新工科背景下“太陽能利用技術(shù)”課程教學(xué)探討

馬婷婷 孟鯉 李森 王小兵 劉鴻

[摘 要] 在新工科建設(shè)背景下，分析了新興前沿類課程“太陽能利用技術(shù)”目前存在跨學(xué)科專業(yè)知識儲備不夠、教材適用性較差、授課方式較單一的教學(xué)問題，嘗試提出“注重跨學(xué)科相關(guān)專業(yè)知識的導(dǎo)入過程，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣;緊跟太陽能技術(shù)發(fā)展前沿，建設(shè)教學(xué)資料;把課堂交給學(xué)生，增強(qiáng)學(xué)生主觀能動性”的教學(xué)探索舉措，獲得了較好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 新工科;太陽能利用技術(shù);創(chuàng)新型人才;跨學(xué)科;教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2019年度常州大學(xué)教育研究課題“結(jié)合3D打印的工科體驗(yàn)式教學(xué)實(shí)踐改革”（CDSG2019208）

[作者簡介] 馬婷婷（1987—），女，湖北棗陽人，博士，常州大學(xué)石油工程學(xué)院講師，主要從事太陽能中高溫?zé)崂煤拖嘧儌鳠嵫芯俊?/p>

[中圖分類號] G642.0? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）32-0144-04? ? [收稿日期] 2021-04-02

目前新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在重構(gòu)全球創(chuàng)新版圖，重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)[1]。新工科（Emerging Engineering Education，3E）是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向[2]。新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，具有戰(zhàn)略型、創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開放式的特征[2]。當(dāng)前，國家提出“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“人工智能2.0”等重大戰(zhàn)略，為新工科的建設(shè)與發(fā)展指明了方向，也對新工科的建設(shè)發(fā)展提出了更高要求，即建設(shè)一支規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)合理、素質(zhì)優(yōu)良的創(chuàng)新人才隊(duì)伍[1，3]。為響應(yīng)國家戰(zhàn)略需求，支撐服務(wù)新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，突破核心關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)筑后發(fā)優(yōu)勢，在未來全球創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)，迫切需要培養(yǎng)一大批擁有更強(qiáng)創(chuàng)新能力、變化能力、適應(yīng)能力的新興工程科技人才，服務(wù)于國家戰(zhàn)略發(fā)展，進(jìn)而提升我國工程教育的整體實(shí)力與國際競爭力[4]。

近年來，隨著社會的不斷發(fā)展，世界范圍內(nèi)環(huán)境污染日益嚴(yán)重，能源危機(jī)不斷加劇，為實(shí)現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展、新能源的開發(fā)和利用，勢在必行。尤其是太陽能發(fā)電作為一項(xiàng)清潔無污染的新能源技術(shù)，日益受到世界各國的重視，制定并出臺了一系列相關(guān)技術(shù)開發(fā)的扶持政策和鼓勵措施。同時(shí)，太陽能也是我國目前能源領(lǐng)域的新興重點(diǎn)發(fā)展方向之一，在建筑供暖、工業(yè)熱水、制冷空調(diào)、化工、海水淡化和發(fā)電等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，開設(shè)“太陽能利用技術(shù)”相關(guān)的課程對提高學(xué)生的就業(yè)機(jī)會和增強(qiáng)高校的社會服務(wù)能力，具有非常重要的作用。

常州大學(xué)能源與動力工程專業(yè)在近年來太陽能源蓬勃發(fā)展的背景下開設(shè)了“太陽能利用技術(shù)”，將其作為本科生的一門專業(yè)選修課。該課程具有學(xué)科涵蓋范圍廣、信息更新快、實(shí)踐性較強(qiáng)、與行業(yè)發(fā)展聯(lián)系密切的特點(diǎn)，因此，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法顯然不適合[5]。在新工科背景下，“太陽能利用技術(shù)”作為能源與動力工程專業(yè)的新興前沿類專業(yè)課程，應(yīng)抓住契機(jī)，積極探索學(xué)科前沿類課程教學(xué)的新模式，以適應(yīng)社會發(fā)展新需求。

一、“太陽能利用技術(shù)”課程現(xiàn)狀分析

太陽能利用技術(shù)涵蓋范圍廣，主要包括太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)和光化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)[6]，其中光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)與能源與動力工程專業(yè)中以熱能轉(zhuǎn)換與利用系統(tǒng)為主的熱能動力工程及控制方向較匹配，因此，該部分是“太陽能利用技術(shù)”課程的教學(xué)重點(diǎn)?！疤柲芾眉夹g(shù)”的主要任務(wù)是通過各教學(xué)環(huán)節(jié)，運(yùn)用各種教學(xué)手段和方法，使學(xué)生對太陽能相關(guān)的基礎(chǔ)專業(yè)知識和太陽能的利用方式及原理有一定的認(rèn)識。通過課程的學(xué)習(xí)，掌握太陽能利用的基本理論知識，掌握太陽能熱水器、太陽能集熱器以及太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)等的組成、分類和應(yīng)用現(xiàn)狀等，了解太陽能光伏發(fā)電和光化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，為今后從事工程技術(shù)工作、科學(xué)研究及開拓新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

“太陽能利用技術(shù)”作為能源與動力工程專業(yè)的新設(shè)課程，在開課之初借鑒以講授為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，效果不甚理想，無法滿足當(dāng)下新工科的時(shí)代要求。課程教學(xué)當(dāng)前主要存在以下幾個(gè)問題。

（一）跨學(xué)科相關(guān)專業(yè)知識儲備不夠

“太陽能利用技術(shù)”課程主要包括太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)和光化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)三個(gè)部分。該課程涉及光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)和化學(xué)等學(xué)科，學(xué)科涵蓋范圍廣，屬于典型的跨學(xué)科課程。比如，太陽能集熱器和光伏板均涉及一種太陽光譜選擇性吸收涂層的概念，這個(gè)知識點(diǎn)就需要學(xué)生有一定光學(xué)、熱學(xué)和材料學(xué)方面的知識。因此，這門課程對于學(xué)生的專業(yè)知識儲備要求較高。關(guān)于熱學(xué)和力學(xué)，能源與動力工程專業(yè)課程體系中涉及較多，但光學(xué)、材料學(xué)和化學(xué)等學(xué)科方面的專業(yè)知識所授課程涉及很少，學(xué)生接觸少，屬于弱勢學(xué)科。對于學(xué)生來說，“太陽能利用技術(shù)”課程內(nèi)容非常龐雜，相關(guān)的專業(yè)知識儲備欠缺，學(xué)習(xí)起來較吃力，學(xué)生容易疲倦進(jìn)而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

（二）教材適用性較差

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用越來越多，光熱發(fā)電逐步走向商業(yè)化，光化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，需要大量的研究型和應(yīng)用技術(shù)型人才，但人才培養(yǎng)需要有針對性的教材和參考書。太陽能利用技術(shù)近年來發(fā)展迅速，其涵蓋的知識內(nèi)容更新速度非?？臁Ｄ壳靶鲁霭娴奶柲芟嚓P(guān)書籍較多，但適合作為能源與動力工程專業(yè)的教材卻很少。比如針對光伏發(fā)電的教材過于專業(yè)，針對光熱發(fā)電的大多只是簡單的科普，多數(shù)教材并不適用。同時(shí)，作為教材，一般來說基礎(chǔ)知識比重偏大，新技術(shù)和應(yīng)用案例較少且更新慢，無法緊跟太陽能領(lǐng)域最新發(fā)展動態(tài)，從而體現(xiàn)不出前沿類課程的特點(diǎn)。若單一按照教材內(nèi)容授課，則達(dá)不到開設(shè)課程最初的設(shè)想。

（三）授課方式較單一

“太陽能利用技術(shù)”課程內(nèi)容除了包含一部分太陽能相關(guān)的基礎(chǔ)知識和原理，更關(guān)注的是介紹實(shí)際技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。因此，本課程需要側(cè)重于引導(dǎo)學(xué)生利用已學(xué)知識解釋相關(guān)應(yīng)用案例并進(jìn)行思考。以教師為主導(dǎo)的授課方法，過于注重知識的灌輸，忽視對學(xué)生獨(dú)立思考能力和運(yùn)用知識能力的培養(yǎng)，使學(xué)生在教學(xué)過程中處于被動的地位，課堂上的參與度較低。因此，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被壓制，學(xué)習(xí)的積極性和主動性不高。即使有課堂互動環(huán)節(jié)，但是對于新興前沿類課程，若學(xué)生課下沒有查詢資料做好充足的準(zhǔn)備，也無法收到較好的教學(xué)效果，達(dá)不到自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

二、教學(xué)改革的主要內(nèi)容

針對“太陽能利用技術(shù)”課程在教學(xué)中存在的問題，結(jié)合新工科的理念和要求，筆者在最近四年的教學(xué)工作中，結(jié)合課程特點(diǎn)和專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，探索嘗試新的教學(xué)模式，以期提高教學(xué)效果。

（一）注重跨學(xué)科相關(guān)專業(yè)知識的導(dǎo)入，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

“太陽能利用技術(shù)”課程本身涉及多學(xué)科的交叉融合，十分符合新工科注重多學(xué)科交叉融合的內(nèi)涵和特征[1]。在新工科背景下，任課教師應(yīng)弱化單門課程的邊界，搜尋更多豐富的教學(xué)資料，主動將專業(yè)課程內(nèi)容融入所授課程中，在提高學(xué)生興趣的同時(shí)，還能補(bǔ)充跨學(xué)科的知識，建設(shè)學(xué)生全方位的專業(yè)理論體系。工科專業(yè)的通識類課程設(shè)置基本相同，而專業(yè)課程中的一些原理和概念大多在通識類課程中有所涉及，只是深度和廣度不夠，若以此為基點(diǎn)向各個(gè)方向輻射和延伸，則可打開通向跨學(xué)科知識的大門。下面以一些案例具體加以闡述。例如，在太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)方面，通過世界太陽能車挑戰(zhàn)賽和太陽能飛機(jī)的引入來引起學(xué)生對課程的興趣，在案例里提出太陽能光伏板，吸引學(xué)生對光伏的注意力;在光電轉(zhuǎn)換原理中，先回顧大學(xué)物理里普朗克提出的光子能級躍遷公式，再進(jìn)行半導(dǎo)體材料和PN結(jié)等的講解，降低學(xué)生對新知識的抵觸心理，新舊知識過渡自然。在太陽能光化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)方面，通過引入植物的光合作用及其基本原理提出太陽能光化學(xué)的概念，既使學(xué)生印象深刻，迅速理解光化學(xué)轉(zhuǎn)換的過程，也加深了對生物學(xué)中自然現(xiàn)象的認(rèn)識。

在太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)方面，通過引入日常生活中常見的太陽能熱水器，提出太陽能熱水器采用的關(guān)鍵技術(shù)之一即太陽光譜選擇性吸收涂層，它使得熱水器集熱效果好，產(chǎn)熱水能力強(qiáng)。這會讓學(xué)生在腦海里首先有一個(gè)選擇性吸收涂層的概念，并在心理上覺得太陽能其實(shí)離自己很近，易于接受。講解太陽光譜選擇性吸收涂層的原理時(shí)，先導(dǎo)入傳熱學(xué)里三大傳熱方式之一的熱輻射相關(guān)知識，將傳熱學(xué)知識擴(kuò)展應(yīng)用于理解太陽光譜選擇性吸收涂層的工作原理，既可以加深學(xué)生對專業(yè)知識的理解，提高應(yīng)用傳熱學(xué)知識的能力，也讓學(xué)生清楚認(rèn)識到新技術(shù)可應(yīng)用已有知識創(chuàng)造出來。講解聚光集熱器的時(shí)候，首先引入美國Discovery的一檔科普紀(jì)錄片《流言終結(jié)者》，其在2006年拍過一個(gè)針對公元前215年阿基米德關(guān)于制造一塊大聚光鏡燒毀入侵羅馬戰(zhàn)船的流言進(jìn)行驗(yàn)證的專題“要命的聚光鏡”，使學(xué)生了解到人類其實(shí)很早之前就已經(jīng)開始了對太陽能利用技術(shù)的探索，并且意識到太陽能聚光鏡的威力不可小覷，同時(shí)引起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二）緊跟太陽能技術(shù)發(fā)展前沿建設(shè)教學(xué)資料

新工科理念要求高校在工科教育中緊跟科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的發(fā)展趨勢，課程教學(xué)不應(yīng)僅僅局限于課本內(nèi)容，還應(yīng)緊扣時(shí)代脈搏和行業(yè)發(fā)展動向，使學(xué)生廣泛接觸太陽能領(lǐng)域的新知識和新技術(shù)，提高學(xué)生的認(rèn)知和創(chuàng)新能力。太陽能利用技術(shù)主要涉及光電、光熱和光化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)。隨著新材料、新技術(shù)和新政策的出現(xiàn)，太陽能利用技術(shù)會不斷更新?lián)Q代。在“太陽能利用技術(shù)”課程中，基本概念和基礎(chǔ)應(yīng)用知識主要參考“太陽能熱利用技術(shù)”[7]和“太陽能利用技術(shù)”[6]等章節(jié)內(nèi)容。關(guān)于太陽能三種轉(zhuǎn)換技術(shù)的最新技術(shù)、應(yīng)用案例及國家政策，也應(yīng)予以補(bǔ)充。比如，太陽能行業(yè)發(fā)展的新技術(shù)、新應(yīng)用案例以及國家政策等方面的內(nèi)容，可借鑒權(quán)威新聞網(wǎng)頁和視頻、太陽能相關(guān)會議以及科技文獻(xiàn)，將這些內(nèi)容經(jīng)過分類整理和加工，最終形成課程講義。下面以一些案例加以詳細(xì)闡述。例如在光電轉(zhuǎn)換技術(shù)方面，可以講述第三代太陽能電池、高倍聚光太陽能光伏技術(shù)、國家對光伏發(fā)電并網(wǎng)的電價(jià)補(bǔ)貼政策等;在光熱轉(zhuǎn)換方面，可以就太陽能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)闡述，介紹我國位于南京市江寧區(qū)的首座70 kW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和北京延慶八達(dá)嶺1 MW太陽能熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)電站，并簡述我國第一批太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的進(jìn)展情況;在光化學(xué)轉(zhuǎn)換方面，可以結(jié)合未來的氫能經(jīng)濟(jì)講述太陽能光熱化學(xué)制氫和光催化制氫。這些知識將極大地豐富學(xué)生在新發(fā)展方向的知識面，擴(kuò)寬學(xué)生對傳統(tǒng)專業(yè)的認(rèn)識，有效地提高新工科背景下學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

當(dāng)然，教學(xué)資料除了文字和圖片格式的，還有視頻形式的。視頻形式的資料使知識點(diǎn)更加形象和直觀，便于學(xué)生理解。比如，講解太陽能光伏電池的工作原理時(shí)，利用制作的PN結(jié)光生伏打的動態(tài)小視頻，使原本枯燥的文字描述變成直觀的動畫，更容易讓人快速理解。講解太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，視頻補(bǔ)充介紹了美國392MW伊萬帕塔式光熱發(fā)電站，真實(shí)的案例使學(xué)生對太陽能塔式光熱發(fā)電站的基本模塊構(gòu)成和主要建設(shè)過程印象深刻。這些輔助視頻教學(xué)資料豐富了教學(xué)資料形式和教學(xué)手段，也彌補(bǔ)了課程實(shí)踐性的不足，有效地提高了教學(xué)效果。

（三）把課堂交給學(xué)生增強(qiáng)學(xué)生的主觀能動性

太陽能利用技術(shù)廣泛，可講解內(nèi)容龐大，而課堂時(shí)間有限，即使采用“滿堂灌”的方式也無法把所有的知識都講解到位。因此，合理安排教學(xué)內(nèi)容、突出教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)、運(yùn)用多種教學(xué)手段和靈活而形象的教學(xué)方法來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和啟發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，是達(dá)到良好教學(xué)效果的重點(diǎn)。為此，“太陽能利用技術(shù)”的課程安排主要為：重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容由教師主講，即太陽能利用技術(shù)的基本原理和分類、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)基本構(gòu)成和發(fā)展趨勢等;具體技術(shù)應(yīng)用等內(nèi)容則被劃分為若干個(gè)專題，如太陽房、太陽能溫室、太陽能干燥、太陽灶、太陽能制冷、太陽能海水淡化、太陽能光伏產(chǎn)品等，以學(xué)生自主挑選小課題講授和討論為主。這樣采用教師搭建課程知識之樹的大枝干、學(xué)生自主增添細(xì)節(jié)枝葉的方法，既保證了課程的完整性，又提高了學(xué)生的課堂參與度，培養(yǎng)了學(xué)生自主思考和學(xué)習(xí)的能力。

教師會發(fā)現(xiàn)學(xué)生都有自己感興趣的小課題，通過溝通發(fā)現(xiàn)學(xué)生所想所需，從而能更了解學(xué)生。例如，有的學(xué)生講解了太陽能光伏應(yīng)用中的太陽能路燈，不僅包括它的應(yīng)用，還把太陽能路燈的系統(tǒng)組成和詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖都展現(xiàn)了出來，并且和同學(xué)討論里面的各個(gè)部件是怎么具體運(yùn)作的。有的學(xué)生對太陽能海水淡化技術(shù)感興趣，把太陽能盤式蒸餾器的結(jié)構(gòu)、材料、產(chǎn)水量、效率和優(yōu)缺點(diǎn)等都講得頭頭是道。把大部分課堂時(shí)間交給學(xué)生，可大大提高學(xué)生的課堂參與度，激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣。獨(dú)特的課程安排和教學(xué)形式，在帶給學(xué)生新的課堂體驗(yàn)的同時(shí)，也得到了學(xué)生的諸多好評，使得本來枯燥乏味、一成不變的課堂教學(xué)形式變得豐富多彩，同時(shí)促進(jìn)了教師和學(xué)生的有效溝通，開闊了學(xué)生的視野。

三、總結(jié)

本文主要介紹了新工科建設(shè)背景下筆者對“太陽能利用技術(shù)”課程進(jìn)行的教學(xué)改革與嘗試，通過“注重跨學(xué)科相關(guān)專業(yè)知識的導(dǎo)入，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣;緊跟太陽能技術(shù)發(fā)展前沿，建設(shè)教學(xué)資料;把課堂交給學(xué)生，增強(qiáng)學(xué)生主觀能動性”等方法，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。今后將在原有教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，始終以培養(yǎng)創(chuàng)新型、跨學(xué)科、具有綜合能力和創(chuàng)新精神的卓越人才為教學(xué)目標(biāo)，不斷豐富課程內(nèi)容，繼續(xù)探索、完善教學(xué)方法，提升教學(xué)效果，使學(xué)生對太陽能利用技術(shù)具有全面且清晰的認(rèn)識，為普及太陽能利用相關(guān)知識，推動學(xué)生繼續(xù)深造和職業(yè)發(fā)展，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Discussion on the Teaching of Solar Energy Utilization Technology Course under the Background of “Emerging Engineering Education”

MA Ting-ting1， MENG Li2， LI Sen1， WANG Xiao-bing1， LIU Hong1

（1.School of Petroleum Engineering， Changzhou University， Changzhou， Jiangsu 213100， China;

2.SUMEC Group Corporation， Nanjing， Jiangsu 210000， China）

Abstract： Under the background of “emerging engineering education” construction， the current teaching problems of the newly developed course of Solar Energy Utilization Technology such as the lack of interdisciplinary related professional knowledge， the poor applicability of teaching materials， and the singleness of teaching method， are analyzed in this paper. Some new teaching reform methods which have achieved good teaching effect are also put forward. These teaching reform methods include paying attention to the process of interdisciplinary related professional knowledge introduction to improve students' interest; keeping up with the frontier development of solar energy technology development and constructing teaching materials; leaving more class time to students to enhance their subjective initiative.

Key words： “emerging engineering education”; Solar Energy Utilization Technology; innovative talent; interdisciplinary; teaching reform