绿色低碳转型背景下“能源化学”课程教学方法探索与实践

［摘 要］ 在能源结构绿色低碳转型的背景下，培养创新型人才至关重要。针对支撑毕业要求的重要基础课程“能源化学”，遵循OBE理念反向设计课程教学目标，并在授课过程中，根据课程特征，强化学科间基础理论的交叉，重视理论与工程应用的有机融合，结合科技及产业前沿，培养学生的创新思维能力。丰富教学手段和考核方法，多采用开放式课堂，引导学生积极进行独立思考；同时，注重科研的引领作用，突出课程思政的德育效果，提升学生的综合能力，为能源产业的绿色低碳转型服务。

［关键词］ 能源化学；创新思维；OBE理念；绿色低碳转型

［基金项目］ 2022年度云南省教育厅课程思政教改项目“‘工程热力学’思政教育—科研训练—学科竞赛互动模式的创建与实施”（9200246801745540192）；2023年度中国高等教育学会高等教育科学研究规划课题“能源动力类‘一带一路’新工科虚拟教研室建设研究”（23WL0401）；2023年度云南省教育厅本科教育教学改革项目“‘双碳’背景下能源动力类专业人才培养模式的探索与构建”（JG2023013）

［作者简介］ 李东方（1984—），男，河南新乡人，博士，昆明理工大学冶金与能源工程学院特聘教授，主要从事能源与动力工程研究；祝 星（1984—），男，湖北黄冈人，博士，昆明理工大学冶金与能源工程学院教授（通信作者），主要从事能源与动力工程研究；李舟航（1988—），男（回族），云南宣威人，博士，昆明理工大学冶金与能源工程学院教授，主要从事能源与动力工程研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）01-0133-04 ［收稿日期］ 2023-09-14

能源产业是我国经济发展的重要基石，同时也是国家安全的关键保障。随着我国“双碳”战略的持续推进，能源产业的绿色低碳转型进一步加速，并取得了举世瞩目的成就。2022年，全国累计发电装机容量约25.6亿千瓦；其中，水电、风电、光伏的总装机容量占比超过45%［1］。且全国新增发电量中，风电和光伏发电量占比55%以上，首次超过传统能源，使得绿色能源在存量与增量两方面都成为与传统能源旗鼓相当的重要主体。然而，较之于发达国家，我国能源结构对传统化石能源的依存度过高，能源产业的绿色低碳转型进程相对较慢，绿色能源技术发展水平与我国在《“十四五”可再生能源发展规划》中提出的可再生能源“大规模、高比例、市场化、高质量”的发展要求存在较大的差距。较之于能源产业的绿色低碳转型对高端人才的需求，能源领域的人才培养在质量和数量上均存在巨大缺口。在这样的背景下，充分发挥高校在人才培养中的主体作用，强调高校相关专业对学生综合能力的培养已经迫在眉睫，此举也是面向能源产业乃至整个社会绿色低碳转型的长远之策。

昆明理工大学能源与动力工程专业作为我国西南地区能源领域重要的人才培养基地之一，拥有动力工程及工程热物理一级学科博士学位授权点、国家和省级博士后科研流动站以及能源动力博士专业学位授权点，建立了完整的本硕博人才培养体系［2］。同时，组建了教育部“能源动力类专业新工科建设改革虚拟教研室”和工信部“绿色能源—校企协同就业创业创新示范实践基地”等高水平教育平台，涌现出“全国高校黄大年式教师团队”“全国创新争先奖状获奖者”等优秀教师代表。专业坚持科研引领创新型人才培养的教育特色，为我国能源行业的绿色低碳转型、区域经济发展和国家重大能源工程输出了大批优质人才，在地方高校创新型人才培养中起到了良好的示范作用。此外，专业积极探索并实践产出导向教育（Outcome-based Education， OBE）的人才培养模式，以学生为中心，以学习成果为目标导向，对应培养目标和毕业要求，构建并持续优化课程体系，做出了大量有益探索。2022年，能源与动力工程专业通过了中国工程教育专业认证协会的工程教育专业认证评估，标志着OBE人才培养模式的实践取得阶段性成果。

“能源化学”课程是OBE人才培养模式下课程体系的重要组成部分，主要讲授能源领域的基础化学知识及其工程应用，介绍能源化学在化石能源、太阳能、风能、核能、氢能、生物质能等诸多领域的研究现况及发展前景，为学生进一步学习能源与动力工程专业知识、分析及解决相应工程问题提供理论基础。课程注重培养学生对能源领域工程问题的表述及分析能力，并激发学生作为能源人的使命感与责任感。作为一门专业基础课，“能源化学”具有明显的交叉性、创新性，且工程特色鲜明［3］。在授课过程中，针对能源结构绿色低碳转型的宏大命题，依据OBE理念，紧密围绕毕业要求制订教学目标，有机融合理论基础和工程实例，结合快速发展的科技前沿，强调创新性思维，丰富教学手段和考核方法，实现了较好的成果。

一、基于OBE理念的课程教学目标设计

昆明理工大学能源与动力工程专业以学校人才培养定位和社会经济发展需要为基准，制定了本专业的培养目标，并参考工程教育认证通用标准，形成了全面支撑培养目标的12项毕业要求；依据基础知识、应用能力、解决问题能力三个层次，进一步将毕业要求细化为37个具体的、可衡量的观测点，并对每个观测点设计相应的课程与教学环节给予支撑。“能源化学”课程所支撑的毕业要求观测点共有三个，分别为：（1）能将数学、自然科学、工程科学的语言工具用于能源与动力工程领域复杂工程问题的表述；（2）能够根据对象特征，选择研究路线，设计实验方案；（3）能分析和评价能源与动力工程专业工程实践对社会、健康、安全、法律、文化的影响，以及这些制约因素对项目实施的影响，并理解应承担的责任。在三项毕业要求观测点中，观测点（1）强调基础工程知识及工程问题表述能力；在我国绿色低碳转型的背景下，学生不仅要掌握传统常规能源相关的基础化学及工程知识，还要明晰光催化、光电利用、核化学等基础理论及其工程应用，并能够科学地描述能源产业现况、技术发展趋势及面临的瓶颈。观测点（2）注重培养学生工程问题分析及研究能力，使之了解包括化石能源及新能源领域在内的各领域研究前沿；结合我国的“双碳”战略，了解碳捕集、利用与封存（Carbon Capture， Utilization and Storage， CCUS）技术，并能够有针对性地进行分析研究。观测点（3）则强调学生作为能源人的使命感与责任感，要求学生熟悉人类能源利用技术水平的发展过程及其对社会经济、生态环境、国家安全、国民健康的多重影响，认识能源绿色低碳转型命题对人类社会的巨大责任与挑战。

针对以上三项毕业要求观测点，设计了“能源化学”课程的三个教学目标，分别为：（1）了解焓、熵、吉布斯自由能、反应速率等概念，理解热力学第一定律和第二定律，熟悉化学反应的影响因素及重要参数，能够认识并准确描述化学理论在能源转换过程及能源系统中的作用及其重要性；（2）了解不同能源系统中能量转换原理及过程，认识不同能源系统中的主要化学反应及其特征，知晓代表性能源转换设备及其特征，了解国内外研究现况及发展前景，结合文献了解并分析碳减排策略及技术；（3）认识能源对社会经济发展的重要作用，了解各类型能源的生产、转换及储能系统中的主要环境因素及安全因素，理解污染物产生的来源及其控制策略与技术，熟悉能源系统的温室气体排放过程及其影响，认识能源系统设计及运行过程产生的环境和安全问题及相关的保障措施，认识能源工程对社会的影响与责任。以上教学目标是依据OBE理念开展反向设计而得出的，并深度结合了绿色低碳转型命题，构成了课程教学与学生知识能力结构的相互呼应。

二、强化创新思维能力

创新是一个民族进步的灵魂，OBE理念要求培养学生适应未来生活的能力，而创新思维能力恰是未来人才培养的重要乃至必备因素之一［4-5］。“能源化学”作为一门多学科融合的交叉性课程，涉及多领域技术发展前沿，是培养学生创新思维的重要课程之一。在教学过程中，需要重视不同学科基础理论的交叉，强调理论与工程应用的有机融合及协同创新，结合绿色低碳转型，就能源领域产业与科技前沿以及重大议题，引导学生在积极调研的基础上开展独立思考，强化创新思维能力。

针对煤炭、石油、天然气等化石能源的相关章节，重点讲授、讨论化石能源作为燃料在能源领域的应用。除此之外，增加化石能源在化工、材料、冶金等领域的工程应用的相关教学内容，结合石油化工、钢铁等行业的工艺流程以及硅材料、有色金属等云南省优势产业，介绍化石能源在合成氨、高炉炼铁、工业硅、负极材料等领域的应用；引入“原料用能”的概念，介绍可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制的政策，结合理论知识，引导学生分组讨论，针对不同能源行业，从工艺流程和相关的化学反应基础知识出发，界定原料用能的范畴，并围绕国家能源消耗总量和强度“双控”政策以及“双碳”战略，讨论“原料用能”相关政策背后国家发展改革委、国家统计局等有关部门对我国工业绿色低碳转型的深层考量，培养学生基于理论基础的聚合性创新思维能力［6］。在新能源相关章节，介绍不同新能源技术的研究前沿及产业发展现况，结合云南省“绿色能源牌”规划及“风光水火储”协同发展的技术路径，引导学生积极采用演绎思维（deductive thinking）及归纳思维（inductive thinking），探讨我国能源产业发展及转型的大趋势以及所面临的技术瓶颈；要求学生结合文献调研，进一步了解太阳能、风能、生物质能、氢能等不同领域的研究活动，参考国际能源署（International Energy Agency， IEA）等权威机构对能源技术的展望，探讨技术创新对绿色低碳转型的重要支撑作用。就化石能源、氢能、太阳能等在未来可持续能源系统中分别扮演的角色，引导学生采用头脑风暴的方式分组讨论，并结合相关文献（如文献［7］、文献［8］），交互采用聚合思维和发散思维，形成自身观点。

针对绿色低碳转型命题，依据OBE理念，有针对性地将创新思维能力培养渗透进各个章节，并在章节间以开放式命题的形式引导学生对未来可持续能源结构进行独立思考，有效激发学生的学习与创新欲望。

三、丰富教学手段和考核方法

“能源化学”所涉及的知识及产业领域较为广泛，且部分内容对于大部分学生较为陌生，需要丰富教学手段以提升学生的认知和理解水平；同时，遵循OBE理念，采用多样的考核方法，把握学生阶段性学习进程，实现课程的持续改进。

在授课形式上，更多采用开放式课堂，强调教师与学生以及学生之间的交流和讨论；在培养学生工程问题表述及分析能力时，要求学生充分发挥自主学习能力和团队合作能力，分组完成开放式命题的调研及报告，并纳入课程考核。例如，在《氢能》章节，针对氢、氨两种在未来能源产业中重要的储能介质，要求学生明晰二者物理化学性质的异同，引导学生通过文献调研和分组讨论的方式获得各介质的适用场景，并结合PPT口头报告调研及讨论结果。又如，包括CCUS在内的低碳技术是教学重点之一，也是进一步激发学生创新动力、承载学生将创新思维付诸实践的重要内容，需要辅以多元的教学手段。依托冶金节能减排国家重点领域创新团队等国家及省部级科研平台，以参观实验室、与导师交流的方式深入了解科技前沿；尤其在生物质能、氢能、光伏、CCUS、锂电储能等领域，通过了解校内平台的科研方向及成果，提高学生对科技前沿的认知水平，并激发其对科研的向往。以全国及云南省“大学生节能减排社会实践与科技竞赛”等学科竞赛为载体，倡导学生以团队形式参赛，提升自身创新实践能力。

此外，结合教学内容，有机切入思政元素及案例，尤其是科技研发及产业发展的代表性案例，可在深化学生对科技前沿和产业发展趋势的理解的同时，加强学生德育和智育，使之充分认识能源与社会发展、安全健康及生态环境的相互关系，培养其使命感和责任意识。例如，在《太阳能》章节，结合云南省工业硅、单晶硅及光伏发电产业现况，介绍技术进步历程及发展趋势；通过讲解我国光伏技术和产业在困境中突围的发展历史、目前在全球的领先地位和对世界碳减排所做出的巨大贡献，激发学生的爱国主义情怀和社会责任感。

结语

面对绿色低碳转型的宏大命题，“能源化学”课程需要突出学生的创新思维能力培养，并使之切身体会到作为能源人的使命感。依据OBE理念，以学习成果为导向设计教学目标、教学策略及考核方法，突出学生创新思维能力的培养，并积极融入思政元素，激发学生的社会责任感，取得了良好效果，为该课程及相关课程的建设及持续改进提供了参考。