可再生能源技术与工程课程有效教学模式研究

王薇 周明华

摘  要：可再生能源转化与循环利用是实现“双碳”目标的有效途径，基于资源循环专业建设的特点和内涵，该文提出可再生能源技术与工程课程的教学改革思路，通过设立有效目标、建立有效基础、开展有效指导、实现有效拓展和实施有效参与的方式形成适应当代资源科学与技术发展要求的有效教学模式，以达到提升教学质量，使学生可再生能源知识、创新能力、综合素质得到有效发展，培养能满足国家战略性新兴产业需求专业人才的目标。

关键词：资源循环专业；人才培养；可再生能源技术与工程；教学模式；有效教学

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章編号：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

进入21世纪，人类社会面临着严重的能源紧缺和环境污染，发展新能源刻不容缓。而我国在新能源的教育和科研方面，较发达国家还相对落后，这催生了资源循环专业在我国大学教育中的快速发展[1]。目前，大多数高校是在原有环境、动力、热能等专业基础上进行了专业的增设，如何提升课程内容设置的科学性、提高人才培养的专业性，是专业教育目前所面临的主要问题[2-3]。

能源转型是碳达峰、碳中和目标实现乃至将绿色发展转化为新的综合国力和国际竞争优势的关键环节。面对碳达峰目标下我国能源转型在经济社会发展阶段的挑战，以增强科技进步、创新为突破，加速能源低碳转型，是构建现代能源体系，推动经济社会绿色低碳运行和高质量发展的迫切要求[4]。

因此，资源循环专业教育的根本目标是根据能源领域的发展趋势和国民经济发展需要，培养适应创新型国家发展战略，知识、能力、素质全面发展，科学精神和人文素养协调发展，具有良好的综合素质、系统的可再生能源科学与工程专业知识与技能，具备宽厚理论基础，掌握可再生能源转换与利用原理、可再生能源装置及系统运行技术，能胜任可再生能源技术相关的科学研究、工程设计、技术开发、运行与生产管理的跨学科创新型人才和复合型高级工程技术人才。

通过专业课程的有效教学（Effective Teaching），在符合时代和个体积极价值建构的前提下提升教学水平，以达到教学效率的最高化、教学效益的最大化是实现教学目标的有效手段。有效教学理念源于20世纪上半叶西方的教学科学化运动，在美国实用主义哲学和行为主义心理学影响的教学效能核定运动后，引起了世界各国教育学者的关注，也是新时代教学内涵的诠释、教学方法的探索和教学本质的体现[5]。通过设计引导探索性的、自主的、研究性的学习活动可发展学生的创新思维，满足学生的实际需求，使每一个教学环节能够在学生身上真正产生作用，使有效的理念在教学过程中得到贯彻落实，达到学生的进步或发展。

本文介绍了南开大学（以下简称“我校”）环境科学与工程学院资源循环专业的可再生能源技术与工程课程中开展有效教学的过程和成果，提出关于新能源专业教学改革中一些思路举措的思考。

一  专业特色

资源循环科学与工程专业是为了满足国家节能减排、低碳经济及循环经济等战略性新兴产业对高素质人才的迫切需求而设立的新兴交叉学科。作为教育部批准的第一批10所高校之一，我校环境科学与工程学院于2010年在国内率先建设了资源循环科学与工程本科专业，也是全国开设本专业仅有的两所综合性大学之一。该专业是依托南开大学文理交叉的多学科体系，特别是环境科学与工程学院工程科学的雄厚基础而建立；目前拥有国内唯一的国家985工程循环经济创新基地、南开大学循环经济研究中心、南开大学中国再生资源研究中心，以及南开大学清洁生产研究中心等学术研究机构；2011年，被教育部批准为第七批特色专业建设点。

二  课程特色

资源循环科学与工程专业建设目标是要培养面向我国环境保护、废弃物资源化利用、节能减排、供给侧结构性改革和生态文明建设需要，适应未来科技发展，掌握循环经济工程技术方面的基础知识，充实宽广的专业知识和实践技能，具备从事生态保护、废弃物处理、工业工程技术基础理论研究与技术开发的基本能力，能在这些领域从事科学研究、工程技术开发、经营管理等方面工作，全面发展的高素质人才。可再生能源技术与工程课程主要学习可再生能源的种类和特点、利用的方式和方法、应用的现状和未来的发展趋势。其教学内容与目前全球广泛关注的新能源汽车、太阳能光伏发电、风力发电、生物质能、地热能、氢能和燃料电池等课题密切相关。教学团队在课程教学中有针对性地体现课程的理论性、实践性、学术性、前沿性、应用性、发展性和创新性。

三  存在的教学难点问题

资源循环专业是多学科多领域的综合，需基于专业的公共课和专业基础课平台，建设“可再生能源”知识模块。既注重“厚基础”，突出基本理论与方法，又注重“宽方向”，丰富课程知识结构。实现学生“知识结构”的构建和“能力结构”的形成。

设计课程体系的所需基础知识、具体工程技术、发展潜力趋势三个层面，突出可再生能源核心技术方法与存在问题，将知识体系划分为核心知识集合，以及不同的扩展知识模块，以适应不同层次的教学需求，开展与行业、地区经济社会需要相适应的应用型人才培养。

可再生能源的开发利用方式和存在问题都在快速更新，在有限的课程周期内将实际实施工程、企业新产品、行业新进展和科研前沿需求引入课程，使学生专业知识与学科现状及发展动态之间建立有效连接，实施知识-能力-素质一体化的教学模式。

四  教学改革的方法与思路

为适应新形势对资源循环专业人才培养的需求，满足社会及学生个人发展的需求，本研究以有效教学理念为指导，通过进一步组织教学内容、调整课堂与实践教学方法、设计教学资源（图1），来培养学生的专业理论知识、解决工程问题的能力与创新精神，以期获得更好的教学质量。

（一）  建立目标，树立有效概念

明确培养目标和服务面向，建设具有专业特色的课程任务，指导基于有效教学的课程模式。针对新能源产业，培养适应创新型国家发展战略需要，具有新能源科学与工程专业知识与技能，掌握新能源转换与利用原理、新能源装置及系统运行技术，可在太阳能、生物质能、风能等新能源和节能减排领域的企事业单位、高等院校和政府部门从事技术研发、工程设计、新能源科学教育与研究及新能源管理等相关工作的专业人才的目标。配合我国“低碳环保”发展战略，在教学中增强理论基础的同时将可再生能源的传统教学内容和低碳、节能减排进行合理、科学的整合，明确可再生能源与低碳能源系统、低碳技术、低碳产业体系的关系。针对资源循环专业特色，将循环经濟理论、环境系统工程、生态工业技术与可再生能源技术工程的交叉部分重点突出，增强专业的适应性。

基于资源循环科学与工程专业的公共课和专业基础课平台，建设可再生能源技术与工程知识模块。提出适合该专业的可再生能源技术与工程课程任务。针对中国的能源战略体系框架而言，无论是到2050年的能源发展长期规划，还是“十四五”的近期规划，均将以可再生能源的节能环保发展作为我国能源结构的思路。为配合我国的“低碳环保”发展战略，在教学中增强理论基础的同时将可再生能源的传统教学内容和低碳、节能减排进行合理、科学的整合，注重体现课程内容的理论性、学术性、研究性、实践性、应用性和多方向性，特别是地方性[6]。构建与地区、行业经济社会需要相适应的应用型人才培养模式。设计课程体系结构的三个层面，即所需基础知识、具体技术工程、发展潜力趋势三个层面，突出可再生能源核心技术方法与存在问题，将知识体系划分为核心知识集合，以及不同的扩展知识模块，以适应不同层次的教学需求。各模块包含内容以及相互的联系如图2所示。

（二）  激发兴趣，奠定有效基础

有效教学的核心是要从学生的需求出发，学生需求的前提是具有一定的兴趣。通过每学年更新风电、光伏发展动态，结合行业发展和我国资源现状，增加太阳能发电蓄氢、太阳能光热海水淡化、地源热泵、微生物燃料电池和垃圾渗滤液资源化等体现行业发展的教学内容，培养学生学习兴趣。分析典型可再生能源节能建筑，如运用了太阳能采暖制冷、太阳能热水、BIPV（光伏建筑一体化）技术、温屏节能玻璃、高效智能遮阳技术、吊顶辐射技术和楼宇智能控制技术等几十项国际领先低碳技术的山东德州太阳谷国际会议中心节约煤用量、碳减排效果；农村被动式太阳房采暖方式以窗间墙或屋顶为太阳能集热器的主要安装部位，与常规能源采暖方式的区别等。鼓励学生参与暑期社会实践，调研可再生能源项目（绿色建筑、新能源汽车等）节能减排效果，为基于学生知识需求的有效教学创造条件。

让科研成果进入课堂，将教学团队的“量子点太阳能电池”“光能产氢”“微生物燃料电池”等国家自然基金项目内容引入太阳能、氢能、生物质能等课程章节，按导入研究前沿、拓宽专业面、增强适应性的原则，满足学生学习需求。科研成果转化教学，团队通过开展可再生能源领域相关科研工作，已发表相关论文十余篇，这些科研论文的内容充分体现了学科的前沿动态和发展趋势。将这些研究成果作成教学专题，并将相关资料提供给学生课后阅读，可将最新的专业知识及时传递给学生。既丰富了教学的内容，促进学生开阔视野、拓宽知识面，同时还能激发学生的学习兴趣，培养学生的钻研和创新精神，促进有效教学。

（三）  课堂教学，进行有效指导

优化师资配置，开展分类教学。可再生能源技术与工程课程内容丰富，涵盖了新能源材料、技术、工程领域的大量科学前沿。根据教师的科研方向和擅长领域进行分工，采取多位教师讲授的团队教学模式。如风能章节的内容由从事流体动力学相关研究的教师进行讲授，在课堂教学中帮助学生对风能工程中的流体力学知识融会贯通。

通过课程有效实施强化学生素质能力培养。利用启发式、互动式等教学方法，开展引导课、研讨课、讲座课和汇报课，以学生为教学主体，推进有效教学和有效学习。引导课由教师主导进行课程主要知识点的分析和讲解，引导学习，留下相关问题供学生课下思考解决方案，培养学生发现问题的能力，如风速和风向是随时间不断变化的，风力发电机如何最大效率地利用风能。研讨课由教师和学生共同探讨完成引导课提出的问题，训练提升学生分析和解决问题的能力，开展有效学习，如针对风能的不稳定问题，学生分析出风电机组的机舱要保持迎风态、叶轮转速要达到最佳，需根据检测的风速和风向调整叶片的迎风角度，控制机舱旋转对风；教师借此说明变桨系统和偏航系统的工作原理和运行方式。讲座课以专题讲座的形式邀请行业专家与资深工程师，在课程中介绍典型工程实施案例（如天津滨海风力发电厂）、开展企业新产品专题教学（如薄膜太阳能电池）等，通过对实际问题的展示明确课程知识落点，达到与理论知识与工业应用的有效衔接。汇报课由学生分主题汇报某一技术（如太阳能产氢）的发展趋势和学科前沿，培养学生创新思维和知识延伸能力。

（四）  资源建设，知识有效拓展

1  图书资源教材建设

现代科学技术发展迅速，经典教材内容易滞后，教师的科研成果是本学科遇到问题所提出的新观点或新结论，团队将其作为前沿知识编入教材，以丰富课程内容、完善课程体系，使科研成果发挥更广泛的影响。

2  多媒体课件建设

开发与教材配套、适合线上教学的多媒体课件，丰富课程知识获取的种类、方式。采用图示、Flash、视频等现代化和多样化的多媒体手段实现实例演示，使教学内容更具直观性、实践性，便于知识的接受和掌握。

3  课程试题库建设

构建课程试题库，供学生平时练习和过程考核。试题库题型丰富，包括问答题、是非题、计算题、选择题、填空题、视图题和论述题等，可满足对学生进行基础知识、实践技能、应用能力和创新能力的考核需求。

4  专题教学建设

邀请校、院专业教师及行业专家为课程建设教学专题，并将教师承担科研项目的主要研究方法与成果、开发设备产品等作为专题教学资料，供学生及时了解、掌握本学科研究现状及最新动态，拓宽学生视野。

5  课程网站建设

建设了课程数字资源网站，提供教学大纲、教案、多媒体课件、网上练习系统和试题库等相关资源，增加学习课程的手段，为课内与课外学习相结合提供支撑。学生可直接下载所需教学内容，也可依托课程网站与教师互动交流、自由讨论，使学生在课堂与课下均能获得学习指导，提高教学质量与效率。

（五）  创造机会，学生有效参与

推进实践教学，使学生知识联系、应用能力和创新精神能够在实践参与过程中得到有效发展[7]。利用南开大学环境科学与工程学院的自身特点和已有条件，构建实践教学体系。如将学院已建设成熟的天津市生物质固废资源化技术工程中心作为实践基地，形成课程的餐厨垃圾资源化“实习教学模块”，通过实验演示、观摩，使学生对课堂讲授的相关知识有更现实、深入的认识和理解；通过对装置和设备的操作，参与思考、分析提高可再生能源转化效率的途径和方法。在增强学生低碳、环保和资源循环利用意识的同时，进行知识-能力-素质一体化的培养。

结合科研的实践性教学是团队教学改革的另一重要方向。团队教师在专业领域承担了大量创新性的科研项目，如在微生物燃料电池研究方面有近十年的研究经验，结合课程生物质制氢的内容，将所承担的微生物燃料电池相关项目的研究成果融入教学内容，展示团队研发的微生物燃料电池反应器，加深学生对微生物制氫技术现状及应用前景的了解。基于科研课题，鼓励和指导学生参加以“可再生能源技术开发”为主题的大学生创新性立项、大学生节能减排大赛等课外竞赛活动，形成“创新实践教学模块”，促进学生科学研究能力和创造创新能力的发展，构筑“基础、实践、创新”三位一体的人才培养模式。

五  教学改革成效

通过本课程教学改革的实施，教学团队完善了专业课程的教学内容，推进了课程建设，改进了学生初步科研能力、实践能力及创新能力的培养方式，在教育改革理论、实践方法、课程资源库建设等方面取得了一定的成果，为可再生能源技术与工程有效教学的发展探索了一些有益的经验。

教学团队用教学过程中积累的教学经验和可再生能源科学研究成果，设计了专业性、针对性强的教学资源，出版了《资源循环科学与工程概论》《过程工程原理》《化工原理（第三版）》等著作，其中编写的教材《资源循环科学与工程概论》，获得了“中国石油和化学工业优秀出版物奖”，《过程工程原理》入选“十一五”国家级规划教材。

在科研转化教学形式的激励下，班级学生申报获批了南开大学本科生创新科研计划项目2项。推进了创新务实的人才培养，保证了课程培养目标较高的达成度，特别是学生创新实践能力得到提高，不仅增强了综合素质和能力，还拓展了学生的知识面，增加了学生对毕业后工作的适应性，满足了行业对专业人才的需求。

本课程教学改革获得了南开大学2022年本科教育教学改革“一流课程建设”项目立项，实现了以课程建设凸显专业特色、凝聚教学团队、深化教学改革、推进教育创新等以一带多的全面建设效果，在本专业教学管理与本科人才培养中发挥了课程的示范与辐射作用，对完善课程质量保障起到了积极的推动作用。

通过建设课程资源库，并共享到网络学习空间中，有效促进了翻转课堂的实施，发挥了在线学习的空间辐射作用；充分使用网络学习空间平台进行课程辅助教学，确保了学生良好的自主学习环境，以及课堂课下的教学联动，是提高课程教学质量、保证有效教学的实施、促进学生发展的有效形式。

六  结束语

可再生能源技术与工程课程是资源循环科学与工程专业的一门重要专业课程，对新时代本科教育培养高素质应用型人才起着关键性的作用。在国家碳达峰和碳中和战略背景下，面对可再生能源利用高端人才的巨大需求，可再生能源技术与工程课程基于有效教学理念，科学定位人才培养目标，合理构建基础理论、工程能力和创新精神综合培养体系，以提升学生从事可再生能源领域技术工作和科学研究的能力，对“双碳”目标下相关专业人才的培养具有支撑作用和现实意义。本课程教学改革方案可为其他高校同类专业此课程建设提供参考。

参考文献：

[1] 张源，万志军，严红，等.美国高校新能源类专业建设研究与启示[J].煤炭高等教育，2019，37（5）：17-23.

[2] 钱黎黎，王爽，王谦，等.可再生能源利用课程特点及教学模式探索[J].教育现代化，2019，6（A5）：79-81，92.

[3] 徐芹芹，谢海波，李水娥，等.《可再生能源及其利用》课程教学的改革探索[J].广州化工，2019，47（5）：156-158.

[4] 彭智利，李娇娇.基于翻转课堂模式的线上线下混合课程教学设计与实践——以“可再生能源与低碳社会”为例[J].云南大学学报（自然科学版），2020，42（S1）：14-17.

[5] 张廷凯，牛瑞雪.从要素到标准——有效教学研究百年概览[J].教育史研究，2021，3（4）：164-172.

[6] 田金磊，牛志强，陈军.新工科背景下南开大学应用化学专业建设[J].化学教育（中英文），2021，42（18）：61-65.

[7] 宋冬然，方灵琦，杨建.“可再生能源发电技术”研究生课程教学改革探索[J].科技与创新，2022（4）：44-46，50.