新工科背景下“太陽能利用技術”課程教學探討

馬婷婷 孟鯉 李森 王小兵 劉鴻

[摘 要] 在新工科建設背景下，分析了新興前沿類課程“太陽能利用技術”目前存在跨學科專業知識儲備不夠、教材適用性較差、授課方式較單一的教學問題，嘗試提出“注重跨學科相關專業知識的導入過程，提高學生學習興趣;緊跟太陽能技術發展前沿，建設教學資料;把課堂交給學生，增強學生主觀能動性”的教學探索舉措，獲得了較好的教學效果。

[關鍵詞] 新工科;太陽能利用技術;創新型人才;跨學科;教學改革

[基金項目] 2019年度常州大學教育研究課題“結合3D打印的工科體驗式教學實踐改革”（CDSG2019208）

[作者簡介] 馬婷婷（1987—），女，湖北棗陽人，博士，常州大學石油工程學院講師，主要從事太陽能中高溫熱利用和相變傳熱研究。

[中圖分類號] G642.0? ? ? [文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）32-0144-04? ? [收稿日期] 2021-04-02

目前新一輪科技革命和產業變革正在重構全球創新版圖，重塑全球經濟結構[1]。新工科（Emerging Engineering Education，3E）是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向[2]。新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才，具有戰略型、創新性、系統化、開放式的特征[2]。當前，國家提出“中國制造2025”“互聯網+”“人工智能2.0”等重大戰略，為新工科的建設與發展指明了方向，也對新工科的建設發展提出了更高要求，即建設一支規模宏大、結構合理、素質優良的創新人才隊伍[1，3]。為響應國家戰略需求，支撐服務新經濟蓬勃發展，突破核心關鍵技術，構筑后發優勢，在未來全球創新生態系統中占據戰略制高點，迫切需要培養一大批擁有更強創新能力、變化能力、適應能力的新興工程科技人才，服務于國家戰略發展，進而提升我國工程教育的整體實力與國際競爭力[4]。

近年來，隨著社會的不斷發展，世界范圍內環境污染日益嚴重，能源危機不斷加劇，為實現人類社會的可持續發展、新能源的開發和利用，勢在必行。尤其是太陽能發電作為一項清潔無污染的新能源技術，日益受到世界各國的重視，制定并出臺了一系列相關技術開發的扶持政策和鼓勵措施。同時，太陽能也是我國目前能源領域的新興重點發展方向之一，在建筑供暖、工業熱水、制冷空調、化工、海水淡化和發電等領域，具有廣泛的應用前景。因此，開設“太陽能利用技術”相關的課程對提高學生的就業機會和增強高校的社會服務能力，具有非常重要的作用。

常州大學能源與動力工程專業在近年來太陽能源蓬勃發展的背景下開設了“太陽能利用技術”，將其作為本科生的一門專業選修課。該課程具有學科涵蓋范圍廣、信息更新快、實踐性較強、與行業發展聯系密切的特點，因此，采用傳統的教學方法顯然不適合[5]。在新工科背景下，“太陽能利用技術”作為能源與動力工程專業的新興前沿類專業課程，應抓住契機，積極探索學科前沿類課程教學的新模式，以適應社會發展新需求。

一、“太陽能利用技術”課程現狀分析

太陽能利用技術涵蓋范圍廣，主要包括太陽能光電轉換技術、光熱轉換技術和光化學轉換技術[6]，其中光熱轉換技術與能源與動力工程專業中以熱能轉換與利用系統為主的熱能動力工程及控制方向較匹配，因此，該部分是“太陽能利用技術”課程的教學重點。“太陽能利用技術”的主要任務是通過各教學環節，運用各種教學手段和方法，使學生對太陽能相關的基礎專業知識和太陽能的利用方式及原理有一定的認識。通過課程的學習，掌握太陽能利用的基本理論知識，掌握太陽能熱水器、太陽能集熱器以及太陽能熱發電系統等的組成、分類和應用現狀等，了解太陽能光伏發電和光化學轉換技術，為今后從事工程技術工作、科學研究及開拓新技術應用領域奠定基礎。

“太陽能利用技術”作為能源與動力工程專業的新設課程，在開課之初借鑒以講授為主的傳統教學模式，效果不甚理想，無法滿足當下新工科的時代要求。課程教學當前主要存在以下幾個問題。

（一）跨學科相關專業知識儲備不夠

“太陽能利用技術”課程主要包括太陽能光電轉換技術、光熱轉換技術和光化學轉換技術三個部分。該課程涉及光學、熱學、力學、材料學和化學等學科，學科涵蓋范圍廣，屬于典型的跨學科課程。比如，太陽能集熱器和光伏板均涉及一種太陽光譜選擇性吸收涂層的概念，這個知識點就需要學生有一定光學、熱學和材料學方面的知識。因此，這門課程對于學生的專業知識儲備要求較高。關于熱學和力學，能源與動力工程專業課程體系中涉及較多，但光學、材料學和化學等學科方面的專業知識所授課程涉及很少，學生接觸少，屬于弱勢學科。對于學生來說，“太陽能利用技術”課程內容非常龐雜，相關的專業知識儲備欠缺，學習起來較吃力，學生容易疲倦進而產生厭學情緒。

（二）教材適用性較差

太陽能光伏發電技術的實際工程應用越來越多，光熱發電逐步走向商業化，光化學轉換技術尚處于實驗研究階段，需要大量的研究型和應用技術型人才，但人才培養需要有針對性的教材和參考書。太陽能利用技術近年來發展迅速，其涵蓋的知識內容更新速度非常快。目前新出版的太陽能相關書籍較多，但適合作為能源與動力工程專業的教材卻很少。比如針對光伏發電的教材過于專業，針對光熱發電的大多只是簡單的科普，多數教材并不適用。同時，作為教材，一般來說基礎知識比重偏大，新技術和應用案例較少且更新慢，無法緊跟太陽能領域最新發展動態，從而體現不出前沿類課程的特點。若單一按照教材內容授課，則達不到開設課程最初的設想。

（三）授課方式較單一

“太陽能利用技術”課程內容除了包含一部分太陽能相關的基礎知識和原理，更關注的是介紹實際技術的開發和應用。因此，本課程需要側重于引導學生利用已學知識解釋相關應用案例并進行思考。以教師為主導的授課方法，過于注重知識的灌輸，忽視對學生獨立思考能力和運用知識能力的培養，使學生在教學過程中處于被動的地位，課堂上的參與度較低。因此，學生的學習興趣被壓制，學習的積極性和主動性不高。即使有課堂互動環節，但是對于新興前沿類課程，若學生課下沒有查詢資料做好充足的準備，也無法收到較好的教學效果，達不到自主創新能力的培養目標。

二、教學改革的主要內容

針對“太陽能利用技術”課程在教學中存在的問題，結合新工科的理念和要求，筆者在最近四年的教學工作中，結合課程特點和專業培養目標，探索嘗試新的教學模式，以期提高教學效果。

（一）注重跨學科相關專業知識的導入，提高學生學習興趣

“太陽能利用技術”課程本身涉及多學科的交叉融合，十分符合新工科注重多學科交叉融合的內涵和特征[1]。在新工科背景下，任課教師應弱化單門課程的邊界，搜尋更多豐富的教學資料，主動將專業課程內容融入所授課程中，在提高學生興趣的同時，還能補充跨學科的知識，建設學生全方位的專業理論體系。工科專業的通識類課程設置基本相同，而專業課程中的一些原理和概念大多在通識類課程中有所涉及，只是深度和廣度不夠，若以此為基點向各個方向輻射和延伸，則可打開通向跨學科知識的大門。下面以一些案例具體加以闡述。例如，在太陽能光電轉換技術方面，通過世界太陽能車挑戰賽和太陽能飛機的引入來引起學生對課程的興趣，在案例里提出太陽能光伏板，吸引學生對光伏的注意力;在光電轉換原理中，先回顧大學物理里普朗克提出的光子能級躍遷公式，再進行半導體材料和PN結等的講解，降低學生對新知識的抵觸心理，新舊知識過渡自然。在太陽能光化學轉換技術方面，通過引入植物的光合作用及其基本原理提出太陽能光化學的概念，既使學生印象深刻，迅速理解光化學轉換的過程，也加深了對生物學中自然現象的認識。

在太陽能光熱轉換技術方面，通過引入日常生活中常見的太陽能熱水器，提出太陽能熱水器采用的關鍵技術之一即太陽光譜選擇性吸收涂層，它使得熱水器集熱效果好，產熱水能力強。這會讓學生在腦海里首先有一個選擇性吸收涂層的概念，并在心理上覺得太陽能其實離自己很近，易于接受。講解太陽光譜選擇性吸收涂層的原理時，先導入傳熱學里三大傳熱方式之一的熱輻射相關知識，將傳熱學知識擴展應用于理解太陽光譜選擇性吸收涂層的工作原理，既可以加深學生對專業知識的理解，提高應用傳熱學知識的能力，也讓學生清楚認識到新技術可應用已有知識創造出來。講解聚光集熱器的時候，首先引入美國Discovery的一檔科普紀錄片《流言終結者》，其在2006年拍過一個針對公元前215年阿基米德關于制造一塊大聚光鏡燒毀入侵羅馬戰船的流言進行驗證的專題“要命的聚光鏡”，使學生了解到人類其實很早之前就已經開始了對太陽能利用技術的探索，并且意識到太陽能聚光鏡的威力不可小覷，同時引起了學生的學習興趣。

（二）緊跟太陽能技術發展前沿建設教學資料

新工科理念要求高校在工科教育中緊跟科技革命和產業變革的發展趨勢，課程教學不應僅僅局限于課本內容，還應緊扣時代脈搏和行業發展動向，使學生廣泛接觸太陽能領域的新知識和新技術，提高學生的認知和創新能力。太陽能利用技術主要涉及光電、光熱和光化學轉換技術。隨著新材料、新技術和新政策的出現，太陽能利用技術會不斷更新換代。在“太陽能利用技術”課程中，基本概念和基礎應用知識主要參考“太陽能熱利用技術”[7]和“太陽能利用技術”[6]等章節內容。關于太陽能三種轉換技術的最新技術、應用案例及國家政策，也應予以補充。比如，太陽能行業發展的新技術、新應用案例以及國家政策等方面的內容，可借鑒權威新聞網頁和視頻、太陽能相關會議以及科技文獻，將這些內容經過分類整理和加工，最終形成課程講義。下面以一些案例加以詳細闡述。例如在光電轉換技術方面，可以講述第三代太陽能電池、高倍聚光太陽能光伏技術、國家對光伏發電并網的電價補貼政策等;在光熱轉換方面，可以就太陽能熱發電技術進行重點闡述，介紹我國位于南京市江寧區的首座70 kW塔式太陽能熱發電系統和北京延慶八達嶺1 MW太陽能熱發電實驗電站，并簡述我國第一批太陽能熱發電示范項目的進展情況;在光化學轉換方面，可以結合未來的氫能經濟講述太陽能光熱化學制氫和光催化制氫。這些知識將極大地豐富學生在新發展方向的知識面，擴寬學生對傳統專業的認識，有效地提高新工科背景下學生的科學素養。

當然，教學資料除了文字和圖片格式的，還有視頻形式的。視頻形式的資料使知識點更加形象和直觀，便于學生理解。比如，講解太陽能光伏電池的工作原理時，利用制作的PN結光生伏打的動態小視頻，使原本枯燥的文字描述變成直觀的動畫，更容易讓人快速理解。講解太陽能光熱發電系統時，視頻補充介紹了美國392MW伊萬帕塔式光熱發電站，真實的案例使學生對太陽能塔式光熱發電站的基本模塊構成和主要建設過程印象深刻。這些輔助視頻教學資料豐富了教學資料形式和教學手段，也彌補了課程實踐性的不足，有效地提高了教學效果。

（三）把課堂交給學生增強學生的主觀能動性

太陽能利用技術廣泛，可講解內容龐大，而課堂時間有限，即使采用“滿堂灌”的方式也無法把所有的知識都講解到位。因此，合理安排教學內容、突出教學重點和難點、運用多種教學手段和靈活而形象的教學方法來激發學生的學習熱情和啟發學生的自主學習能力，是達到良好教學效果的重點。為此，“太陽能利用技術”的課程安排主要為：重點和難點內容由教師主講，即太陽能利用技術的基本原理和分類、關鍵技術、系統基本構成和發展趨勢等;具體技術應用等內容則被劃分為若干個專題，如太陽房、太陽能溫室、太陽能干燥、太陽灶、太陽能制冷、太陽能海水淡化、太陽能光伏產品等，以學生自主挑選小課題講授和討論為主。這樣采用教師搭建課程知識之樹的大枝干、學生自主增添細節枝葉的方法，既保證了課程的完整性，又提高了學生的課堂參與度，培養了學生自主思考和學習的能力。

教師會發現學生都有自己感興趣的小課題，通過溝通發現學生所想所需，從而能更了解學生。例如，有的學生講解了太陽能光伏應用中的太陽能路燈，不僅包括它的應用，還把太陽能路燈的系統組成和詳細的結構圖都展現了出來，并且和同學討論里面的各個部件是怎么具體運作的。有的學生對太陽能海水淡化技術感興趣，把太陽能盤式蒸餾器的結構、材料、產水量、效率和優缺點等都講得頭頭是道。把大部分課堂時間交給學生，可大大提高學生的課堂參與度，激發學生的好奇心和學習興趣。獨特的課程安排和教學形式，在帶給學生新的課堂體驗的同時，也得到了學生的諸多好評，使得本來枯燥乏味、一成不變的課堂教學形式變得豐富多彩，同時促進了教師和學生的有效溝通，開闊了學生的視野。

三、總結

本文主要介紹了新工科建設背景下筆者對“太陽能利用技術”課程進行的教學改革與嘗試，通過“注重跨學科相關專業知識的導入，提高學生學習興趣;緊跟太陽能技術發展前沿，建設教學資料;把課堂交給學生，增強學生主觀能動性”等方法，取得了不錯的教學效果。今后將在原有教學實踐的基礎上，始終以培養創新型、跨學科、具有綜合能力和創新精神的卓越人才為教學目標，不斷豐富課程內容，繼續探索、完善教學方法，提升教學效果，使學生對太陽能利用技術具有全面且清晰的認識，為普及太陽能利用相關知識，推動學生繼續深造和職業發展，打下堅實的基礎。

參考文獻

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[6]羅運俊，何梓年，王長貴.太陽能利用技術[M].第2版.北京：化學工業出版社，2014.

[7]邵理堂，劉學東，孟春站.太陽能熱利用技術[M].鎮江：江蘇大學出版社，2014.

Discussion on the Teaching of Solar Energy Utilization Technology Course under the Background of “Emerging Engineering Education”

MA Ting-ting1， MENG Li2， LI Sen1， WANG Xiao-bing1， LIU Hong1

（1.School of Petroleum Engineering， Changzhou University， Changzhou， Jiangsu 213100， China;

2.SUMEC Group Corporation， Nanjing， Jiangsu 210000， China）

Abstract： Under the background of “emerging engineering education” construction， the current teaching problems of the newly developed course of Solar Energy Utilization Technology such as the lack of interdisciplinary related professional knowledge， the poor applicability of teaching materials， and the singleness of teaching method， are analyzed in this paper. Some new teaching reform methods which have achieved good teaching effect are also put forward. These teaching reform methods include paying attention to the process of interdisciplinary related professional knowledge introduction to improve students' interest; keeping up with the frontier development of solar energy technology development and constructing teaching materials; leaving more class time to students to enhance their subjective initiative.

Key words： “emerging engineering education”; Solar Energy Utilization Technology; innovative talent; interdisciplinary; teaching reform