的碳中和問題，培養實踐能力；強化導師制度，指定導師負責指導學生的跨學科研究項目，確保學生在整個學習過程中得到支持和指導，并由該導師邀請碳中和領域的專家來進行講座和研討會，讓學生了解最新的研究進展和實際應用；最后設立研究生交流平臺與學科綜合評估，促進不同學科研究生的交流合作，共同解決碳中和領域的挑戰，并通過設計綜合性的學科交叉評估方式，評估學生在跨學科學習中的綜合能力和成就。

整合上述方法，可以使專業實踐教學更緊密地與“雙碳”目標相結合，幫助學生深入理解碳減排和可持續發展的重要性，并在實際操作中培養他們的應用能力。同時，高校和教師應當不斷更新教學內容，關注行業動態，確保教學內容始終保持與時俱進。

結語

通過以上措施，構建一個“雙碳”與“高溫相變儲熱技術”跨學科交叉貫通的專業學科融合課程體系，培養出具有綜合能力和創新能力的研究生，為推動碳中和目標的實現做出貢獻。此外，這也有助于培養學生在不同學科領域之間的適應能力，更好地應對未來能源高效利用與管理方面的復雜問題，也為積極推進中國融合發展、建設世界水平的現代化教育提供理論支撐。

參考文獻：

[1]?陳海生，吳玉庭.?儲能技術發展及路線圖[M].?北京：?化學工業出版社，2020.

[2]?Dincer?I，?Dost?S，?Li?X?G.?Performance?analyses?of?sensible?heat?storage?systems?for?thermal?applications[J].?2015，?21?（12）：?1157-1171.

[3]?Sharma?A，?Tyagi?V?V，?Chen?C?R，?Buddhi?D.?Review?on?thermal?energy?storage?with?phase?change?materials?and?applications.?Renew?Sustain?Energy?Rev?2009;?13：?2318-345.

[4]?徐海衛，常春，余強.?太陽能熱發電系統中熔融鹽技術的研究與應用[J].熱能動力工程，?2015，?30（5）：?659-665.

[5]?李昭，李寶讓，陳豪志，等.?相變儲熱技術研究進展[J].化工進展，?2020，?39（12）：?5066-5085.

[6]?丁靜.中高溫傳熱蓄熱材料[M].科學出版社，2013.

[7]?朱教群，張炳，周衛兵.?儲熱材料的研究進展及其應用[J].?能源工程，2007（3）：?5.

[8]?Ren?Y，?Xu?C，?Yuan?M，?et?al.?Ca?（NO3）2-NaNO3/expanded?graphite?composite?as?a?novel?shape-stable?phase?change?material?for?mid-to?high-temperature?thermal?energy?storage[J].?Energy?conversion?and?Management，?2018，?163：?50-58.

[9]?王松岑，來小康，程時杰.大規模儲能技術在電力系統中的應用前景分析[J].電力系統自動化，?2013，?37（1）：?3-8.

[10]?李建林，徐少華，劉超群.儲能技術及應用[J].電氣時代，?2019（9）：?1.

作者簡介：任云秀（1991—??）.女，山東德州人，博士研究生，研究方向：相變儲熱、傳熱傳質。