新工科和“雙碳”背景下的“煤礦供電”課程教學改革探索

來文豪 李平 顧煜林 朱文松 胡鋒

摘?要：“煤礦供電”是一門具體行業特色的專業課程，是電氣專業知識在煤礦行業的實踐應用。課程的培養目標是為煤礦企業培養具有從事電力系統設計、運行和維護能力的專門人才。隨著“碳達峰，碳中和”目標的實現，我國的電力網絡將發生深刻變化，對電力系統從業人員的專業素養和創新能力有著更高的要求。因此，新工科背景下，從創新和實踐方面提出“煤礦供電”課程教學改革措施，培養具有創新能力的高素質電力系統從業人員，以滿足“雙碳”目標下煤礦電力系統對創新人才的要求。

關鍵詞：煤礦供電；新工科；碳達峰，碳中和；教學改革

Exploration?on?the?Teaching?Reform?of?“Coal?Mine?Power?Supply”under?the

Background?of?New?Engineeringand?“Carbon?Peak?and?Carbon?Neutrality”

Lai?Wenhao?Li?Ping?Gu?Yulin?Zhu?Wensong?Hu?Feng

School?of?Electrical?and?Information?Engineering，Anhui?University?of?Science?and?Technology?AnhuiHuainan?232000

Abstract：Coal?Mine?Power?Supply?is?a?professional?course?with?specific?industry?characteristics，which?is?the?practical?application?of?electrical?professional?knowledge?in?the?coal?mine?industry.It?cultivates?specialized?personnel?for?coal?mining?enterprises?with?the?ability?to?engage?in?the?design，operation，and?maintenance?of?power?systems.With?the?realization?of?the?goal?of?"?Carbon?Peak?and?Carbon?Neutrality?"，China's?power?network?will?undergo?profound?changes，and?there?are?higher?requirements?for?the?professional?quality?and?innovation?ability?of?power?system?practitioners.Therefore，the?teaching?reform?measures?of?the?"Coal?Mine?Power?Supply"?course?are?proposed?from?three?aspects?of?curriculum?politics，innovation，and?practice?under?the?background?of?new?engineering.Cultivate?highquality?power?system?practitioners?with?innovative?capabilities?to?meet?the?requirements?of?coal?mine?power?systems?for?talent?innovation?in?the?context?of?"?Carbon?Peak?and?Carbon?Neutrality".

Keywords：coal?mine?power?supply；new?engineering；carbon?peak?and?carbon?neutrality；teaching?reform

1?概述

煤炭作為我國最主要的能源，其安全穩定的供應對我國的能源安全具有重要意義。在電氣化和智能化的當下，煤炭企業安全穩定的用電是煤礦正常開采的前提。“煤礦供電”是一門具體行業特色的電氣工程課程，涉及煤礦供電系統設計的電氣設備基本原理、煤礦用電設備工作接地和保護接地方法、短路故障分析和電氣設備的保護等。目標是培養學生具有煤礦供配電設計和技術經濟指標的分析、比較等能力，以及煤礦企業供配電系統及礦用高低壓電器設備在運行中一些實際問題的解決能力，為學生畢業后從事煤礦供配電技術、管理工作和終身學習打下牢固的基礎。然而，具有不確定性的新能源高比例的并網，電力網絡將發生深刻變化，煤礦企業的安全用電將面臨更大挑戰。

高等教育是國家培養高級專門人才和職業人員的主要教育活動，通過研究進行科學創新和社區服務產生社會影響來促進經濟發展的重要工具。可持續發展的緊迫挑戰需要創新的教學方法，以滿足工業部門的要求以及世界各地人們不斷變化的環境和社會需求。在新工業革命加速發展的背景下，我國高等工程教育急需培養一批工程科技創新人才。為提高工程教育質量，提出“新型工程研究與實踐工程”，是主動應對新一輪科技革命的行動。并且，隨著“碳達峰，碳中和”的提出，煤炭在中國的能源的占比會逐步降低，然而風、光發電具有隨機性和不確定性，使得電力的安全穩定供應必須發揮煤炭的兜底角色。因此，在此背景下，煤炭的安全穩定供應更具現實意義。

煤礦電力系統的安全運行是煤礦企業穩定供電的基礎，需要煤礦電力系統從業者具有扎實的理論知識和較強的創新能力與實踐能力。針對新工科背景下國家對創新人才的需求，以及“雙碳”目標下煤礦供電系統對創新人才的要求，提出新工科背景下“煤礦供電”課程教學改革措施，并深挖課程的思政元素，通過思想政治教育的灌輸將道德內化，培養合格的建設者和接班人。

2?“雙碳”背景下的新型電力系統特點

在2022年中國的電力結構中，火力發電占比超65%，而清潔能源風力和太陽能的發電占比約為8.6%。為助推“雙碳”目標的實現，國家發改委等部門在2022年5月份發布《關于促進新時代新能源高質量發展的實施方案》，要求到2030年我國的太陽能和風能的總裝機容量達到12億千瓦。風電和光電受天氣影響極大，未來電網的穩定運行受到極大的挑戰。風力發電曲線如下圖所示，圖中的數據來自Kaggle，時間段是2021年的5月15日—6月14日。

風力發電曲線圖

由于風力和光伏發電具有隨機性和不確定性，其大規模并入網絡后，會引起現有的網絡結構發生深刻而廣泛的變化。此外，大規模的分布式電源的并網，也使得電力網絡的功率分布和潮流計算也發生巨大變化。煤礦企業的安全穩定用電也面臨巨大挑戰，新工科的內涵是培養服務于新興產業和新經濟的具有創新和實踐能力強的高素質復合型人才。在新工科與“雙碳”背景下，需要進行“煤礦供電”課程教學改革探索，以培養服務于煤炭礦電力系統的專門人才。

3?新工科背景下的煤礦供電課程教學不足

3.1?課程的教學內容創新不夠突出

煤礦井下供電系統所涉及電氣的知識較為廣泛，要求從事煤礦供電的工作者不僅要掌握電氣設備的原理和輸變電系統知識，具備礦用設備的短路故障分析能力，而且還要求他們具有扎實的礦用電氣設備的保護、工作接地和保護接地等知識。在現實的“煤礦供電”課程安排上，難以將電氣相關知識與煤礦用電設備有機地進行一體化教學。由于課程難度大，對于煤礦電氣設備故障分析等知識，授課老師常采用灌輸性的方式進行教學，導致學生不僅缺乏獨立思考能力，而且對學生在新工科背景下的創新能力培養不足。

隨著“碳達峰”和“碳中和”目標的逐步實現，具有不確定性特點的新能源會被大規模地接入國家電網，將使電網的結構和供電模式發生巨大變化。傳統的輸變電系統、礦用電氣設備的保護等難以適應新型電力系統的發展，教材內容滯后于新技術的發展，亟須具有創新能力和扎實新型電力系統知識的煤礦供電工作人才，以保證煤礦企業在風光不確定的高比例新能源并網時可以安全穩定地用電。

3.2?教學過程中理論和實踐相互脫離

煤礦供電的教學主要是要讓學生認識到整個煤礦供電系統的結線方式、典型結線、礦用低壓配電系統中性點的不同接地方式、煤礦高壓電網的三相短路計算、短路電流的效應及短路穩定性的校驗方法、井下保護接地漏電保護和過流保護的實現、煤礦井下高低壓電纜的選擇及其安裝與維護和煤礦井下的特殊環境的電氣設備及其選擇等。對“煤礦供電”課程教學改革進行系統分析和探究，從中不難發現，該課程不僅具有較強的實踐性，并且知識結構相對散亂，知識點之間不具有較強的邏輯關系。但是在實際的“煤礦供電”教學活動過程中，由于課程知識面廣、知識點難度大，導致實踐教學有所不足。此外，在新工科背景下對“煤礦供電”課程教學活動的組織規劃進行分析，也可以看出在教學中的實踐性不足的問題。

4?新工科背景下“煤礦供電”課程教學改革措施

4.1?優化創新培養理念，提升教師創新教學能力

在“雙碳”背景下，國家電網已實施創新驅動戰略，并提出加快新型電力系統建設與人才培養政策。因此，在“煤礦供電”教學改革中需要培養創新能力強、適應綠色經濟安全穩定發展需要的高質量電力工程技術人才。無可爭辯的是，大學教師的一項關鍵責任是實施可持續發展，是課程改革成功的關鍵。教師通過對日常狀況和經驗的了解作為他們觀察新改革，教師的信仰、價值觀、經歷和日常挑戰影響和塑造了教師最終賦予“煤礦供電”教學改革的意義，而教學改革反過來又在他們的接受和課堂實施中起著至關重要的作用。“煤礦供電”課程的創新教學，首先更新教材并提升教師的創新能力，實施以學生為中心的方法和促進創新的課堂環境，強調在創新教學中使用新的教學內容、工具和方法。教師的教學創新涉及使用新穎的教學策略來滿足學生的個性化需求，促進學生的學習興趣，提高他們的創造力并增強教學效果。可持續發展教育通過跨學科方法融入課堂，設計多樣化的教學方法，例如翻轉課堂和體驗式教學。

4.2?開展實踐教學探索，強化學生實踐探究能力

從新工科視角對“煤礦供電”課程教學活動進行創新設計，對教學指導體系進行改革和優化，在教學實踐中需要適當地調整教學內容和教學模式，適當地增加“煤礦供電”課程教學中實踐教學的比重，有意識地結合“煤礦供電”課程內容，培養學生的實踐探究能力和交往合作能力。在具體教學改革的過程中，教師結合“煤礦供電”課程內容進行系統分析，然后在解讀課程教學內容的基礎上結合新工科背景，重新對課程標準體系進行設計和規劃。將理論和實踐聯系在一起，構建理論與實踐教學平衡化發展的指導體系，積極參觀現代化模擬的礦井實訓基地和井下供電系統，讓學生在實踐過程中對“煤礦供電”課程知識體系有所了解。在煤礦井下供電安全技術的教學中，讓學生掌握瓦斯和煤塵爆炸的條件、導致爆炸的原因和防治的措施。構建理論與實踐教學平衡化發展的指導體系，促進學生對“煤礦供電”相關理論知識的學習，有效鍛煉學生應用知識解決實際問題的能力。最后，教師要充分利用現代化的教學設備，模擬井下供電系統的設計和計算，讓學生充分利用自身所學的理論知識參與實驗技能的訓練，幫助學生打好扎實的專業基礎。

4.3?以動態調整為關鍵，探索教學內容改革

在新工科背景下，定制“煤礦供電”課程與雙碳目標相關聯的新大綱、新教案、新課件，落實課程改革實踐的重點環節，及時評估學生互動和反饋情況，動態調整教學方式方法。“煤礦供電”課程是一門實踐性強的課程，一些關于礦用設備介紹和操作規程的知識單調乏味，缺乏內在邏輯。將虛擬仿真實驗教學引入到“煤礦供電”教學中，激發學生學習的興趣以及學習的動力，增強課堂的吸引力和趣味性，能提高教學效率和教學效果。在現有教學內容中，特別是煤礦電力系統的建模、井下漏電保護、保護接地和過流保護三大保護的內容的教學中，結合高滲透率新能源電網運行特點，增加新能源模型、新能源參與電網穩定控制等相關內容，以二次能源高效轉換為重點，加強重型燃氣輪機、火電靈活調峰、智能發電、分布式能源和多能互補等新能源類人才培養，提升教學內容與新形勢下電力系統發展方向的契合度，更好地結合煤礦電力系統的工程實際，為學生走上煤礦電力系統的工作崗位打下堅實基礎。

結語

新工科的快速形成和發展將會對高校的電氣工程專業教育模式的創新和從業人才的培養產生深刻影響。在新工科背景下，“煤礦供電”課程教學活動要準確定位新時代、新格局的煤礦行業電力系統建設和發展中的對人才需求，保證煤礦企業安全生產，強化“雙碳”背景下的煤炭的兜底角色。本文重點針對新工科背景下創新教學模式的改革進行分析，促進教師對“煤礦供電”課程內容的創新探索以及實踐探索。

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基金項目：安徽省教育廳教研項目“雙碳背景下電氣工程類國家一流本科專業建設與探索研究”（2021jyxm0365）；2022年度安徽省新時代育人質量工程項目“電氣設備故障診斷教學案例庫建設”（2022zyxwjxalk101）

作者簡介：來文豪（1992—?），男，漢族，安徽阜陽人，工學博士，講師，主要從事電力系統及其自動化、模式識別與智能信息處理方向研究工作。