案例式教學(xué)在新能源專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：“新能源開發(fā)與環(huán)境”是我校新能源專業(yè)的必修課，該課程講授地?zé)崮?、非常?guī)氣體能、太陽能、風(fēng)能和核能等一系列新能源的基本性質(zhì)、開發(fā)方法和相應(yīng)的環(huán)境問題。與傳統(tǒng)能源類課程相比，新能源類課程的主要特點體現(xiàn)于“新”，即一些新能源的開發(fā)仍然處于探索階段，沒有成熟的理論體系與技術(shù)方法，這給該類課程的講解帶來極大的難度，一般體現(xiàn)于教師講授難和學(xué)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(xué)應(yīng)用于課程的教學(xué)中。實施過程中，先將新能源開發(fā)實踐中的恰當(dāng)案例加入課程教學(xué)內(nèi)容，進而對案例進行講解，使學(xué)生能夠更加直觀地學(xué)習(xí)、加深理解，并能夠達到樹立專業(yè)發(fā)展信心和培養(yǎng)愛國主義精神等目的。

關(guān)鍵詞：案例式教學(xué)；教學(xué)改革；新能源專業(yè)；新能源開發(fā)與環(huán)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(jié)構(gòu)中，煤炭和石油等傳統(tǒng)能源目前仍然占支柱地位，但傳統(tǒng)化石能源日益減少，尋找接替能源勢在必行。另外，傳統(tǒng)化石能源帶來的環(huán)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(xiàn)碳中和。在這些背景下，新能源專業(yè)迎來了良好的發(fā)展契機。

目前，許多高校新增了新能源專業(yè)，并規(guī)劃了相應(yīng)的課程體系。新能源類課程的主要特點體現(xiàn)于“新”，即一些新能源的開發(fā)仍然處于探索階段，沒有成熟的理論體系與技術(shù)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(fā)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(xué)，會有助于豐富教學(xué)內(nèi)容，完善教學(xué)方法，提高教學(xué)效果。案例式教學(xué)起源于哈佛大學(xué)，其在法學(xué)院和商學(xué)院等課程中開始應(yīng)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(xué)在我國高等教育的不同專業(yè)課程中得到廣泛的應(yīng)用［16］。下面我們以“新能源開發(fā)與環(huán)境”課程為例，闡述如何恰當(dāng)、合理地利用案例式教學(xué)。

一、“新能源開發(fā)與環(huán)境”課程介紹

結(jié)合傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科，我校新能源專業(yè)重點聚焦地下新能源，包括地?zé)岷偷叵路浅Ｒ?guī)油氣，課程體系中也包含對傳統(tǒng)新能源（如太陽能和風(fēng)能等）設(shè)計的課程。“新能源開發(fā)與環(huán)境”是我校新能源專業(yè)的必修課，以下介紹該課程的課程目標(biāo)和課程教學(xué)內(nèi)容。

（一）課程目標(biāo)

通過對“新能源開發(fā)與環(huán)境”課程的教學(xué)，達到以下課程目標(biāo)：

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

（2）通過教學(xué)，學(xué)生能夠掌握新能源的基本性質(zhì)，如成因、物性、資源分布等。

（3）通過教學(xué)，學(xué)生能夠掌握新能源的開發(fā)利用方法和開發(fā)利用帶來的環(huán)境問題。

（二）課程教學(xué)內(nèi)容

“新能源開發(fā)與環(huán)境”課程重點講授地?zé)岷偷叵路浅Ｒ?guī)油氣，同時也包括對傳統(tǒng)新能源的講授，課程教學(xué)內(nèi)容模塊和課時分配如下表所示。其中，第四章講授的內(nèi)容包括頁巖氣、煤層氣和天然氣水合物；第五章講授的內(nèi)容包括傳統(tǒng)河流水能和海洋水能。

二、案例式教學(xué)的應(yīng)用

“新能源開發(fā)與環(huán)境”課程講授的主要難點在于內(nèi)容的“新”，即課程講授的一些新能源的開發(fā)仍然處于探索階段。例如，地?zé)釋W(xué)術(shù)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(fā)仍處于試采結(jié)果，這些新能源距離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍有距離，這些會導(dǎo)致教師講解難、學(xué)生理解難。為了提高授課效果，研究將案例式教學(xué)應(yīng)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(xué)質(zhì)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(xué)生易失去興趣。講授的內(nèi)容若引入生動、形象的典型代表案例，則可吸引學(xué)生注意力，使學(xué)生能夠加深對理論知識的理解，舉例如下。

能源的開發(fā)利用可能造成環(huán)境污染問題是學(xué)生皆知的，但污染的后果到底是什么，嚴重程度有多大，學(xué)生可能并無概念。在講解該部分內(nèi)容時，引入恰當(dāng)?shù)牡湫桶咐兄趯W(xué)生直觀地理解。比如，可以借助案例闡述水能開發(fā)利用可能帶來的環(huán)境問題，包括：大壩工程可能造成沿河流域可耕地土質(zhì)肥力持續(xù)下降；庫區(qū)水的大量蒸發(fā)也會導(dǎo)致水質(zhì)變化等。通過在課堂加入案例講解，學(xué)生能夠更加直觀、具體地認識到能源開發(fā)利用帶來環(huán)境問題的嚴重性。

（二）啟發(fā)性案例

開發(fā)新能源需要長期的探索，把一種新能源的開發(fā)過程整理成案例進行講解，有助于啟發(fā)學(xué)生對新能源開發(fā)的思考。比如，在講解頁巖氣時可將美國頁巖氣發(fā)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(yè)性的頁巖天然氣井，其深度達到了約8米，這一開創(chuàng)性的工作被廣泛認為是頁巖氣資源的首次發(fā)現(xiàn)。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(fā)現(xiàn)了全球首個頁巖氣田——BigSandy。

在20世紀(jì)70年代后期至20世紀(jì)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(gòu)等單位的合作，共同致力于非常規(guī)天然氣的評估和開采技術(shù)研究。其中，針對頁巖氣的勘探和開發(fā)，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(biāo)主要聚焦在兩方面：一方面，研發(fā)高效和環(huán)保的開采技術(shù)，以便更好地尋找并生產(chǎn)頁巖氣；另一方面，通過減少儲量規(guī)模的不確定性，為私有企業(yè)大規(guī)模開發(fā)頁巖氣資源提供必要的激勵和信心。在具體執(zhí)行上，該項目設(shè)定了以下三個主要目標(biāo)：一是準(zhǔn)確評估天然氣地質(zhì)資源和經(jīng)濟可采資源量，為決策提供數(shù)據(jù)支持；二是建立針對勘探目標(biāo)的勘探原理，為實際操作提供理論指導(dǎo)；三是研發(fā)并優(yōu)化低成本的開采方法，以提高開采效率和經(jīng)濟效益。為實現(xiàn)這些目標(biāo)，項目組開展了以下幾項主要研究工作：首先，整合多種數(shù)據(jù)，全面評價技術(shù)進展和環(huán)境問題等；其次，通過建立描述泥盆紀(jì)頁巖區(qū)資源的數(shù)據(jù)庫，制定勘探基本原理，以期開發(fā)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(shè)備開發(fā)，提出新的診斷工具、儲層動態(tài)預(yù)測和的增產(chǎn)方法能力。此外，項目組還致力于生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)，提出有效的增產(chǎn)方法，以驗證其在油田中的實際應(yīng)用效果。在這一過程中，開發(fā)了包括泡沫壓裂、井下視頻技術(shù)、大型水力壓裂、定向鉆井以提高生產(chǎn)能力、隨鉆電磁測量以及二氧化碳壓裂處理等關(guān)鍵技術(shù)。

這些技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用為頁巖氣的開采提供了有力支持，推動了頁巖氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。在1981年至1998年期間，Mitchell能源公司在FortWorth盆地進行了持續(xù)不斷的探索與試驗，通過綜合應(yīng)用水平井和水力壓裂技術(shù)，該公司最終實現(xiàn)了Barnett頁巖氣的規(guī)模化商業(yè)開發(fā)，為頁巖氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(fā)領(lǐng)域所做出的杰出貢獻。進入21世紀(jì)以后，隨著水平井鉆井技術(shù)的不斷進步，美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)迎來了飛速發(fā)展的黃金時期，特別是Barnett頁巖氣田的年產(chǎn)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(xiàn)了驚人的25倍增長。在Barnett頁巖氣田成功開發(fā)的示范效應(yīng)下，美國全國的頁巖氣勘探與開發(fā)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(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，還形成了六大主要的頁巖氣產(chǎn)區(qū)。這一成功的案例充分展示了理論技術(shù)創(chuàng)新與進步在推動頁巖氣勘探開發(fā)方面的關(guān)鍵作用和主要動力?？萍歼M步在頁巖氣革命中的作用包括：（1）堅持不懈的基礎(chǔ)地質(zhì)研究孕育這場頁巖氣革命；（2）水平井和水力壓裂技術(shù)的進步促成了革命成功。通過對該案例的講解，學(xué)生能夠認識到開發(fā)新能源的一些關(guān)鍵問題，啟發(fā)思考。

（三）科學(xué)研究案例

由于新能源開發(fā)具有“新”的特點，許多相關(guān)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(xué)研究整理成案例進行講解，可以幫助學(xué)生更加深刻地思考問題，探索現(xiàn)象背后的科學(xué)原理。比如，在講解煤層氣開發(fā)時，可以講解超臨界CO2聚能壓裂開發(fā)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(wǎng)狀裂縫。通過該案例講解，學(xué)生可以認識到新技術(shù)對新能源開發(fā)的重要性。

（四）科技前沿案例

新能源開發(fā)與利用是研究熱點，新的突破不時出現(xiàn)。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(chuàng)造了我國可控核聚變實驗裝置運行新紀(jì)錄，技術(shù)水平居國際前列；2023年5月中下旬，全球首次海上風(fēng)電無淡化海水原位直接電解制氫技術(shù)海上中試在福建興化灣海上風(fēng)電場獲得成功。

結(jié)語

結(jié)合“新能源開發(fā)與環(huán)境”課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)難點，研究將案例式教學(xué)用于課程教學(xué)，從而提高課程教學(xué)效果。通過收集整理不同類型的案例，如典型代表案例、啟發(fā)性案例、科學(xué)研究案例和科技前沿案例，并將案例加入課堂教學(xué)，通過對案例的講解，學(xué)生能夠更加直觀地學(xué)習(xí)知識，加深理解，并能夠達到樹立專業(yè)發(fā)展信心和培養(yǎng)愛國主義精神等目的。

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基金項目：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2023年本科教育教學(xué)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(fā)與地下儲能。