“雙碳”背景下能源與動力工程專業實驗課程教學的改革研究

［摘 要］“雙碳”目標的推進對能源與動力工程專業人才培養帶來了新挑戰。其中，專業實驗課程作為培養學生工程實踐能力和創新能力的重要環節，其教學方法的創新改革對培養符合時代發展要求的人才具有重要意義。文章對目前實驗課程教學過程中存在的問題進行分析，并針對實驗課程內容枯燥、學生參與實驗課程積極性較低的問題，提出有效對策：創新實驗課程教學方法，豐富實驗課程內容，采用問題式教學方法，深入挖掘虛實結合的教學模式，將科研成果融入實驗課程教學，將實驗課程內容與工程實際問題相結合，進而提升課程教學質量；同時通過融入課程思政來提高學生參與實驗課程的主觀能動性，強化其社會責任感。通過上述實驗課程教學改革，可激發學生的科研能力和創新思維，提升學生解決復雜工程實際問題的能力，培養符合時代發展需求的高質量專業人才。

［關鍵詞］“雙碳”；能源與動力工程專業；實驗課程；教學改革

［中圖分類號］G642.0 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）15-0080-04

人才的培養與國家的發展息息相關。作為人才培養的主要力量，高校肩負著為黨育人、為國育才的光榮使命，其人才培養目標應緊隨國家戰略發展方向。自中國提出“雙碳”目標以來，新能源得到了大力發展[1]，但其中風電、太陽能等新能源發電還存在一些不足。為構建新型的電力體系，作為電力行業的壓艙石，火電在未來相當長的時間內扮演著調峰的角色，以保障電力安全穩定。“雙碳”目標對火電行業既是面臨挑戰也是發展機遇。2021年7月，教育部制定了《高等學校碳中和科技創新行動計劃》，表明要發揮高校基礎研究主力軍和重大科技創新策源地的作用，為實現“雙碳”目標提供科技支撐和人才保障[2]。而作為電力行業的主要人才供給專業，能源與動力工程專業在這一挑戰下，亟須改革教學方法，優化人才培養模式，培養符合時代發展的創新型人才。

2019年9月，《教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》指出，要深化創新創業教育改革，挖掘和充實各類課程、各個環節的創新創業教育資源[3]。而專業實驗課程作為高校培養人才的重要環節，在增強學生的動手能力，促進專業知識的理解及激發學生創新性思維及工程應用能力等方面具有重要作用[4-5]。因此，創新專業實驗課程的教學方法，探索新的教學思路，有利于培養符合時代發展、適應社會需求的工程類人才。

一、能源與動力工程專業實驗課程教學現狀分析

目前，部分高校的能源與動力工程專業實驗課程教學中，學生參與的積極性較低，課堂氛圍枯燥乏味，無法達到提升學生工程實踐能力和創新能力的目標。實驗課程教學過程中存在的主要問題如下。

（一）實驗課程教學方法單一

目前部分高校的實驗課程教學方法單一，缺乏創新，主要表現為：課前，教師布置給學生熟悉實驗課程原理及操作步驟的預習任務，但缺乏有效的檢驗手段，只依靠學生的自我約束，實驗課程預習效果不佳。課中，傳統的實驗課程教學一般是教師給學生講述實驗目的、實驗原理、實驗裝置及實驗操作步驟，同時進行演示，而部分學生由于忽略實驗課程的重要性，只是機械地復現實驗課程操作步驟，獲得實驗數據。這種教學方法束縛了學生的思維，實驗效果差，無法真正鍛煉學生的實踐能力和創新思維能力。課后，學生完成實驗報告后不再接觸實驗課程，沒有將實驗內容內化為自身知識。實驗課程對學生的考核僅在于實驗表現和實驗報告的完成度，考核方式單一，對學生的約束力不足。對部分學生而言，實驗僅僅是需要完成的任務，而非鍛煉自身的動手能力和工程實踐思維能力。目前的專業實驗很少在實驗課程中融入最新發展技術，無法緊跟專業發展前沿。

（二）實驗設備受限制

時代在發展，技術在進步，但實驗設備受經費及實驗場地的約束無法做到及時更新。學生所用的實驗設備大多還是技術落后的設備，尤其是專業實驗課程。火電廠為響應“雙碳”目標，相應設備及系統不斷優化，發電效率提高，但高校實驗課程所用的鍋爐及火電廠全廠模型系統仍是早期的鍋爐和設備，無法讓學生了解最新的鍋爐結構及系統流程，導致學生所學的內容與工程實際脫節。大多數學校的實驗設備數量不足，實驗時都是多個學生使用一臺實驗課程設備，最終操作實驗的只有兩三名學生，其他學生參與度低，無法達到應有的實驗效果。實驗設備配套不足，難以調動學生參與的積極性，難以鍛煉學生觀察問題、分析問題和解決問題的能力，使學生的創新思維及工程實際問題解決能力培養不足。

此外，實驗課程不僅能夠鍛煉學生的動手能力，也能夠鍛煉學生的實驗設計思維。然而，大多數實驗設備的結構密封一體，學生通過實驗課程大多只掌握了操作方法，而不能理解實驗裝置的設計原理。

（三）實驗類型單一

由于設計性實驗及綜合性實驗涉及的實驗成本高、可控性低，目前高校大多數實驗課程是驗證性實驗，設計性和綜合類的實驗較少。驗證類實驗主要根據實驗指導書的操作步驟來操作，學生覺得實驗簡單、枯燥，個別學生甚至直接按照理論整理實驗數據。此外，部分實驗操作步驟少，需要較長的時間記錄數據，一個實驗一般是3～5人一組，而等待記錄實驗數據只需一人，這樣會使部分學生失去耐心，此類實驗較難引起學生的興趣。

二、能源與動力工程專業實驗課程的教學方法改革思路

實驗課程的教學目的是鍛煉學生的實踐動手能力、工程思維能力和創新能力，為了充分發揮實驗課程在人才培養中的作用，必須創新改革教學方法，豐富實驗課程教學內容。本文探究的能源與動力工程專業實驗課程改革思路如圖1所示。

（一）采用學生為主，教師主導的教學方法

以學生為主就是在實驗課程及實踐過程中要把學生當作學習的主動探索者，教師只起到引導作用。教師根據實驗課程內容提出相關問題，采用問題式教學方法，給予學生充分的自我思考時間，引導學生思考如何解決問題，加深對實驗的認知和理解。通過問題式教學方法讓學生充分地動腦、動手，激發學生的學習興趣，進而提高學生參與實驗的積極性和主動性。引導學生思考的時候，教師可以根據學生個體差異，對不同學生進行不同程度的引導，進而達到更好的學習效果。

為了更好地激發學生的工程思維及工程實踐能力，不僅需要讓學生掌握實驗方法，更需要掌握實驗設備設計的方法。以傳熱學穩態法測導熱系數實驗課程為例，為了引導學生自主思考實驗設計理念，掌握實驗方法，應當根據實驗設計理念引導學生，先讓學生根據書本上導熱相關的知識進行思考，設計實驗來求取一塊木板的導熱系數。根據學生的設計反饋，強調設計的重點，提問學生本實驗設計要考慮的重點有哪些，根據學生的回答再次引導學生思考如何讓實驗達到穩態，采取什么樣的措施能夠保證給定的熱量不會從其他方向散失，如何保證熱量均勻地給到木板。同時也可以根據實驗設備細節設計相關引導式問題，讓學生在掌握設計重點后進一步完善實驗設計。最后再講解本實驗的設計理念和操作方法，讓學生開展實驗。這種教學方法能更好地讓學生理解實驗的目的，提高學生的參與度，讓學生掌握實驗的設計方法，培養解決復雜工程問題的能力，提升學生的創新能力。

為提高學生的工程實踐能力，可將不能用的實驗設備進行拆解，讓學生充分了解實驗設備的內部結構和設計原理；還可增加設計性實驗，拓寬學生的創造性思維。

（二）實驗內容與工程問題相結合

工科類專業實驗課程的設置目的是提高學生的工程思維及工程實踐能力。因此，專業實驗課程教師應當拓展與工程實際相結合的點，不能脫離工程實際。以能源與動力工程專業課程“鍋爐原理”中的實驗為例，在進行鍋爐燃煤水分測定實驗的過程中，讓學生查找文獻，了解煤中水分對發電效率的影響，引導學生自主設計實驗來探究干燥的熱風溫度和干燥時間對煤中水分測定結果的影響。通過了解燃煤電廠為降低煤中水分所采取的干燥措施這一工程實際問題，進而掌握降低煤中水分可提高發電效率、降低二氧化碳排放量的知識點，同時響應“雙碳”目標。將專業實驗與現實工程問題相結合，對復雜工程問題進行研究，能夠提高學生的實驗興趣和解決工程實際問題的能力。

（三）融入課程思政

教師不僅需要教書，更需要育人。教師要將課程思政融入實驗課程，培養具有堅定理想信念、富有社會責任感的大學生[6]。在實驗課程教學中，教師應深度挖掘相關課程中蘊含的思政元素及文化要素，層層遞進逐漸融入實驗課程中，激發學生參與實驗課程的積極性。對于能源與動力工程專業，以時政熱點、環境保護、社會需求及先輩楷模等為融入路徑，使學生樹立專業自豪感與正確的價值觀，提升學生在實驗過程中的主觀能動性。通過課程思政，學生認識到參與實驗課程不是單純為了完成課程任務，而是為了鍛煉自身的工程實踐能力和工程思維能力，從而轉變學習態度，提高學習積極性。

（四）提升實驗課程教師的綜合能力

教師是高校的主體，高校人才培養依賴于教師的教學水平、專業能力和創新能力。因此，提高實驗課程教學質量，應提高教師團隊的教學能力、工程實踐能力和創新能力。

為提高教師的教學能力，可定期開展實驗課程教學方法交流會及培訓會，讓教師相互分享教學方法，取長補短，提高整體的教學水平。同時，需要定期收集學生對教師上課教學方法的反饋，教師根據學生的接受程度進行合理的調整與優化，不斷提高自身的教學能力。為提高教師的工程實踐能力，可讓實驗課程教師定期參與到實際工程中。對于能源與動力工程專業，專業教師應當定期到燃煤電廠進修，深度了解當下工程的實際問題，不斷提高自身的工程實踐能力。為提高綜合能力，實驗課程教師需要不斷學習掌握專業技術發展前沿，開闊自身的視野，從而更好地培養學生解決復雜工程問題的能力。

（五）采用虛實結合的教學模式

隨著科學技術的發展，數字化教學已逐步融入高等教育教學。虛擬仿真實驗是通過虛擬仿真技術模擬真實的實驗場景，讓學生能夠在虛擬場景中進行實驗操作，給學生較好的實驗體驗感，以提高學生的實驗操作能力[7]。

采用虛實結合的教學模式能夠避免單一虛擬仿真的虛而不實，同時能夠解決學生難以熟練掌握實驗操作步驟，以及由于設備不足導致的部分學生不能參與實驗等問題。課前可以讓學生登錄虛擬仿真系統觀看實驗標準操作視頻，熟悉原理和操作步驟，并進行初步操作考核，從而加強學生的預習效果，提高學生的實驗操作能力。實驗結束采用虛擬仿真操作對學生進行考核，能夠及時把握學生對實驗過程的掌握程度。對于涉及大型設備的專業課程，可以采用虛擬仿真或虛擬系統模擬，讓學生掌握技術發展趨勢。以能源與動力工程專業課程“熱力發電廠”的實驗為例，為實現“雙碳”目標，燃煤火電行業不斷優化發電系統及設備，提高能源利用率，降低碳排放。為讓學生及時掌握行業技術的發展，可以采用虛擬仿真或虛擬系統模擬讓學生及時掌握燃煤發電新系統，如采用專業建模軟件（如EBSILON Professional）搭建各種節能系統，直接展示新系統與原系統的區別及節能效果，從而培養學生的低碳節能意識。此外，可增加虛擬仿真設計類和綜合類的實驗，突破設備的限制，給予學生思考的空間，讓學生能設計實驗，提高學生的工程實踐思維能力和創新能力。

虛實結合的實驗方法，能夠提高學生的實驗課程參與度，培養學生嚴謹的科研態度，同時能夠突破傳統實驗課程時間與地點的限制，提高學生的參與度，更好地讓學生掌握實驗的操作步驟，提高學生的動手能力和工程實踐能力。

（六）將科研成果融入實驗課程教學

高校教師作為基礎科學研究的主力軍，科研成果豐碩。但教師的科研成果一般應用在研究生培養方面，有的科研設備在做完實驗研究后就會閑置，造成資源浪費。為了充分利用這些科研設備，可將其用于本科教學，讓學生更好地掌握“雙碳”目標背景下本專業的發展動向。在“雙碳”目標背景下，如何降低碳排放及碳捕集技術是燃煤發電行業專業人才研究的熱點。煤炭燃燒產生的煙氣中二氧化碳排放量巨大，現階段研究的主要碳捕集方法為燃燒后碳捕集技術，包括吸收法、吸附法、膜法以及深冷法等。高校教師開展這方面研究的實驗較多，可以讓學生參與相關的碳捕集實驗，切實地了解碳捕集技術，同時感受科研的嚴謹氛圍，從而更好地讓學生掌握專業技術發展動向，提高學生的創新能力和科學研究能力，培養符合時代環境需要及適應快速變化發展的能源領域人才。

三、總結

“雙碳”目標背景下，培養符合時代發展需求的人才具有重要意義。為充分發揮實驗課程在培養專業人才中的作用，應采用以學生為主、教師主導的實驗課程教學方法，豐富實驗課程內容，提升學生參與實驗課程的積極性；此外，要不斷引進高校科研設備及虛擬仿真實驗進入本科課堂，打破傳統實驗設備的局限性；同時，引入課程思政提升學生參與實驗課程的主觀能動性，從而激發學生的科研能力和創新思維，提升學生解決復雜工程實際問題的能力，培養符合時代發展需求的高質量專業人才。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 甘學濤，王雷，譚親躍，等.“雙碳”背景下電氣工程及其自動化專業實踐教學模式探討[J].中國電力教育，2023（10）：71-72.

[2］ 中華人民共和國教育部.教育部關于印發《高等學校碳中和科技創新行動計劃》的通知.[EB/OL].（2021-03-08）[2024-01-12]. http：//www.moe.gov. cn/srcsite /A16 /moe_784/202107/t20210728_54745

1.html.

[3］ 中華人民共和國教育部.《教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》.[EB/OL].（2019-09-29）[2024-01-12]. http：//www.moe.

gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191011_40275

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[4］ 于賀偉，程屾，張興宇，等.科教融合背景下專業綜合實驗課程教學改革：以能源與動力工程專業為例[J].高教學刊，2023，9（18）：138-141.

[5] 王志和，田玉蘭，孫軍，等.能源與動力工程專業實踐教學研究與探索[J].大學教育，2017（2）：37-38.

[6] 邱愷培，湯雯，雷雨田，等.“雙碳”背景下“能源與環境”課程思政教學探索[J].環境教育，2023（10）：51-53.

[7］ 任亞濤，齊宏，何明鍵，等.雙碳背景下能源動力類課程教學中虛擬仿真技術的應用：以“傳熱學”為例[J].科技與創新，2024（1）：165-167.

［責任編輯：劉鳳華］