綠色低碳轉型背景下“能源化學”課程教學方法探索與實踐

李東方 祝星 李舟航 王霜

［摘 要］ 在能源結構綠色低碳轉型的背景下，培養創新型人才至關重要。針對支撐畢業要求的重要基礎課程“能源化學”，遵循OBE理念反向設計課程教學目標，并在授課過程中，根據課程特征，強化學科間基礎理論的交叉，重視理論與工程應用的有機融合，結合科技及產業前沿，培養學生的創新思維能力。豐富教學手段和考核方法，多采用開放式課堂，引導學生積極進行獨立思考；同時，注重科研的引領作用，突出課程思政的德育效果，提升學生的綜合能力，為能源產業的綠色低碳轉型服務。

［關鍵詞］ 能源化學；創新思維；OBE理念；綠色低碳轉型

［基金項目］ 2022年度云南省教育廳課程思政教改項目“‘工程熱力學思政教育—科研訓練—學科競賽互動模式的創建與實施”（9200246801745540192）；2023年度中國高等教育學會高等教育科學研究規劃課題“能源動力類‘一帶一路新工科虛擬教研室建設研究”（23WL0401）；2023年度云南省教育廳本科教育教學改革項目“‘雙碳背景下能源動力類專業人才培養模式的探索與構建”（JG2023013）

［作者簡介］ 李東方（1984—），男，河南新鄉人，博士，昆明理工大學冶金與能源工程學院特聘教授，主要從事能源與動力工程研究；祝 星（1984—），男，湖北黃岡人，博士，昆明理工大學冶金與能源工程學院教授（通信作者），主要從事能源與動力工程研究；李舟航（1988—），男（回族），云南宣威人，博士，昆明理工大學冶金與能源工程學院教授，主要從事能源與動力工程研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）01-0133-04［收稿日期］ 2023-09-14

能源產業是我國經濟發展的重要基石，同時也是國家安全的關鍵保障。隨著我國“雙碳”戰略的持續推進，能源產業的綠色低碳轉型進一步加速，并取得了舉世矚目的成就。2022年，全國累計發電裝機容量約25.6億千瓦；其中，水電、風電、光伏的總裝機容量占比超過45%［1］。且全國新增發電量中，風電和光伏發電量占比55%以上，首次超過傳統能源，使得綠色能源在存量與增量兩方面都成為與傳統能源旗鼓相當的重要主體。然而，較之于發達國家，我國能源結構對傳統化石能源的依存度過高，能源產業的綠色低碳轉型進程相對較慢，綠色能源技術發展水平與我國在《“十四五”可再生能源發展規劃》中提出的可再生能源“大規模、高比例、市場化、高質量”的發展要求存在較大的差距。較之于能源產業的綠色低碳轉型對高端人才的需求，能源領域的人才培養在質量和數量上均存在巨大缺口。在這樣的背景下，充分發揮高校在人才培養中的主體作用，強調高校相關專業對學生綜合能力的培養已經迫在眉睫，此舉也是面向能源產業乃至整個社會綠色低碳轉型的長遠之策。

昆明理工大學能源與動力工程專業作為我國西南地區能源領域重要的人才培養基地之一，擁有動力工程及工程熱物理一級學科博士學位授權點、國家和省級博士后科研流動站以及能源動力博士專業學位授權點，建立了完整的本碩博人才培養體系［2］。同時，組建了教育部“能源動力類專業新工科建設改革虛擬教研室”和工信部“綠色能源—校企協同就業創業創新示范實踐基地”等高水平教育平臺，涌現出“全國高校黃大年式教師團隊”“全國創新爭先獎狀獲獎者”等優秀教師代表。專業堅持科研引領創新型人才培養的教育特色，為我國能源行業的綠色低碳轉型、區域經濟發展和國家重大能源工程輸出了大批優質人才，在地方高校創新型人才培養中起到了良好的示范作用。此外，專業積極探索并實踐產出導向教育（Outcome-based Education， OBE）的人才培養模式，以學生為中心，以學習成果為目標導向，對應培養目標和畢業要求，構建并持續優化課程體系，做出了大量有益探索。2022年，能源與動力工程專業通過了中國工程教育專業認證協會的工程教育專業認證評估，標志著OBE人才培養模式的實踐取得階段性成果。

“能源化學”課程是OBE人才培養模式下課程體系的重要組成部分，主要講授能源領域的基礎化學知識及其工程應用，介紹能源化學在化石能源、太陽能、風能、核能、氫能、生物質能等諸多領域的研究現況及發展前景，為學生進一步學習能源與動力工程專業知識、分析及解決相應工程問題提供理論基礎。課程注重培養學生對能源領域工程問題的表述及分析能力，并激發學生作為能源人的使命感與責任感。作為一門專業基礎課，“能源化學”具有明顯的交叉性、創新性，且工程特色鮮明［3］。在授課過程中，針對能源結構綠色低碳轉型的宏大命題，依據OBE理念，緊密圍繞畢業要求制訂教學目標，有機融合理論基礎和工程實例，結合快速發展的科技前沿，強調創新性思維，豐富教學手段和考核方法，實現了較好的成果。

一、基于OBE理念的課程教學目標設計

昆明理工大學能源與動力工程專業以學校人才培養定位和社會經濟發展需要為基準，制定了本專業的培養目標，并參考工程教育認證通用標準，形成了全面支撐培養目標的12項畢業要求；依據基礎知識、應用能力、解決問題能力三個層次，進一步將畢業要求細化為37個具體的、可衡量的觀測點，并對每個觀測點設計相應的課程與教學環節給予支撐。“能源化學”課程所支撐的畢業要求觀測點共有三個，分別為：（1）能將數學、自然科學、工程科學的語言工具用于能源與動力工程領域復雜工程問題的表述；（2）能夠根據對象特征，選擇研究路線，設計實驗方案；（3）能分析和評價能源與動力工程專業工程實踐對社會、健康、安全、法律、文化的影響，以及這些制約因素對項目實施的影響，并理解應承擔的責任。在三項畢業要求觀測點中，觀測點（1）強調基礎工程知識及工程問題表述能力；在我國綠色低碳轉型的背景下，學生不僅要掌握傳統常規能源相關的基礎化學及工程知識，還要明晰光催化、光電利用、核化學等基礎理論及其工程應用，并能夠科學地描述能源產業現況、技術發展趨勢及面臨的瓶頸。觀測點（2）注重培養學生工程問題分析及研究能力，使之了解包括化石能源及新能源領域在內的各領域研究前沿；結合我國的“雙碳”戰略，了解碳捕集、利用與封存（Carbon Capture， Utilization and Storage， CCUS）技術，并能夠有針對性地進行分析研究。觀測點（3）則強調學生作為能源人的使命感與責任感，要求學生熟悉人類能源利用技術水平的發展過程及其對社會經濟、生態環境、國家安全、國民健康的多重影響，認識能源綠色低碳轉型命題對人類社會的巨大責任與挑戰。

針對以上三項畢業要求觀測點，設計了“能源化學”課程的三個教學目標，分別為：（1）了解焓、熵、吉布斯自由能、反應速率等概念，理解熱力學第一定律和第二定律，熟悉化學反應的影響因素及重要參數，能夠認識并準確描述化學理論在能源轉換過程及能源系統中的作用及其重要性；（2）了解不同能源系統中能量轉換原理及過程，認識不同能源系統中的主要化學反應及其特征，知曉代表性能源轉換設備及其特征，了解國內外研究現況及發展前景，結合文獻了解并分析碳減排策略及技術；（3）認識能源對社會經濟發展的重要作用，了解各類型能源的生產、轉換及儲能系統中的主要環境因素及安全因素，理解污染物產生的來源及其控制策略與技術，熟悉能源系統的溫室氣體排放過程及其影響，認識能源系統設計及運行過程產生的環境和安全問題及相關的保障措施，認識能源工程對社會的影響與責任。以上教學目標是依據OBE理念開展反向設計而得出的，并深度結合了綠色低碳轉型命題，構成了課程教學與學生知識能力結構的相互呼應。

二、強化創新思維能力

創新是一個民族進步的靈魂，OBE理念要求培養學生適應未來生活的能力，而創新思維能力恰是未來人才培養的重要乃至必備因素之一［4-5］。“能源化學”作為一門多學科融合的交叉性課程，涉及多領域技術發展前沿，是培養學生創新思維的重要課程之一。在教學過程中，需要重視不同學科基礎理論的交叉，強調理論與工程應用的有機融合及協同創新，結合綠色低碳轉型，就能源領域產業與科技前沿以及重大議題，引導學生在積極調研的基礎上開展獨立思考，強化創新思維能力。

針對煤炭、石油、天然氣等化石能源的相關章節，重點講授、討論化石能源作為燃料在能源領域的應用。除此之外，增加化石能源在化工、材料、冶金等領域的工程應用的相關教學內容，結合石油化工、鋼鐵等行業的工藝流程以及硅材料、有色金屬等云南省優勢產業，介紹化石能源在合成氨、高爐煉鐵、工業硅、負極材料等領域的應用；引入“原料用能”的概念，介紹可再生能源和原料用能不納入能源消費總量控制的政策，結合理論知識，引導學生分組討論，針對不同能源行業，從工藝流程和相關的化學反應基礎知識出發，界定原料用能的范疇，并圍繞國家能源消耗總量和強度“雙控”政策以及“雙碳”戰略，討論“原料用能”相關政策背后國家發展改革委、國家統計局等有關部門對我國工業綠色低碳轉型的深層考量，培養學生基于理論基礎的聚合性創新思維能力［6］。在新能源相關章節，介紹不同新能源技術的研究前沿及產業發展現況，結合云南省“綠色能源牌”規劃及“風光水火儲”協同發展的技術路徑，引導學生積極采用演繹思維（deductive thinking）及歸納思維（inductive thinking），探討我國能源產業發展及轉型的大趨勢以及所面臨的技術瓶頸；要求學生結合文獻調研，進一步了解太陽能、風能、生物質能、氫能等不同領域的研究活動，參考國際能源署（International Energy Agency， IEA）等權威機構對能源技術的展望，探討技術創新對綠色低碳轉型的重要支撐作用。就化石能源、氫能、太陽能等在未來可持續能源系統中分別扮演的角色，引導學生采用頭腦風暴的方式分組討論，并結合相關文獻（如文獻［7］、文獻［8］），交互采用聚合思維和發散思維，形成自身觀點。

針對綠色低碳轉型命題，依據OBE理念，有針對性地將創新思維能力培養滲透進各個章節，并在章節間以開放式命題的形式引導學生對未來可持續能源結構進行獨立思考，有效激發學生的學習與創新欲望。

三、豐富教學手段和考核方法

“能源化學”所涉及的知識及產業領域較為廣泛，且部分內容對于大部分學生較為陌生，需要豐富教學手段以提升學生的認知和理解水平；同時，遵循OBE理念，采用多樣的考核方法，把握學生階段性學習進程，實現課程的持續改進。

在授課形式上，更多采用開放式課堂，強調教師與學生以及學生之間的交流和討論；在培養學生工程問題表述及分析能力時，要求學生充分發揮自主學習能力和團隊合作能力，分組完成開放式命題的調研及報告，并納入課程考核。例如，在《氫能》章節，針對氫、氨兩種在未來能源產業中重要的儲能介質，要求學生明晰二者物理化學性質的異同，引導學生通過文獻調研和分組討論的方式獲得各介質的適用場景，并結合PPT口頭報告調研及討論結果。又如，包括CCUS在內的低碳技術是教學重點之一，也是進一步激發學生創新動力、承載學生將創新思維付諸實踐的重要內容，需要輔以多元的教學手段。依托冶金節能減排國家重點領域創新團隊等國家及省部級科研平臺，以參觀實驗室、與導師交流的方式深入了解科技前沿；尤其在生物質能、氫能、光伏、CCUS、鋰電儲能等領域，通過了解校內平臺的科研方向及成果，提高學生對科技前沿的認知水平，并激發其對科研的向往。以全國及云南省“大學生節能減排社會實踐與科技競賽”等學科競賽為載體，倡導學生以團隊形式參賽，提升自身創新實踐能力。

此外，結合教學內容，有機切入思政元素及案例，尤其是科技研發及產業發展的代表性案例，可在深化學生對科技前沿和產業發展趨勢的理解的同時，加強學生德育和智育，使之充分認識能源與社會發展、安全健康及生態環境的相互關系，培養其使命感和責任意識。例如，在《太陽能》章節，結合云南省工業硅、單晶硅及光伏發電產業現況，介紹技術進步歷程及發展趨勢；通過講解我國光伏技術和產業在困境中突圍的發展歷史、目前在全球的領先地位和對世界碳減排所做出的巨大貢獻，激發學生的愛國主義情懷和社會責任感。

結語

面對綠色低碳轉型的宏大命題，“能源化學”課程需要突出學生的創新思維能力培養，并使之切身體會到作為能源人的使命感。依據OBE理念，以學習成果為導向設計教學目標、教學策略及考核方法，突出學生創新思維能力的培養，并積極融入思政元素，激發學生的社會責任感，取得了良好效果，為該課程及相關課程的建設及持續改進提供了參考。

（課題組成員：李東方、祝星、李舟航、王霜、翟玉玲、李法社、胡建杭、劉慧利、朱燾、張慧聰）

參考文獻

［1］國家能源局發布2022年全國電力工業統計數據［EB/OL］.（2023-01-18）［2023-06-28］.http：//www.nea.gov.cn/2023-01/18/c_1310691509.htm.

［2］翟玉玲，王霜，祝星，等.“智能+”時代下區域性虛擬教研室建設：以昆明理工大學新能源科學與工程專業為例［J］.教育教學論壇，2022（48）：20-23.

［3］楊帆，王莉，靳登超，等.基于“新農科+新工科”融合教育模式的“能源化學”課程教學改革與探索［J］.現代鹽化工，2022，49（4）：106-108.

［4］李志義.對我國工程教育專業認證十年的回顧與反思之一：我們應該堅持和強化什么［J］.中國大學教學，2016（11）：10-16.

［5］林健.新工科專業課程體系改革和課程建設［J］.高等工程教育研究，2020（1）：1-13+24.

［6］岳曉東，龔放.創新思維的形成與創新人才的培養［J］.教育研究，1999（10）：9-16.

［7］張臻燁，胡山鷹，金涌.2060中國碳中和：化石能源轉向化石資源時代［J］.現代化工，2021，41（6）：1-5.

［8］呂清剛，柴禎.“雙碳”目標下的化石能源高效清潔利用［J］.中國科學院院刊，2022，37（4）：541-548.

Exploration and Implementation of the “Energy Chemistry” Curriculum Teaching Approach Aligned with the Outcome-Based Education Framework in the context of Green and Low-Carbon Transition

LI Dong-Fang， ZHU Xing， LI Zhou-Hang， WANG Shuang

（Faculty of Metallurgical and Energy Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming， Yunnan 650000， China）

Abstract： In the context of the imperative transition toward green and low-carbon energy structures， the cultivation of innovative talent emerges as a pivotal priority. For the foundational course Energy Chemistry， which is instrumental in fulfilling graduation requirements， we adhere to the principles of Outcome-Based Education （OBE） to methodically formulate our course objectives in a reverse manner. Throughout the teaching process， we place significant emphasis on the convergence of fundamental theories drawn from diverse disciplines and underscore the seamless integration of theoretical knowledge with practical engineering applications. Moreover， the cutting-edge technologies and industry trends are introduced to enhance the students innovative thinking capabilities. To accomplish the course objective， a diverse array of teaching methods and assessment techniques are adopted. Open-ended classroom approaches are frequently embraced to foster the students independent thinking skills. Furthermore， the guiding influence of research activities are emphasized， and the ideological and political education are underlined， augmenting students comprehensive capabilities， and empowering them to make more substantial contributions to the green and low-carbon transformation of the energy industry.

Key words： Energy Chemistry; innovative thinking; OBE theory; green and low-carbon transition