案例式教學在新能源專業教學中的應用研究

摘要：“新能源開發與環境”是我校新能源專業的必修課，該課程講授地熱能、非常規氣體能、太陽能、風能和核能等一系列新能源的基本性質、開發方法和相應的環境問題。與傳統能源類課程相比，新能源類課程的主要特點體現于“新”，即一些新能源的開發仍然處于探索階段，沒有成熟的理論體系與技術方法，這給該類課程的講解帶來極大的難度，一般體現于教師講授難和學生理解難等方面。針對這些問題，本文闡述如何將案例式教學應用于課程的教學中。實施過程中，先將新能源開發實踐中的恰當案例加入課程教學內容，進而對案例進行講解，使學生能夠更加直觀地學習、加深理解，并能夠達到樹立專業發展信心和培養愛國主義精神等目的。

關鍵詞：案例式教學；教學改革；新能源專業；新能源開發與環境

AStudyontheApplicationofCasebasedTeaching

intheFieldofNewEnergy

—TakingtheCourse"NewEnergyDevelopmentandEnvironment"asAnExample

ChangHaibinZhangHongwei

SchoolofEnergyandMiningEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology（Beijing）Beijing100083

Abstract："NewEnergyDevelopmentandEnvironment"isarequiredcourseinourschool'snewenergymajor，whichteachesthebasicproperties，developmentmethods，andcorrespondingenvironmentalissuesofaseriesofnewenergysourcessuchasgeothermalenergy，unconventionalgasenergy，solarenergy，windenergy，andnuclearenergy.Comparedwithtraditionalenergycourses，themaincharacteristicofnewenergycoursesisreflectedinthe"new"aspect，meaningthatthedevelopmentofsomenewenergysourcesisstillintheexploratorystage，lackingamaturetheoreticalsystemandtechnicalmethods.Thisposesgreatdifficultyinteachingandunderstandingthesecourses，whichisgenerallyreflectedinthedifficultyforteacherstolectureandforstudentstocomprehend.Inresponsetotheseissues，thispaperdiscusseshowtoapplycasebasedteachingtothecourse.Intheimplementationprocess，appropriatecasesfromnewenergydevelopmentpracticesarefirstintegratedintothecoursecontent，andthenthroughtheexplanationofthesecases，studentscanlearnmoreintuitively，deepentheirunderstanding，andachievegoalssuchasestablishingconfidenceinprofessionaldevelopmentandfosteringaspiritofpatriotism.

Keywords：casebasedteaching;educationalreform;newenergymajor;newenergydevelopmentandenvironment

在我國的能源結構中，煤炭和石油等傳統能源目前仍然占支柱地位，但傳統化石能源日益減少，尋找接替能源勢在必行。另外，傳統化石能源帶來的環境污染問題越來越受到國家的重視，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。在這些背景下，新能源專業迎來了良好的發展契機。

目前，許多高校新增了新能源專業，并規劃了相應的課程體系。新能源類課程的主要特點體現于“新”，即一些新能源的開發仍然處于探索階段，沒有成熟的理論體系與技術方法，這給該類課程的講解帶來極大的難度。教師可以在一些新能源的開發實踐中收集、整理一些有代表性的案例，將這些案例引入課堂，即開展案例式教學，會有助于豐富教學內容，完善教學方法，提高教學效果。案例式教學起源于哈佛大學，其在法學院和商學院等課程中開始應用，后逐漸推廣于許多國家，實踐證明，它是一種成功、有效的教育方法，案例式教學在我國高等教育的不同專業課程中得到廣泛的應用［16］。下面我們以“新能源開發與環境”課程為例，闡述如何恰當、合理地利用案例式教學。

一、“新能源開發與環境”課程介紹

結合傳統優勢學科，我校新能源專業重點聚焦地下新能源，包括地熱和地下非常規油氣，課程體系中也包含對傳統新能源（如太陽能和風能等）設計的課程。“新能源開發與環境”是我校新能源專業的必修課，以下介紹該課程的課程目標和課程教學內容。

（一）課程目標

通過對“新能源開發與環境”課程的教學，達到以下課程目標：

（1）通過教學，學生能夠掌握能源與環境的基礎知識，包括：能源的概念、分類、能源危機和能源狀況與發展趨勢等，環境的概念、分類、環境污染和環境保護的內容等，能源與環境的關系和解決能源與環境問題的途徑。

（2）通過教學，學生能夠掌握新能源的基本性質，如成因、物性、資源分布等。

（3）通過教學，學生能夠掌握新能源的開發利用方法和開發利用帶來的環境問題。

（二）課程教學內容

“新能源開發與環境”課程重點講授地熱和地下非常規油氣，同時也包括對傳統新能源的講授，課程教學內容模塊和課時分配如下表所示。其中，第四章講授的內容包括頁巖氣、煤層氣和天然氣水合物；第五章講授的內容包括傳統河流水能和海洋水能。

二、案例式教學的應用

“新能源開發與環境”課程講授的主要難點在于內容的“新”，即課程講授的一些新能源的開發仍然處于探索階段。例如，地熱學術界重點研究的干熱巖處于探索和建立示范工程階段，天然氣水合物的開發仍處于試采結果，這些新能源距離大規模商業化應用仍有距離，這些會導致教師講解難、學生理解難。為了提高授課效果，研究將案例式教學應用于該課程的授課中。通過引入不同類型的案例達到不同的授課目的，進而整體提高課程的教學質量。

（一）典型代表案例

課堂若只聚焦于基本概念和理論知識，講授會顯枯燥、乏味，學生易失去興趣。講授的內容若引入生動、形象的典型代表案例，則可吸引學生注意力，使學生能夠加深對理論知識的理解，舉例如下。

能源的開發利用可能造成環境污染問題是學生皆知的，但污染的后果到底是什么，嚴重程度有多大，學生可能并無概念。在講解該部分內容時，引入恰當的典型案例有助于學生直觀地理解。比如，可以借助案例闡述水能開發利用可能帶來的環境問題，包括：大壩工程可能造成沿河流域可耕地土質肥力持續下降；庫區水的大量蒸發也會導致水質變化等。通過在課堂加入案例講解，學生能夠更加直觀、具體地認識到能源開發利用帶來環境問題的嚴重性。

（二）啟發性案例

開發新能源需要長期的探索，把一種新能源的開發過程整理成案例進行講解，有助于啟發學生對新能源開發的思考。比如，在講解頁巖氣時可將美國頁巖氣發展歷程與啟示整理成案例。1821年，在美國紐約，WilliamA.Hart鉆探了第一口商業性的頁巖天然氣井，其深度達到了約8米，這一開創性的工作被廣泛認為是頁巖氣資源的首次發現。然而，盡管有了這一里程碑式的進展，但人們并沒有立即認識到頁巖氣資源的巨大潛力。直到1914年，在阿巴拉契亞盆地的Ohio頁巖中，發現了全球首個頁巖氣田——BigSandy。

在20世紀70年代后期至20世紀90年代初期，美國能源部（DOE）積極推動了與石油公司、高校和科研機構等單位的合作，共同致力于非常規天然氣的評估和開采技術研究。其中，針對頁巖氣的勘探和開發，實施了名為東部頁巖氣工程（EGSP）的大型項目，該項目的核心目標主要聚焦在兩方面：一方面，研發高效和環保的開采技術，以便更好地尋找并生產頁巖氣；另一方面，通過減少儲量規模的不確定性，為私有企業大規模開發頁巖氣資源提供必要的激勵和信心。在具體執行上，該項目設定了以下三個主要目標：一是準確評估天然氣地質資源和經濟可采資源量，為決策提供數據支持；二是建立針對勘探目標的勘探原理，為實際操作提供理論指導；三是研發并優化低成本的開采方法，以提高開采效率和經濟效益。為實現這些目標，項目組開展了以下幾項主要研究工作：首先，整合多種數據，全面評價技術進展和環境問題等；其次，通過建立描述泥盆紀頁巖區資源的數據庫，制定勘探基本原理，以期開發出更加有效地尋找含氣天然裂縫儲層的方法；再次，通過研究和設備開發，提出新的診斷工具、儲層動態預測和的增產方法能力。此外，項目組還致力于生產技術的研發，提出有效的增產方法，以驗證其在油田中的實際應用效果。在這一過程中，開發了包括泡沫壓裂、井下視頻技術、大型水力壓裂、定向鉆井以提高生產能力、隨鉆電磁測量以及二氧化碳壓裂處理等關鍵技術。

這些技術的研發和應用為頁巖氣的開采提供了有力支持，推動了頁巖氣產業的快速發展。在1981年至1998年期間，Mitchell能源公司在FortWorth盆地進行了持續不斷的探索與試驗，通過綜合應用水平井和水力壓裂技術，該公司最終實現了Barnett頁巖氣的規模化商業開發，為頁巖氣產業的發展開辟了新的道路，在這一過程中，GeorgeMitchell被譽為“頁巖氣之父”，并于2011年獲得了終身成就獎，以表彰他在頁巖氣開發領域所做出的杰出貢獻。進入21世紀以后，隨著水平井鉆井技術的不斷進步，美國頁巖氣產業迎來了飛速發展的黃金時期，特別是Barnett頁巖氣田的年產量從1999年的22億立方米迅速攀升至2009年的560億立方米，短短10年間實現了驚人的25倍增長。在Barnett頁巖氣田成功開發的示范效應下，美國全國的頁巖氣勘探與開發活動迅速擴展，掀起了一股熱潮，這股熱潮不僅推動了美國頁巖氣產業的快速發展，還形成了六大主要的頁巖氣產區。這一成功的案例充分展示了理論技術創新與進步在推動頁巖氣勘探開發方面的關鍵作用和主要動力。科技進步在頁巖氣革命中的作用包括：（1）堅持不懈的基礎地質研究孕育這場頁巖氣革命；（2）水平井和水力壓裂技術的進步促成了革命成功。通過對該案例的講解，學生能夠認識到開發新能源的一些關鍵問題，啟發思考。

（三）科學研究案例

由于新能源開發具有“新”的特點，許多相關問題也是科研工作者正在研究的對象，將一些代表性問題的科學研究整理成案例進行講解，可以幫助學生更加深刻地思考問題，探索現象背后的科學原理。比如，在講解煤層氣開發時，可以講解超臨界CO2聚能壓裂開發煤層氣的可行性研究［7］。與水力壓裂和超臨界CO2壓裂相比，超臨界CO2聚能壓裂煤巖裂縫迂曲度更高，可形成主裂縫、微裂縫與層理縫相互溝通的網狀裂縫。通過該案例講解，學生可以認識到新技術對新能源開發的重要性。

（四）科技前沿案例

新能源開發與利用是研究熱點，新的突破不時出現。如2022年10月19日，中國新一代“人造太陽”（HL2M）裝置等離子體電流突破100萬安培（1兆安），創造了我國可控核聚變實驗裝置運行新紀錄，技術水平居國際前列；2023年5月中下旬，全球首次海上風電無淡化海水原位直接電解制氫技術海上中試在福建興化灣海上風電場獲得成功。

結語

結合“新能源開發與環境”課程的教學內容與教學難點，研究將案例式教學用于課程教學，從而提高課程教學效果。通過收集整理不同類型的案例，如典型代表案例、啟發性案例、科學研究案例和科技前沿案例，并將案例加入課堂教學，通過對案例的講解，學生能夠更加直觀地學習知識，加深理解，并能夠達到樹立專業發展信心和培養愛國主義精神等目的。

參考文獻：

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［6］莊齊楓.《遙感原理與應用》啟發式案例教學方法實踐［J］.科技風，2021（28）：9193.

［7］叢日超，王海柱，李根生，等.超臨界CO2聚能壓裂開發煤層氣可行性研究［J］.煤炭學報，2023，48（08）：31623171.

基金項目：中國礦業大學（北京）2023年本科教育教學改革與研究項目（項目編號：J231101）

作者簡介：常海濱（1983—），男，滿族，遼寧清原滿族自治縣人，博士，副研究員，研究方向：地下新能源開發與地下儲能。