“生物能源技術”課程體系與新型教學模式構建

［摘 要］ 在國家“雙碳”目標背景下，“生物能源技術”作為北京航空航天大學能源與動力工程本科專業的專業課程，是學生能源知識體系構建中的重要一環。“生物能源技術”課程具有知識結構分散且內容繁多，學科交叉性、技術難度高等特點，學生學起來枯燥且吃力。介紹了課程團隊通過開展課程思政、翻轉課堂與研討式教學、案例式教學等方法，激發學生內在學習動力，提升教學效果，為能源動力類及其相關工程專業課程教改提供了一些借鑒。

［關鍵詞］ 生物質能；新能源；能源動力；課程教改

［基金項目］ 2022年度北京航空航天大學教改項目“‘雙碳’目標下‘生物能源技術’課程教學改革與探索”

［作者簡介］ 梁 潔（1986—），女，山東冠縣人，博士，北京航空航天大學能源與動力工程學院副教授，主要從事生物液體燃料研究。

當今世界，第四次工業革命洶涌來襲，社會變革日新月異，而能源作為推動工業革命和社會發展的“動力”，正經歷從傳統化石能源向生物質能、太陽能等新能源的快速變革中。傳統化石能源面臨資源枯竭、環境污染等問題，而生物質能作為一種可再生能源，其富存量僅次于煤炭、石油和天然氣。據估算，地球每年生產的生物質在1 500億噸～1 750億噸，生物質能約為世界總能耗的10倍，因此開發和利用生物質能成為當今各國的重要議題。2020年美國能源部計劃在2020至2025年間投入9 700萬美元用于支持生物能源研發項目，涉及生物燃料工藝、生物質能源轉化等7個技術領域。我國作為能源消耗大國，石油、天然氣等化石能源長期依賴進口，能源安全長期受制于人。歷史的經驗告訴我們，能源革命的根本在于科技發展，而科技發展依靠人才，因此我國要想占領新能源領域的制高點，就需要培養一批生物質能領域的拔尖創新人才。

北京航空航天大學能源與動力工程學院作為我國能源領域拔尖創新人才的搖籃之一，緊跟國家能源轉型重大戰略需求，面向三年級本科生開設了“生物能源技術”課程。課程內容包括生物沼氣技術、生物乙醇技術、生物質熱解和氣化技術以及生物航空燃料等多個部分。該課程作為學生掌握生物質能轉化和利用技術的核心課程，對能源動力類專業學生知識體系構建尤為重要。在實際教學中，該課程存在知識體系繁雜、多學科背景交叉、裝置設備復雜抽象等一系列難點。因此，需要對課程知識體系梳理與升級，同時構建新型教學模式，提升“生物能源技術”課程的教學效果與質量。

一、“生物能源技術”教學現狀與難點

生物能源技術作為一門多學科交叉、知識體系復雜的專業課程，在實際授課過程中存在課程內容枯燥、教學方法單一等問題。

（一）課程內容枯燥抽象、教學素材形式單一，缺少形式豐富的教學案例及前沿知識

“生物能源技術”課程涉及的知識面非常廣，且學科交叉性強，涉及生物、化學、材料、力學等各個方面。傳統的教學方式仍然以教師講述知識點為主，內容枯燥抽象、教學素材形式單一，學生學起來晦澀難懂，缺乏興趣。如何在課程中通過影像、聲音等現代化媒體手段將生物能源技術的工藝流程及關鍵細節趣味化地呈現給學生，激發學生的學習熱情，是課程內容改革的重點。

“生物能源技術”還是一門注重理論聯系實際的課程，不僅要學習理論課程，還要掌握生物質能生產中涉及的設備、工藝、生產過程等。以第二代生物乙醇為例，其工藝流程包括生物質的預處理、纖維素酶的生產、酶解和發酵等。工藝系統中涉及的反應器及內部反應過程難以向學生直觀描述。如果只是照本宣科介紹一些概念知識，學生的知識面和視野就會變窄。因此，需要建立一個豐富的課程教學案例庫，對章節中涉及的設備、工藝、企業等，以案例的形式融合講述，這樣不僅降低知識點學習的難度，還能提高學生學習的興趣和效率。

生物質能具有鮮明的時代特色，“生物能源技術”這門課程也須緊跟研究前沿，不斷更新課程內容。如何使教學內容緊跟科學發展，加快課程內容的“新陳代謝”，是該課程教改需要解決的難點之一。

（二）課程教學方法傳統，缺少激發學生內在學習動力的新式教學方法

受當前教育大環境的影響，“生物能源技術”的課堂教學多以教師傳統講解為主，學生在課堂上只能“填鴨式”接受。教師為保證理論知識的完整性，易陷入照本宣科式教學的誤區，加上課程PPT翻頁速度較快，學生對一些關鍵知識理解不足，如此課程授課方式，導致學生相關知識掌握不牢，腦中建立的知識體系單一，從而偏離了以學生為中心的教學理念與培養目標。這種教學模式在實際操作過程中，只是完成了教師的“教”，忽略了學生的“學”，嚴重限制了學生的主動思考和創新意識，使學習效果不夠理想。因此，亟須發揮豐富的線上線下教學資源，將形式新穎的翻轉課堂、研討室教學等方法應用到“生物能源技術”課程教學中。通過組織各種研究小組、學術討論班等激發學生內在學習動力。

圍繞上述教學過程存在的難點，擬結合課程思政的發展趨勢以及能源動力類專業教學要求，針對“生物質能源技術”的教學模式進行實踐創新，為培養新能源領域的領軍人才奠定基礎。

二、“生物能源技術”課程知識體系升級

為提高“生物能源技術”課程教學質量，強化學生對生物能源的認識，本教改緊緊圍繞新時代能源動力專業人才培養需求，建立系統完善的課程知識體系。首先，結合能動專業特色，完善課程思政工作體系。其次，針對教學內容進行升級改造，豐富教學素材，緊跟研究前沿。最后，通過課程案例庫建設，將零散知識點整合，讓學生形成系統的生物能源技術知識體系，提升育人成效。

（一）課程思政建設

落實立德樹人根本任務，必須將價值塑造、知識傳授和能力培養三者融為一體、不可割裂。全面推進“生物能源技術”課程思政建設，寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀和價值觀，這是能動專業人才培養的應有之義和必備內容［1］。生物質作為唯一的含碳清潔可再生資源，生物質能的開發不僅緊密貼合我國“雙碳”目標和能源中長期發展規劃，同時也有利于生態文明建設。在“生物能源技術”教學中，從我國能源結構綠色低碳轉型著眼，在相關章節穿插《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》，以及《“十四五”可再生能源發展規劃》相關政策內容，增強學生學習生物質能源的主觀能動性及現實意義認知，引導學生有目的性、有責任感地學好本門課程，從而將社會主義核心價值觀內化為精神追求、外化為自覺行動。根據能動專業的特色與優勢，將家國情懷、文化素養、人格養成等思政內容與“生物能源技術”課程教育深度融合，有助于推動價值塑造、知識傳授和能力培養的多元統一。

（二）課程知識體系升級

“生物能源技術”課程內容包含生物質的生物化學和熱化學轉化制取氣體、液體和固體燃料的基本原理和方法，以及相關的生產工藝、設備和技術。因此，該課程具有兩個鮮明的特點：（1）課程內容更新迭代快。生物質利用技術是當前研究的熱點，新的技術不斷涌現，傳統教材中卻有許多已經不適用當下生產的老舊方法、工藝等，需要及時對課程內容更新升級。（2）理論聯系實際強。課程內容更加強調學生的實驗、實踐等動手能力，單純的理論知識傳授無法滿足課程需要。

“生物能源技術”是一門知識點細碎零散、技術工藝不斷更新的課程。我校以《生物質能源技術與理論》為主要教材。該教材全面系統地介紹了多種生物能源技術的基本原理、工藝流程和發展趨勢。除去該教材外，授課教師通過查閱最新文獻、參加學術會議等，及時補充最新技術，這種經典教材+研究前沿的融合模式，實現了課程知識體系的及時升級。該模式需要任課教師對生物質能源轉化及利用有深入的理解，同時還要及時關注最新研究和行業動態，將前沿技術和生產工藝融入課程知識體系之中。這就要求教師必須實時拓展自己的知識儲備，通過關注前沿文獻，參加國內外學術會議，走訪生產企業，寓教于學，不斷豐富自身在生物能源技術方面的知識積累。

此外，邀請生物能源領域知名專家學者前來授課或講座等，拓寬學生的學科視野，使學生與專業領域內的大師直接面對面交流，讓學生不僅能及時掌握最新的研究動態與前沿技術，也能提高對課程的興趣，同時對未來研究生階段的專業研究也起到很好的奠基作用。

“生物能源技術”是一門強調實驗和實踐操作的課程，生物質能源轉化原理與工藝流程貫穿于整個學習過程。不同于傳統的示范性、演示性和驗證性的實驗課，本門課程的實驗課在強調基本實驗操作的基礎上，要求學生學會反思實驗過程并對實驗結果進行討論，培養學生獨立思考、綜合分析、科學思維以及創新能力。本課程還引入“大實踐課”概念，鼓勵學生學以致用，將課堂內容進一步應用到大學生創新訓練項目和學科競賽中，作為學生未來科研實踐的引入口，全面提升學生綜合素質。

（三）課程案例庫建設

“生物能源技術”課程知識點具有散、難、廣的特點，課程知識體系相對松散，部分知識點抽象難理解，多學科綜合交叉，不利于學生的學習。基于此，課程團隊針對生物能源技術各知識模塊建立案例庫，通過具體案例將知識點串聯起來，并引入微視頻和虛擬仿真等技術，讓學生對復雜的生產工藝有更形象的認識和更深入的理解。例如，以3MW生物質氣化炭電聯產項目為案例，通過引入工程實踐場景，使學生帶著真實任務進入學習情境。根據項目要求，利用Aspen建立工藝系統，在此過程中可深入了解氣化系統和燃氣鍋爐及汽輪發電機組各個部件及相關功能，以及熱解氣化關鍵技術。在工程案例中，還涉及項目綜合能耗分析及污染物排放控制等問題，很好地展示了生物質熱解氣化的基本原理及技術。

團隊發揮北京航空航天大學國家級虛擬仿真實驗軟件平臺作用，對課程中的復雜案例進行3D場景仿真模擬［2］。生物質能源轉化過程通常涉及多個大型的生產設備，且工藝流程復雜。相較于實際操作，虛擬仿真實驗可以節省大量的時間、物力、人力等成本。針對實際生產過程中可能出現的故障甚至事故，鼓勵學生自行優化工藝系統或流程，培養學生解決復雜工程問題的能力。此外，3D動態虛擬現實模式還能提高學生的學習興趣和教學效果。

三、“生物能源技術”新型教學模式構建

（一）翻轉課堂與研討式教學

教學活動是教師的“教”和學生的“學”組成的雙主體活動，“教”起引導作用，“學”是活動的中心，二者有機結合形成完整的教學過程。傳統的教學過程以教師對書本內容的講解為主，重點放在了教師的“教”，而忽視了學生的“學”。這不僅難以激發學生學習的興趣，也因在教學過程中缺乏師生互動，使學生對課程的學習僅停留在書面文字，無法充分理解和運用。翻轉課堂和研討式教學更加強調學生的“學”，以學生學到為目的，而非教師教到為終點，真正將“教”與“學”有機融合［3］。

“生物能源技術”課程團隊創新性地提出“問—學—研—練—導—總”六步教學法，以問題驅動為導向，以小組討論的形式，開展翻轉課堂與研討式教學。“問”即教師提出問題，比如生物質能生產中某個工藝出現的問題。“學”即學生學習，針對教師提出的問題，通過書本知識、查找文獻、網上搜索等各種途徑學習相關知識。“研”即小組研討，小組成員根據各自習得的知識，組織研討，對教師的問題形成初步解決方案。“練”即課堂演練，各小組將本組的方案在全班進行匯報演練，從而鍛煉學生的學術匯報能力。“導”即教師指導，教師對學生匯報過程中出現的問題進行正確的引導。“總”即過程總結，學生對整個學習過程進行總結，形成總結報告，進一步提升學生總結凝練的能力。通過完整的“問—學—研—練—導—總”六步教學，真正實現了教學重心從教師的“教”向學生的“學”轉變，充分體現了以學生為中心的現代教育思想，大幅提高了學生在授課過程中的參與度，提升了學生主動思考和解決問題的能力。

（二）案例式教學模式探索

充分發揮團隊建設的生物能源技術案例庫作用，探索案例式教學模式，通過生產實踐中的具體案例，將原本松散的知識點有機串聯，形成知識體系。與傳統“填鴨式”教學方式不同，案例式教學通過教師給出具體的案例，讓學生進行研究分析，在教師的指導下，運用多種方式啟發學生獨立思考，進一步增強學生的分析、判斷以及解決問題等能力［4］。這種教學方法將復雜的理論用生動、具體的案例方式進行闡述，增加了教學的真實性，提升了學生學習興趣，增強了學生對課程基本知識的理解，提高了教學效果。

當今教育已經從以知識傳授為中心轉向以開發學生的思考能力為中心。案例式教學以開放的方式，讓學生根據具體的案例，就復雜多樣的情景，分析每個因素的影響作用，給出科學合理的判斷和決策，這極大增強了學生分析問題和解決問題的能力，激發了學生的創新能力，真正做到了既“授人以魚”，更“授人以漁”。

（三）基于OBE理念的過程化考核模式探索

通過翻轉課堂與研討式教學的開展和案例式教學模式的實施，傳統“一考定終身”的考核形式已不能適應新型的教學模式，需要建立一套綜合全面的評價體系。OBE（outcomes-based education）是一種以學生為中心的教育模式，強調以學生的學習成果為核心，而非以教學活動或教師的授課內容為重點。大學教育更加強調自主學習，即重視過程學習。課程成績考評機制也應綜合衡量學習的全過程，而非只關注最終的期末考試環節。

基于此，“生物能源技術”課程進一步增加學生平時成績所占份額，綜合考慮學生在自主學習、小組討論及匯報、案例研討過程中的表現，通過對課程內容的掌握程度、小組協作能力、口頭表達能力及創新思維等指標考核，對學生的學習過程進行綜合考量。綜合考量過程學習成績和期末考試成績，全面考核學生的課程學習情況。

考核方式是對學生學習方向的引導，通過增加過程考核的權重，引導學生注重自主思考、查閱文獻、溝通協作、解決問題、總結提升等能力的培養，使學生不只學到課本知識，更能全面提升綜合素質，從而適應快速發展的當代社會。

結語

在國家級“雙一流”本科專業點建設背景下，課程團隊通過對“生物能源技術”教學現狀進行思考，在教學過程中引入課程思政、翻轉課堂與研討式教學、案例式教學等，改進考評機制，提升教學成效，實現課程知識體系升級和新型教學模式構建。通過“生物能源技術”課程的教改經驗，總結形成了“問—學—研—練—導—總”六步教學法等一系列教學經驗，為能源動力類專業課程教改提供了一些借鑒，也為新時代國家能源領域拔尖創新人才培養添磚加瓦。

參考文獻

［1］石紅梅.論推進高校課程思政的實施［J］.科教文匯，2020（36）：59-60．

［2］馬漢達，朱威漢.在線虛擬仿真實驗平臺的構建與實踐［J］.中國教育信息化，2020（24）：84-87.

［3］趙呈領，徐晶晶，劉清堂.基于微視頻資源的翻轉課堂教學模式設計與應用探究［J］.現代教育技術，2014，24（12）：70-76．

［4］汪道兵，許月梅，張向東.基于工程問題驅動的“材料力學”［J］.教學改革實踐與探索，2023（10）：97-100.

Upgrading the Knowledge System and Constructing New Teaching Model for the Bio-energy Technology Course： Exploration of the Training Model for Top Innovative Talents Majored in Energy and Power Engineering

LIANG Jie， ERI Qi-tai， DIAO Xun-gang， WANG Meng-ying

（School of Energy and Power Engineering， Beihang University， Beijing 102206， China）

Abstract： In the context of carbon peaking and carbon neutrality， the bio-energy technology course becomes an important part for the knowledge system for the undergraduates majored in Energy and Power Engineering in Beihang University. However， this course is rather challenging for students to learn， because of its scattered structure， interdisciplinary nature， and high technical difficulty. Herein， this work introduced how the course team stimulates students’ intrinsic learning motivation and improves teaching effectiveness through methods such as curriculum ideology and politics， flipped classroom and seminar teaching， and case-based teaching. This work will provide a significance reference for the teaching reform of energy and power related engineering courses.

Key words： bio-energy; renewable energy; energy and power; curriculum reform