液化天然氣課程教學改革的思考與實踐

孫恒 (中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程研究中心/石油工程教育部重點實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京 102249)

1 能源轉型對傳統課程的沖擊

天然氣凈化處理后在低溫下冷凝為液體，即為液化天然氣(LNG)，其密度約為常壓天然氣的600 多倍。LNG 因為在環境適應性和靈活性上的獨特優勢而在天然氣儲運中扮演關鍵角色，同時因為凈化過程去除了絕大多數雜質，LNG 是當今最潔凈的化石燃料，在我國能源結構中占據十分重要的地位。LNG 不僅可滿足我國對清潔能源的需求，也是開發利用邊遠、零散、非常規及海上氣田的重要技術手段，并且有助于形成多源互補的供氣格局，提高城市供氣的調峰能力和可靠性。

2006 年廣東深圳大鵬液化天然氣接收站建成投產，此后我國LNG 產業迎來持續高速發展的黃金時期，不僅LNG 進口量可以與管道氣相提并論，國內LNG 年產量也在2021 年達到了1 300 萬噸以上，這也催生了對LNG 技術人才的需求[1-2]。為了適應國內LNG 產業的飛速發展，我校油氣儲運專業2006 年在國內石油類高校中率先開設了液化天然氣技術課程，并逐漸將選課范圍擴展到能源動力等相鄰專業[3]。在此期間，液化天然氣技術課程一直深受學生歡迎并不斷更新教學內容，在向能源動力專業授課時又根據學生的知識背景差異對授課內容進行了適當調整，在專業人才培養上取得了成功。

最近幾年，隨著能源轉型在全球范圍內已成為不可阻擋的發展趨勢，可再生能源和綠色能源的概念逐步深入人心，這固然是大勢所趨，但在短期內卻對傳統能源行業的教學造成了沖擊。事實上，能源轉型不僅僅是從一種燃料的轉變，它涉及世界生產體系的一次深刻的深層次變革，這一變革不可能一蹴而就，必然要經歷一個長時期的演變[4-5]。在此期間傳統能源與新能源將并行不悖，優勢互補，不可偏廢。在此情景下傳統能源教育應該何去何從？這是一個必須深思熟慮的問題。首先，面對時代的變革卻固步自封是不可取的。但另一方面，也不能采取“躺平”的態度，放任教育質量下滑而不采取措施。為此作者基于本門課程的教學實踐，深入分析了能源轉型對液化天然氣技術課程教學的沖擊，并歸納為以下4 點：

(1)學生學習興趣明顯下降

“學以致用”是工科類專業的共同點，也是最能引發學生學習興趣的地方。在能源轉型的時代，由于學生知識面的局限性，很難準確理解能源轉型的合理進程，從而容易產生“傳統能源已無用武之地”“所學知識已經過時”的認識偏差，從而失去學習的興趣。而“興趣是最好的老師”，僅僅為了學分的學習無法產生強大的學習動力，必然導致學習效率低下，而學習效率下降又會使學生產生挫折感，從而破壞學生的學習動力，形成學習效果不斷下降的負循環。

(2)現有知識結構不能完全滿足需求

無庸諱言，新能源革命同時也是能源科學與技術的一次全新飛躍，傳統能源行業的知識結構并不能滿足未來能源行業對人才的需求。以儲運專業為例，傳統的培養計劃側重于石油儲運，并以油品為核心構建了專業的課程體系，但對新能源所需知識鮮有涉及。為此我校儲運專業基于新能源技術需求對課程體系進行重構，并要求各門專業課程均應適當增加與新能源相關的知識，因此液化天然氣技術課程的教學內容也要相應進行調整和升級。

(3)工程和創新能力有待加強

與傳統能源技術相比，新能源技術的發展對專業人員的工程和創新能力提出了不同的要求。從工程能力來講，油氣儲運專業著重關注油氣行業的工程實踐能力，而新能源技術則要求從業人員具備更廣泛學科知識，涉及更多材料、機械、化工等領域的工程實踐能力。從創新能力來講，傳統油氣行業更強調應用創新，而在新能源技術中不同學科之間的集成創新則具有更重要的地位。因此如何在液化天然氣技術教學中培養學生具有更廣泛工程和創新能力是一個亟待解決的教學挑戰。

(4)影響招生和就業

2020 年9 月中國明確提出2030 年“碳達峰”與2060 年“碳中和”目標，這稱為“雙碳目標”。這對油氣儲運行業的招生產生了“立竿見影”的效果，當年招生分數線有明顯下降，盡管此后分數線有所反彈，但是新能源的發展對傳統行業招生的沖擊是顯而易見的。從就業來說，盡管影響相對較小，但潛在的影響不容小覷，盡管國企對畢業生的吸引力一如既往，但學生對非國有油氣企業的疑慮顯而易見。如何化解這一不利影響，提高傳統能源專業就業的競爭力也是一個亟需解決的問題。

2 液化天然氣課程的教學內容調整

2.1 剖析能源轉型的長期性

如前所述，能源轉型是一個相對較長時期才能完成的體系變革，具有長期性、復雜性和艱巨性，并必然導致存在一個傳統能源與新能源互補共生的階段。為了幫助學生正確認識這一歷史進程，以歐洲當前面臨的能源“囧”狀為例進行分析是一種有效的教學方法。歐洲過去幾年多次制定了過于宏大而不切實際的綠色能源轉型目標，但無論是太陽能、水電還是風電，都無法完全滿足歐洲對于能源消費的實際需求。當歐洲將天然氣貿易作為政治武器用于對外施壓時，能源供需失衡對歐洲經濟和人民生活造成了反噬。這迫使歐盟重啟燃煤電廠，對全球減排進程造成了嚴重倒退。與之相反，中國一直秉承“做得多，說得少”的實干精神，在減排降碳取得的成就是舉世矚目的[6-7]。通過這個生動案例，可以幫助學生用辯證的觀點看待能源問題，對能源轉型問題建立全面正確的認識。

2.2 增加氫能相關的知識內容

氫是一種清潔、低碳而且高效的能源，在新一輪能源轉型中扮演替代者、促進者和整合者的角色，具有不可替代的重要作用。氫能具有高能量密度、高轉化效率和清潔性的優點，而且可儲存性優于電，有望在低碳社會中發揮越來越重要的作用。氫氣與天然氣也有較多相似之處，因而增加氫能相關知識就成為教學內容調整的首選。從氫能儲運來說，同樣與天然氣相似，氫也能以低溫液態的形式進行儲運。與其他形式相比，液氫在質量儲氫密度上優勢明顯，而且液氫同樣也是氫能跨洋運輸的唯一可行技術。從知識體系來說，LNG 與液氫最為接近，兩者同屬低溫領域，在學科知識上有內在關聯，因而增加液氫相關知識就成為液化天然氣技術課程教學內容調整的主要方向。

2.3 強化LNG 冷能回收的知識

因為LNG 溫度約為-162 ℃，遠低于環境溫度，因而LNG 在汽化過程中就會有大量低溫冷能釋放出來，通常來說1 噸LNG 會釋放大約900 MJ 的冷量，如果這部分冷量以100%的熱力學效率發電的話，則可以產生240～280 kW·h 的電力。如果這一部分冷能直接釋放到環境中去，則是能量的巨大浪費。此前在LNG 技術課程的教學中，也包括LNG 冷能回收及利用方面的知識，但重視程度不夠。考慮節能減排對于能源轉型同樣具有積極意義，因此著重強化了LNG冷能回收利用這方面的知識和內容，對于利用LNG冷能的發電、空分、碳捕集、輕烴回收和海水淡化等技術均針對回收原理、工藝流程、優點和應用等展開詳細講解，并通過課堂提問、分組討論以及課后作業等形式予以鞏固，顯著改善了這部分內容的教學效果。

3 液化天然氣課程應對能源轉型的思考

面對新能源問題的挑戰，一種固有的思維就是一直做“加法”，即不斷增加課程和教學內容，這一做法看上去 “面面俱到”，但無限提高教學要求其實已經脫離了“實事求是”的核心思想。因而正確的作法應該是一方面利用現代教育成果盡可能提高效率，另一方面也要適當做一點“減法”，在多項教學要求之間取得良好平衡，使綜合成效最優，合理解決傳統能源教學當前面臨的問題。以下從三個方面分析“加法“和”減法“之間的平衡問題。

3.1 在傳統能源和新能源之間取得平衡

根據教學調整思路，在液化天然氣技術課程中應增加液氫相關知識，即氫氣預處理、氫液化和液氫儲運。考慮到其內容較多，在課時不變條件下，如果面面俱到會對LNG 教學時長造成壓縮，而如果維持LNG部分不變則液氫相關教學時長不足。另外液氫是單設一章還是分散到LNG 相關各章，也是一個需要權衡的問題。經慎重考慮，決定采用將液氫知識分散到LNG 相關各章的方式，這樣主要優點有：

(1)將技術原理相同的內容，例如氫氣預處理與天然氣預處理，氫氣液化與天然氣液化以及液氫和LNG 儲運放在一起，符合知識本身的內在規律，更為合理；

(2)教學效率提高，同類知識放在一起，有助于學生觸類旁通，舉一反三，從而提高效率；

(3) 節約教學時長，相同的技術原理內容不需重復，只要強調氫和天然氣的分別應用和各自特點即可。

3.2 在知識傳授和能力培養之間取得平衡

傳統教學模式偏重知識傳授，強調畢業生走上工作崗位后能夠直接接手崗位工作，但改革開放以來專業知識數量快速增加，就業體制改革導致擇業多樣化，單純積累知識無法滿足企業要求，因此強調能力培養的教學模式就應運而生。然而知識易教易學易考，而能力培養則難以度量。液氫相關知識的加入，恰恰提供了一個良好契機，可以將技術原理在液氫領域的應用，作為對學生知識應用能力進行評價的依據。

3.3 在寬口徑和深應用之間取得平衡

寬口徑是指人才培養目標面向寬廣范圍內多個行業的多種崗位職位，而非面向特定行業的少數崗位職位，所學知識應具有基礎性和通用性，能夠為多個行業多種崗位職位服務，而深應用是指培養在某一應用領域內具有精深專業知識和技能，能夠勝任高要求技術職位的專業人才。從表面上來看，二者之間的關系是相互矛盾的，很難兼得。然而如果考慮到不同學科不同門類的知識內在的相通性，就可以很好的在兩者之間取得平衡。具體到液化天然氣技術課程而言，就是通過液化天然氣專業知識的學習，深入掌握低溫技術的原理和方法，從而既可以在液化天然氣技術崗位上游刃有余，又能夠通過將低溫技術延伸應用于液氫，從而具有適應新能源職位的能力。

4 液化天然氣課程的教學方法改革

4.1 將液氫作為案例組織討論

考慮到在知識和能力、寬口徑和深應用之間取得平衡的需要，在教學設計中LNG 和液氫分工的定位如下：LNG 教學側重知識傳授，體現深應用，而液氫部分側重能力培養，實現寬口徑。為實現上述分工，具體作法是在相關章節，先將主要教學時長用于LNG知識的教學，教學形式以講授為主，之后利用剩余時長將液氫作為低溫技術應用的案例，以分組討論為主的形式進行探究分析，最后以總結和答疑的形式，引導學生掌握液氫相關知識的要點。與此相適應，還對本門課程的考核方式進行了微調，即在平時成績的考核中納入了關于液氫的教學討論，其在總成績中占10% 左右分值，從而有效激勵學生積極參與教學討論，也能考核教學討論的效果。

4.2 適當嘗試翻轉課堂法

翻轉課堂法，是指學生在課前或課外觀看教師提供的教學資料自學，教師不再占用課堂時間來講授知識，將利用課堂教學時間充分開展老師學生之間和學生相互之間互動，包括答疑解惑、合作探究、完成學業等，從而達到更好的教育效果。盡管一個時期以來，翻轉課堂法得到了廣泛贊譽，但作者在本門課程教學中此前的嘗試，效果并不完全理想。主要問題在于選課學生處于大三大四年級，課程多、課業負擔重，其他事項也多，很難保證抽出時間利用教學資料自學。然而筆者將翻轉課堂法偶爾用于液氫內容的教學，效果卻相對較好。這是因為筆者一向認同孔子“學而時習之”的理念，習慣于每節課開始花5 min 左右時間進行復習。現在采用翻轉課堂教學方法，上一節課將液氫知識的自學作為作業布置下去，并將原有的復習時間用于相關知識的解疑、討論和探究，即避免了教學時長增加，還鍛煉了學生學習新知識、分析解決工程問題的能力，取得了“一舉兩得”的效果。

4.3 應用虛擬仿真實驗教學平臺

由于低溫的危險性和高成本，實驗一直是本門課程相對薄弱的環節[8-9]，此外儲運專業的實習安排中也沒有與LNG 相關的環節，因此如何提升學生低溫工程實踐能力是有待解決的一個重要問題。在本門課程此前教學過程中，已經建立了LNG 接收站和液化工廠的虛擬仿真實驗教學平臺，并在教學實踐中獲得了良好的效果。顯而易見在氫液化工藝教學中也可以采用同樣的方法。為此正在開發氫液化工藝的虛擬仿真實驗教學平臺，其不僅重點展示氫液化的工藝流程，而且可以演示液氫的儲存以及氫能轉化等知識，并具有動畫演示、講解、操作和考核等豐富的功能，希望能盡快用于液氫相關內容的教學中。

5 結語

(1)在液化天然氣技術課程中，通過增加能源轉型剖析和液氫技術知識，并強化LNG 冷能回收的內容，拓寬了學生的知識面，完善了學生的知識結構，而且提升了這門課程對學生的吸引力，取得了良好的效果。

(2) 通過課程改革，不僅豐富了學生的知識面，而且提升了學生解決新工程問題的能力，拓寬了就業面，有助于學生更好的適應能源轉型，為國家的能源安全作出更多貢獻。

(3) “LNG 為本，液氫為用”的教學設計思路，很好地在知識和能力、寬口徑和深應用之間取得了平衡，并在課堂教學實踐中取得了良好效果。

(4)液化天然氣技術適應新能源技術發展所采取的教學改革內容和思路，尤其是教學內容調整和教學設計思路，對傳統能源行業的同類課程也有很好的借鑒意義。