一流專業建設背景下生物質能課程體系探索*

劉珠偉

(江蘇海洋大學新能源研究所，江蘇 連云港 222005)

生物質在能源和材料領域得到了廣泛應用，特別是生物質發電技術應用潛力巨大。基于生物質能源的清潔、可再生屬性及其良好的經濟、社會、環保效益，使得國家大力支持發展生物質能，將“十三五”生物質發電規模目標提升至2334萬千瓦[1]。這使得生物質發電廠、熱工院、鍋爐制造等相關企業對該類人才需求量增加，同時對人才的專業技能有更高的要求。江蘇海洋大學新能源科學與工程專業作為省級一流本科專業，目前主要涉及太陽能、風能、生物質能利用方向，培養在這些領域具有較強理論基礎、工程應用和創新能力的人才。

1 課程體系現狀

能源消耗量日益增加導致碳排放量加劇，引起一系列環境問題。化石能源燃燒是全球碳排放的主要來源，開發可持續循環利用的清潔能源迫在眉睫。近年來，新能源利用技術得到國家能源可持續發展政策的大力支持，國務院頒布了十三五國家戰略性新興產業發展規劃，鼓勵新能源行業的發展，新能源科學與工程專業在該背景下應運而生。

完善專業課程、優化教學模式、研發核心技術、培養高素質專業人才是教育單位所追求的目標。目前，開設新能源科學與工程專業的國內高校總數達到132所。浙江大學以工程熱力學、太陽能、生物質能作為三個專業核心類。學生們主要學習新能源的基本理論、各類能量轉化與有效利用及環境保護與能源開發利用的理論與技術，具備能源工程及設備的設計、運行、創新與生產管理的綜合能力。華中科技大學著重培養集清潔與可再生能源科學及工程知識與現代信息技術為一體的跨學科復合型人才。主要課程為：四大力學、工程傳熱學、太陽能利用、生物質能源利用、風力發電等課程。西安交通大學培養具備新能源科學與工程這一強交叉學科寬厚扎實的基礎理論，系統掌握可再生與新型能源的高效低成本轉換利用、常規能源潔凈高效轉化利用、及與之相匹配的動力系統及其自動化控制與運行方面的專業知識。主要開設的課程為：工程力學、工程熱力學、流體力學、傳熱學、生物質能轉化原理與技術、光電及光化學轉化原理等[2]。從這些雙一流高校的培養方案可以看出，新能源科學與工程專業涵蓋的專業方向非常廣，其中生物質能利用方向是其發展的重點之一。

江蘇海洋大學作為首批招生新能源科學與工程專業學生的高校，已在太陽能熱利用技術、光伏利用技術等方向取得豐富的教育教學經驗。而生物質方向僅有《生物質能工程》一門課程，顯然不足已匹配當前一流專業建設的發展。根據當前卓越工程師計劃、有效的培養模式，結合本專業現有實驗室相關教學儀器設備等基礎條件，我校新能源專業須向這些高水平學校的專業課程體系靠攏，開展新能源生物質能方向的相關教學探索符合專業發展需求。

2 課程體系建設

新能源科學與工程專業本科生的培養方案、培養模式和課程體系處于不斷探索和完善中。根據社會需求和學校自身已有專業方向積累，形成新能源科學與工程專業特色，對專業課程設置越來完善。

2.1 專業定位和培養目標

新能源科學與工程專業立足于國家十二五發展規劃，它面向新能源產業，培養在新能源領域具有較強工程應用和創新能力的專用人才。該專業的內容主要涉及多類新能源領域，隸屬于工學中的能源動力類，學科方向具有交叉性強、專業跨度大的特點[3]。

明確專業定位和培養目標在于注重本科生基礎知識及交叉學科知識教學理念的培養。該學科學生需要掌握扎實的基礎理論和專業知識，包括數學、物理、化學、機械、電氣、熱力學、計算機等，為充分發揮專業優勢，還需了解生物質加工工藝、熱解、熱化、氣化等專業知識[4-5]。廣大一流高校的專業核心課程體系建設完善，統編教材全面，為我們提供了可利用的優勢資源，與這些高校的課程同步利于我校生物質方向發展。

2.2 注重基礎與專業課程體系建設

注重厚基礎、寬專業、交叉學科的教學理念，充分發揮我校新能源科學與工程專業發展十年的學科優勢，增設生物質能利用方向課程。一要注重思想政治教育，以提升學生的人文素質。思想政治教育不僅體現在大一大二的學習階段，而是要貫穿于大學四年整個學習過程，以建立完善的知識結構和健全的人格；二要培養學生系統地掌握新能源專業必須的技術基礎理論。核心課程主要包括傳熱學、工程熱力學、工程力學、生物質能源工程、生物質能利用原理與技術、生物質能轉化原理與技術等必修課程，使學生掌握生物質能利用的系統知識；三要開設新能源熱利用與熱發電原理及系統、氫能與新型能源動力系統、生物質熱化學轉化原理及高效利用技術、生物質燃氣利用技術、生物油制備與應用、等相關專業特色選修課，拓展學生對生物質工程全方面知識的了解；同時需要學生掌握專業必須的制圖、設計、計算、測試、數據處理及查閱文獻等基本技能。

2.3 加強實驗實踐教學

生物質利用方向的課程具有很強的實踐性和應用性。這需要培養學生扎實的理論基礎，同時還要強調實驗和實踐的培養。包括基礎性和拓展開放性實驗，以及認知和生產實習的相關實踐教學。學生在實驗實踐教學任務中，通過完成實驗前預習、實驗儀器操作、實驗數據分析、撰寫實驗報告、實習單位參觀、實習總結報告等內容，真正的將自己所學專業知識與生產實際相結合。這不僅有利于理論教學基礎理論知識的深化理解，更對學生們發現問題、解決問題、創新思維能力起到很好的鍛煉作用。同時認知與生產實習為學生們了解所學專業的就業形勢及工作單位提供了很好的機會，進而調動了學生們的學習積極性。

綜合上述內容，以構建多層次的教育體系及平臺，使學生能夠以課堂、實訓和實習緊密相結合的方式明確能新能源領域技術的戰略需求，并能針對實際工程問題構建有效的解決方案，生物質能課程體系構建思路如圖1所示。

圖1 生物質能課程體系構建思路

基礎及專業課程培養學生的基礎能力和專業應用能力，在整個教育過程中起著指導性作用，同時相關課程實施會反饋信息作為實時修訂課程的依據。生物質能利用呈多聯產分布，涉及領域相互融合，課題研究方向廣，諸多重點高校成立清潔能源實驗室，與這些一流高校的課程及研究方向同步，吸取其先進經驗有助于我們新能源專業生物質方向的快速發展。必不可少的實驗實踐教學環節貫通整個教育過程，大一階段大學物理實驗、大二階段多家企業的認知實習、大三階段課程實驗、大四階段相關企業生產實習，這與培養方案完美銜接。同時鞏固和檢驗了學生們所學的基礎及專業知識，以此不斷完善相關課程設置。

2.4 生物質能課程教學設計

本單位開設的《生物質能工程》課程，立足于新能源科學與工程專業的學科發展，培養學生對生物質能開發技術的選擇應用能力。通過對本課程的學習，了解生物質能的研究發展前沿，系統掌握生物質能轉換技術的原理、工藝、設備及其應用途徑。同時，對生物質能資源的生產與再生產、環境影響和經濟評價，樹立資源可持續利用的觀念起到積極作用，為從事生物質資源利用方面的科學研究和技術開發打下良好基礎。

以生物質直接燃燒技術章節為例，主要內容是生物質燃燒原理、傳統爐灶及其改進、生物質直接燃燒發電，嘗試依據生物質能課程體系構建思路展開教學。

首先，引導學生關注知識前沿。若只按照課本內容進行講述，學生準確定位生物質燃燒的相關技術存在難度。為此，講述本章節內容時，通過課件介紹了第七屆生物質能源國際會議暨第十五屆全國研究生生物質能研討會、IBS2021第九屆生物質能源與有機固廢資源化利用高峰論壇、2021年中國工程熱物理學會燃燒學學術年會等，諸多大型學術會議中關于生物質燃燒技術的前沿動態及研究熱點。特別是農林生物質發電、垃圾焚燒發電和沼氣發電、生物質及垃圾發電技術的深入研究，具有重要的推廣應用價值，將是我國實現“雙碳”目標的有效技術途徑。上述內容的引入作為課本教材的拓展和豐富，是生物質能課程體系中基礎與專業課程、同步一流高校課程內容的重要組成部分。

其次，引導學生的探索意識。唯物辯證法認為，一切事物都是現象和本質的辯證統一體，透過現象而挖掘事物的本質。在全球面臨巨大的氣候變化壓力下，生物質能在新能源中的重要作用更明顯，歐洲部分國家的生物質發電技術經過20余年的發展與積累，逐步實現了從低比例摻燒過渡到純燃生物質。利用煤粉爐和流化床鍋爐耦合生物質發電的運行可靠性得到證實。據報道，我國目前生物質資源的利用率僅有7.5%左右，僅在效率低、煤耗高的小型機組上應用生物質資源發電。課堂上與學生針對上述我國生物質直接燃燒發電的利用現狀展開討論，學生發表自己的看法與見解。有學生提出這與社會，特別是各級政府對生物質能發展重要性的認識不足有關，有學生認為這與產業發展的支持政策有關，也有學生認為與生物質發電的關鍵技術沒有突破有關，有學生還提出了可以通過生物質清潔供熱、生物質液體燃料、化肥替代等方法來解決上述問題。通過在課堂中的深入探討，同時通過課件引入大量生物質發電的現場圖片、機組運行視頻、工程案例等資料進行認知實踐教學。這增強了學生發現問題、思考問題、探索問題解決思路的綜合能力，同時啟迪學生對于生物質能在工業生產中發揮重要作用的意識。

統計調查是評價課程教學設計的有效方法。為此，對新能源科學與工程專業2個班的學生進行課程滿意度調查，經統計結果分析，學生們對本門課程設計的認同率達到85%以上，普遍認為課程內容前沿、豐富、有趣，參與度高。這達到了引導學生從被動學習到主動學習的目的，實現了課程內容與專業知識相融合的教學效果。

江蘇省清潔能源產業發展處于全國前列，同周邊地區構成清潔能源企業群集，已形成龐大的產業鏈。連云港市清潔能源企業眾多，產業種類齊全。隨著連云港清潔能源產業的蓬勃發展，一批重大項目建成投產，對專業技術人才的需求日益迫切。在此發展背景下，我校聯合七家企事業單位成立了清潔能源產業學院，其中生物質發電企業的參與為生物質課程體系的有效實施及學生高質量培養注入強勁動能。相應的專業核心課程體系建設完善，統編教材全面，為我們提供了可利用的優勢資源。課程體系的構建關鍵是多層次課程設置的相互融合，合理分配理論教學與工程實踐的各個環節。避免人才培養過程中理論與實踐脫節、教學內容與前沿技術聯系不緊、高素質工程技術人才需求不滿足等情況的出現。

3 結 語

我校新能源專業在光伏、光熱方向十多年的發展成果與經驗，為拓展生物質方向發展提供了基礎條件。生物質多元化分布式應用的優勢，使得它在發電、燃料、材料等領域均有好的發展前景。同時，完整的專業方向體系是我校新能源系的發展目標。在一流專業建設背景下，從理論課和實踐課的設置、實驗實踐訓練及科研創新等多方面構建生物質課程體，為新能源科學與工程專業建設提供一些有益參考。