“双碳”背景下能源与动力工程专业实验课程教学的改革研究

［摘 要］“双碳”目标的推进对能源与动力工程专业人才培养带来了新挑战。其中，专业实验课程作为培养学生工程实践能力和创新能力的重要环节，其教学方法的创新改革对培养符合时代发展要求的人才具有重要意义。文章对目前实验课程教学过程中存在的问题进行分析，并针对实验课程内容枯燥、学生参与实验课程积极性较低的问题，提出有效对策：创新实验课程教学方法，丰富实验课程内容，采用问题式教学方法，深入挖掘虚实结合的教学模式，将科研成果融入实验课程教学，将实验课程内容与工程实际问题相结合，进而提升课程教学质量；同时通过融入课程思政来提高学生参与实验课程的主观能动性，强化其社会责任感。通过上述实验课程教学改革，可激发学生的科研能力和创新思维，提升学生解决复杂工程实际问题的能力，培养符合时代发展需求的高质量专业人才。

［关键词］“双碳”；能源与动力工程专业；实验课程；教学改革

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）15-0080-04

人才的培养与国家的发展息息相关。作为人才培养的主要力量，高校肩负着为党育人、为国育才的光荣使命，其人才培养目标应紧随国家战略发展方向。自中国提出“双碳”目标以来，新能源得到了大力发展[1]，但其中风电、太阳能等新能源发电还存在一些不足。为构建新型的电力体系，作为电力行业的压舱石，火电在未来相当长的时间内扮演着调峰的角色，以保障电力安全稳定。“双碳”目标对火电行业既是面临挑战也是发展机遇。2021年7月，教育部制定了《高等学校碳中和科技创新行动计划》，表明要发挥高校基础研究主力军和重大科技创新策源地的作用，为实现“双碳”目标提供科技支撑和人才保障[2]。而作为电力行业的主要人才供给专业，能源与动力工程专业在这一挑战下，亟须改革教学方法，优化人才培养模式，培养符合时代发展的创新型人才。

2019年9月，《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》指出，要深化创新创业教育改革，挖掘和充实各类课程、各个环节的创新创业教育资源[3]。而专业实验课程作为高校培养人才的重要环节，在增强学生的动手能力，促进专业知识的理解及激发学生创新性思维及工程应用能力等方面具有重要作用[4-5]。因此，创新专业实验课程的教学方法，探索新的教学思路，有利于培养符合时代发展、适应社会需求的工程类人才。

一、能源与动力工程专业实验课程教学现状分析

目前，部分高校的能源与动力工程专业实验课程教学中，学生参与的积极性较低，课堂氛围枯燥乏味，无法达到提升学生工程实践能力和创新能力的目标。实验课程教学过程中存在的主要问题如下。

（一）实验课程教学方法单一

目前部分高校的实验课程教学方法单一，缺乏创新，主要表现为：课前，教师布置给学生熟悉实验课程原理及操作步骤的预习任务，但缺乏有效的检验手段，只依靠学生的自我约束，实验课程预习效果不佳。课中，传统的实验课程教学一般是教师给学生讲述实验目的、实验原理、实验装置及实验操作步骤，同时进行演示，而部分学生由于忽略实验课程的重要性，只是机械地复现实验课程操作步骤，获得实验数据。这种教学方法束缚了学生的思维，实验效果差，无法真正锻炼学生的实践能力和创新思维能力。课后，学生完成实验报告后不再接触实验课程，没有将实验内容内化为自身知识。实验课程对学生的考核仅在于实验表现和实验报告的完成度，考核方式单一，对学生的约束力不足。对部分学生而言，实验仅仅是需要完成的任务，而非锻炼自身的动手能力和工程实践思维能力。目前的专业实验很少在实验课程中融入最新发展技术，无法紧跟专业发展前沿。

（二）实验设备受限制

时代在发展，技术在进步，但实验设备受经费及实验场地的约束无法做到及时更新。学生所用的实验设备大多还是技术落后的设备，尤其是专业实验课程。火电厂为响应“双碳”目标，相应设备及系统不断优化，发电效率提高，但高校实验课程所用的锅炉及火电厂全厂模型系统仍是早期的锅炉和设备，无法让学生了解最新的锅炉结构及系统流程，导致学生所学的内容与工程实际脱节。大多数学校的实验设备数量不足，实验时都是多个学生使用一台实验课程设备，最终操作实验的只有两三名学生，其他学生参与度低，无法达到应有的实验效果。实验设备配套不足，难以调动学生参与的积极性，难以锻炼学生观察问题、分析问题和解决问题的能力，使学生的创新思维及工程实际问题解决能力培养不足。

此外，实验课程不仅能够锻炼学生的动手能力，也能够锻炼学生的实验设计思维。然而，大多数实验设备的结构密封一体，学生通过实验课程大多只掌握了操作方法，而不能理解实验装置的设计原理。

（三）实验类型单一

由于设计性实验及综合性实验涉及的实验成本高、可控性低，目前高校大多数实验课程是验证性实验，设计性和综合类的实验较少。验证类实验主要根据实验指导书的操作步骤来操作，学生觉得实验简单、枯燥，个别学生甚至直接按照理论整理实验数据。此外，部分实验操作步骤少，需要较长的时间记录数据，一个实验一般是3～5人一组，而等待记录实验数据只需一人，这样会使部分学生失去耐心，此类实验较难引起学生的兴趣。

二、能源与动力工程专业实验课程的教学方法改革思路

实验课程的教学目的是锻炼学生的实践动手能力、工程思维能力和创新能力，为了充分发挥实验课程在人才培养中的作用，必须创新改革教学方法，丰富实验课程教学内容。本文探究的能源与动力工程专业实验课程改革思路如图1所示。

（一）采用学生为主，教师主导的教学方法

以学生为主就是在实验课程及实践过程中要把学生当作学习的主动探索者，教师只起到引导作用。教师根据实验课程内容提出相关问题，采用问题式教学方法，给予学生充分的自我思考时间，引导学生思考如何解决问题，加深对实验的认知和理解。通过问题式教学方法让学生充分地动脑、动手，激发学生的学习兴趣，进而提高学生参与实验的积极性和主动性。引导学生思考的时候，教师可以根据学生个体差异，对不同学生进行不同程度的引导，进而达到更好的学习效果。

为了更好地激发学生的工程思维及工程实践能力，不仅需要让学生掌握实验方法，更需要掌握实验设备设计的方法。以传热学稳态法测导热系数实验课程为例，为了引导学生自主思考实验设计理念，掌握实验方法，应当根据实验设计理念引导学生，先让学生根据书本上导热相关的知识进行思考，设计实验来求取一块木板的导热系数。根据学生的设计反馈，强调设计的重点，提问学生本实验设计要考虑的重点有哪些，根据学生的回答再次引导学生思考如何让实验达到稳态，采取什么样的措施能够保证给定的热量不会从其他方向散失，如何保证热量均匀地给到木板。同时也可以根据实验设备细节设计相关引导式问题，让学生在掌握设计重点后进一步完善实验设计。最后再讲解本实验的设计理念和操作方法，让学生开展实验。这种教学方法能更好地让学生理解实验的目的，提高学生的参与度，让学生掌握实验的设计方法，培养解决复杂工程问题的能力，提升学生的创新能力。

为提高学生的工程实践能力，可将不能用的实验设备进行拆解，让学生充分了解实验设备的内部结构和设计原理；还可增加设计性实验，拓宽学生的创造性思维。

（二）实验内容与工程问题相结合

工科类专业实验课程的设置目的是提高学生的工程思维及工程实践能力。因此，专业实验课程教师应当拓展与工程实际相结合的点，不能脱离工程实际。以能源与动力工程专业课程“锅炉原理”中的实验为例，在进行锅炉燃煤水分测定实验的过程中，让学生查找文献，了解煤中水分对发电效率的影响，引导学生自主设计实验来探究干燥的热风温度和干燥时间对煤中水分测定结果的影响。通过了解燃煤电厂为降低煤中水分所采取的干燥措施这一工程实际问题，进而掌握降低煤中水分可提高发电效率、降低二氧化碳排放量的知识点，同时响应“双碳”目标。将专业实验与现实工程问题相结合，对复杂工程问题进行研究，能够提高学生的实验兴趣和解决工程实际问题的能力。

（三）融入课程思政

教师不仅需要教书，更需要育人。教师要将课程思政融入实验课程，培养具有坚定理想信念、富有社会责任感的大学生[6]。在实验课程教学中，教师应深度挖掘相关课程中蕴含的思政元素及文化要素，层层递进逐渐融入实验课程中，激发学生参与实验课程的积极性。对于能源与动力工程专业，以时政热点、环境保护、社会需求及先辈楷模等为融入路径，使学生树立专业自豪感与正确的价值观，提升学生在实验过程中的主观能动性。通过课程思政，学生认识到参与实验课程不是单纯为了完成课程任务，而是为了锻炼自身的工程实践能力和工程思维能力，从而转变学习态度，提高学习积极性。

（四）提升实验课程教师的综合能力

教师是高校的主体，高校人才培养依赖于教师的教学水平、专业能力和创新能力。因此，提高实验课程教学质量，应提高教师团队的教学能力、工程实践能力和创新能力。

为提高教师的教学能力，可定期开展实验课程教学方法交流会及培训会，让教师相互分享教学方法，取长补短，提高整体的教学水平。同时，需要定期收集学生对教师上课教学方法的反馈，教师根据学生的接受程度进行合理的调整与优化，不断提高自身的教学能力。为提高教师的工程实践能力，可让实验课程教师定期参与到实际工程中。对于能源与动力工程专业，专业教师应当定期到燃煤电厂进修，深度了解当下工程的实际问题，不断提高自身的工程实践能力。为提高综合能力，实验课程教师需要不断学习掌握专业技术发展前沿，开阔自身的视野，从而更好地培养学生解决复杂工程问题的能力。

（五）采用虚实结合的教学模式

随着科学技术的发展，数字化教学已逐步融入高等教育教学。虚拟仿真实验是通过虚拟仿真技术模拟真实的实验场景，让学生能够在虚拟场景中进行实验操作，给学生较好的实验体验感，以提高学生的实验操作能力[7]。

采用虚实结合的教学模式能够避免单一虚拟仿真的虚而不实，同时能够解决学生难以熟练掌握实验操作步骤，以及由于设备不足导致的部分学生不能参与实验等问题。课前可以让学生登录虚拟仿真系统观看实验标准操作视频，熟悉原理和操作步骤，并进行初步操作考核，从而加强学生的预习效果，提高学生的实验操作能力。实验结束采用虚拟仿真操作对学生进行考核，能够及时把握学生对实验过程的掌握程度。对于涉及大型设备的专业课程，可以采用虚拟仿真或虚拟系统模拟，让学生掌握技术发展趋势。以能源与动力工程专业课程“热力发电厂”的实验为例，为实现“双碳”目标，燃煤火电行业不断优化发电系统及设备，提高能源利用率，降低碳排放。为让学生及时掌握行业技术的发展，可以采用虚拟仿真或虚拟系统模拟让学生及时掌握燃煤发电新系统，如采用专业建模软件（如EBSILON Professional）搭建各种节能系统，直接展示新系统与原系统的区别及节能效果，从而培养学生的低碳节能意识。此外，可增加虚拟仿真设计类和综合类的实验，突破设备的限制，给予学生思考的空间，让学生能设计实验，提高学生的工程实践思维能力和创新能力。

虚实结合的实验方法，能够提高学生的实验课程参与度，培养学生严谨的科研态度，同时能够突破传统实验课程时间与地点的限制，提高学生的参与度，更好地让学生掌握实验的操作步骤，提高学生的动手能力和工程实践能力。

（六）将科研成果融入实验课程教学

高校教师作为基础科学研究的主力军，科研成果丰硕。但教师的科研成果一般应用在研究生培养方面，有的科研设备在做完实验研究后就会闲置，造成资源浪费。为了充分利用这些科研设备，可将其用于本科教学，让学生更好地掌握“双碳”目标背景下本专业的发展动向。在“双碳”目标背景下，如何降低碳排放及碳捕集技术是燃煤发电行业专业人才研究的热点。煤炭燃烧产生的烟气中二氧化碳排放量巨大，现阶段研究的主要碳捕集方法为燃烧后碳捕集技术，包括吸收法、吸附法、膜法以及深冷法等。高校教师开展这方面研究的实验较多，可以让学生参与相关的碳捕集实验，切实地了解碳捕集技术，同时感受科研的严谨氛围，从而更好地让学生掌握专业技术发展动向，提高学生的创新能力和科学研究能力，培养符合时代环境需要及适应快速变化发展的能源领域人才。

三、总结

“双碳”目标背景下，培养符合时代发展需求的人才具有重要意义。为充分发挥实验课程在培养专业人才中的作用，应采用以学生为主、教师主导的实验课程教学方法，丰富实验课程内容，提升学生参与实验课程的积极性；此外，要不断引进高校科研设备及虚拟仿真实验进入本科课堂，打破传统实验设备的局限性；同时，引入课程思政提升学生参与实验课程的主观能动性，从而激发学生的科研能力和创新思维，提升学生解决复杂工程实际问题的能力，培养符合时代发展需求的高质量专业人才。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 甘学涛，王雷，谭亲跃，等.“双碳”背景下电气工程及其自动化专业实践教学模式探讨[J].中国电力教育，2023（10）：71-72.

[2］ 中华人民共和国教育部.教育部关于印发《高等学校碳中和科技创新行动计划》的通知.[EB/OL].（2021-03-08）[2024-01-12]. http：//www.moe.gov. cn/srcsite /A16 /moe_784/202107/t20210728_54745

1.html.

[3］ 中华人民共和国教育部.《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》.[EB/OL].（2019-09-29）[2024-01-12]. http：//www.moe.

gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191011_40275

9.html.

[4］ 于贺伟，程屾，张兴宇，等.科教融合背景下专业综合实验课程教学改革：以能源与动力工程专业为例[J].高教学刊，2023，9（18）：138-141.

[5] 王志和，田玉兰，孙军，等.能源与动力工程专业实践教学研究与探索[J].大学教育，2017（2）：37-38.

[6] 邱恺培，汤雯，雷雨田，等.“双碳”背景下“能源与环境”课程思政教学探索[J].环境教育，2023（10）：51-53.

[7］ 任亚涛，齐宏，何明键，等.双碳背景下能源动力类课程教学中虚拟仿真技术的应用：以“传热学”为例[J].科技与创新，2024（1）：165-167.

［责任编辑：刘凤华］