“双碳”背景下能源动力课程教学改革的探索

［摘 要］ 在“双碳”目标下，绿色低碳已成为我国能源技术创新的主要方向，各高校在能源动力类人才培养的改革上，还面临诸多挑战。实践证明，利用“互联网+”教育及工程项目深度融合的混合教学模式，是能源动力类课程教学改革的有效措施。通过整合MOOC及SPOC线上优质教学资源，重构传统教学内容，可以显著优化学时分配。借此引入工程项目式教学环节，将数值模拟技术融入教学，既培养了学生的科学创新思维，又提高了学生对工程问题的认知度、团队协作和沟通能力。

［关键词］ 混合教学；SPOC；项目式教学；数值模拟

［基金项目］ 2022年度燕山大学课程改革项目“‘内燃机排放与控制’课程SPOC混合式教学改革的探索与实践”（2022XJJG006）；2021年度燕山大学课程思政示范教学改革项目“内燃机排放与控制”（2021KCSZ003）

［作者简介］ 王 强（1988—），男，黑龙江哈尔滨人，工学博士，燕山大学车辆与能源学院讲师，主要从事内燃机排放控制研究；许玉婷（1989—），女，黑龙江哈尔滨人，工学博士，中国海关管理干部学院副研究员（通信作者），主要从事新能源图像识别与人工智能研究；张 亮（1983—），男，山东淄博人，工学博士，燕山大学车辆与能源学院副教授，主要从事热能工程研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）45-0113-04 ［收稿日期］ 2023-09-18

自2020年9月我国提出“双碳”战略目标以来，能源与动力专业领域迎来了新一轮的能源改革。随之而来，针对高等院校发布了一系列政策，如2021年7月，教育部发布《高等学校碳中和科技创新行动计划》［1］；2022年4月，教育部印发《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》［2］。如何在满足动力的条件下实现减碳，是能源动力产业链所面临的全新的机遇与挑战。绿色低碳的能源转型已成为能源行业的主要发展方向，特别是在传统化石能源清洁高效利用、新能源开发利用、大规模储能技术开发、先进能源装备关键材料研发等方面。随着社会各界对实现“双碳”寄予的殷切期盼，高校在人才培养方面也亟须做出适应性的教学改革。

一、存在的问题

能源动力类专业课程还存在诸多问题需要解决。一方面，国内外先进的技术成果不断迭代更新，导致传统教材、参考资料等线下资源已无法及时匹配前沿知识，造成学生对专业内新理论、新技术学习的滞后性愈发显著。对此，需进行课程改革，如基于MOOC+SPOC的混合式教学，以实现课程资源的整合与利用。另一方面，由于高校在工程类人才培养中追求教授知识的多元化，会在培养体系中增设新能源相关的新课程，如“燃料电池技术”“氢能利用关键技术”等，造成每门课程的学时都会不同程度地被压缩。在学时压缩与前沿知识引入的双重要求下，各课程亟须重塑课程内容，科学合理地分配学时，尝试将部分内容移至线上教学平台。

值得一提的是，由于高校专业间的差异性，不同于化工类、电工电子类课程，能源专业如热能工程、动力机械等方向的研究对象（如锅炉、发电厂、换热器、离心泵等）的几何尺度大、模型复杂、系统特征抽象，导致学生仅通过阅读教材无法深入理解，更无法直接做出实物。即使教学资源已更新为视频形式，学生对课程内容的工程认知度仍然欠缺。鉴于此，可通过将数值模拟技术融入教学的方式，降低学生对工程问题的认知负荷。

综上，高校能源类课程在“双碳”背景下主要面临三方面的问题：（1）国内外前沿技术与传统教材资源不匹配而造成的知识学习滞后性；（2）学时压缩与新内容引入在教学时间分配上的矛盾性；（3）能源类专业课对象复杂导致了学生在工程认知度方面的不足。为解决上述问题，本文提出依托线上MOOC及SPOC优质资源及平台工具，重构教学资源，并在项目式教学中融入数值仿真技术的教学改革方法。通过教学实践证明，上述改革方式能提高学生对专业知识学习的广度与深度，解决教学时长与教学内容的矛盾关系，为能源动力类课程教学模式的转型及人才培养模式的革新提供借鉴。

二、MOOC+SPOC混合教学模式重构

“内燃机排放与控制”是诸多高校在动力工程及工程热物理方向的专业限选课，本文以该课程为例进行教学改革的探索与实践。该课程建立在数学、物理学、工程化学、燃烧学及控制工程等基础上，可以有效拓展能源与动力工程专业动力机械方向学生的专业知识面。同时，学生通过学习本课程能够对当代环境污染与保护的现状、排放法规进行全面了解，并建立发动机污染物的危害与产生机理的知识体系，是能源动力类的代表性课程之一。

（一）混合式教学模式重构设计

信息技术的高速发展，使“互联网+”学习逐渐成为高校教学中的重要策略手段［3］，高校混合式教学有所发展。依托中国大学慕课（MOOC）平台，创建异步SPOC课程，并将慕课数据同步关联至课程，可以实现线下面授课堂情况与线上自主学习情况的有机统一。“小规模限制性在线课程”（small private online course， SPOC）为教师提供MOOC平台资源的同时，支持教师对线上资源进行扩充、修改，实现更为灵活的“classroom+MOOC”线上线下混合式教学［4］。

根据课程内容及线上资源情况，可安排20%～50%的教学课时实施学生线上自主学习，内容包括汽（柴）油机机内、机外净化技术、内燃机污染物排放原理、我国内燃机创新技术与大国工匠课程思政等。课前“深度预习”，线上推送学习资源，并可将较长的课程思政案例放在线上教学。线下注重知识的讲授与机理剖析，同时基于OBE理念，以慕课堂或学习通等数字化工具检验学生线上线下交互学习的效果。“内燃机排放与控制”课程混合式教学架构如图1所示。

需要指出的是，为避免线上学习流于形式，防止学生出现“挂视频，零观看”现象，应在视频中设计时间节点，嵌入思考题或测试题，并将测试结果纳入课程考核成绩。

在线上完成的内容需要通过线下的活动衔接，如提问和互动讨论的设计，在线下授课课前，须对线上内容进行知识回顾讲解。“内燃机排放与控制”课程SPOC混合式教学已在能源与动力工程专业动力机械班实施两个教学周期，学生对线上线下混合式教学的满意度分别为96.5%、100%。

（二）过程性考核评价体系改革

混合教学模式的引入，须对课程的考核评价体系进行改革，将过程性考核纳入学生的最终成绩评价。在国务院《深化新时代教育评价改革总体方案》的指导下，学生的评价不能仅依赖于期末成绩，还应进行多元化考核。

鉴于MOOC+SPOC教学模式的特殊性，可采用层次化分析法设计学习评价指标，混合式教学模式评价如表1所示。各能源动力类课程可根据线上教学效果、专业知识点的重要性、汇报交流情况、三级项目实践结果，调整并完善评价指标的权重。

三、数值模拟技术融入项目式教学

在课程教学中，项目式教学已日趋成为工科类高校教学改革中较为成熟的手段。教师可以结合课程内容及相关的前沿成果，科学地设计数值仿真案例让学生进一步理解所学理论知识。例如，“内燃机排放与控制”课程中机外净化国VI技术路线普遍采用DOC+DPF+SCR+ASC的方式。如图2所示的颗粒物捕集器（DPF），传统教学中，学生对这些关键设备的学习仅停留于电子课件、观看视频、背诵识记化学方程式的层面。然而，对颗粒物PM的捕集过程、工程化所面临的问题、参数效应的影响规律等，均缺乏深入理解。此时，可将典型设备的数值模拟过程及结果融入教学，让学生利用CFX、Matlab或COMSOL等工具软件，在项目中学习并掌握柴油机机外净化关键设备的结构、机理、研究方法，并从中探索发现技术创新的可能性，培养学生的科学思维与工程能力。学生通过数值计算获得仿真结果，如烟灰动态氧化时多孔膜处C的切面浓度（如图3）、流体在DPF通道内的速度分布（如图4），更加直观地了解壁流式颗粒物捕集器的结构组成，全面掌握深床过滤与颗粒层过滤的过程与机理。

数值仿真一般在课程的三级项目中开展，学生对能源动力系统及设备理解起来也更加容易［5］。同时，学生通过数理建模、模拟计算、结果分析的数值仿真过程，明确了解决工程实际问题的流程与方法。教学资源分配上，教师亦可结合SPOC及慕课，将仿真软件使用的教程、案例、视频放置于线上平台，线下课堂教学环节上则进行答疑讲解，实现线上线下混合项目教学模式。

教师须提前将学生分组，并将仿真内容分解为若干子课题，让学生以团队形式进行实践研究。在小组中，学生的沟通能力、团队协作能力也得到了锻炼，如颗粒物捕集器三维建模、初始及边界条件的确定、计算过程的参数设定、结果分析评价、报告撰写与汇报等，均须学生以协作方式完成。最终的考核可采用抽签方式确定汇报顺序，要求学生给出完整的项目报告。

从教学效果上，学生至少掌握了一项工程问题分析工具软件，创新思维得到了培养。2021年1小组学生基于子课题学习内容，组队参加节能减排大赛获校级一等奖，1名学生以课题三级项目内容为基础开展本科毕业设计，获燕山大学优秀毕业论文。

由于能源动力类专业研究对象的复杂性，很难结合实验广泛地开展教学。因此，数值模拟在能源动力类课程中的推广改革将是提高教学质量的重要手段。若在各类课程中合理使用，不仅有利于增强学生对工程实际的理解，还为其他培养环节如创新创业项目、学科竞赛、课程设计、毕业设计的开展奠定了坚实的基础。

结语

高校能源动力类课程在适应“双碳”目标背景下的课程改革势在必行，利用MOOC+SPOC、学堂在线等“互联网+”教学手段进行混合式教学，有望成为教学模式变革的有力措施。学时的合理分配，教学资源的重新建构，以及最近技术迭代成果的融入，是混合式教学改革成功的关键。高校各类能源动力相关课程，应根据专业内容特点、教师信息化能力、学生学情科学地制订教学方案。数值模拟技术融入教学，对能源动力类课程教学质量的提升尤为显著，相关的教学资源应适当分配到线上平台，学生的科学创新思维能力、工程研究能力以及团队协作能力在教学改革后能得到充分锻炼。

参考文献

［1］教育部.关于印发《高等学校碳中和科技创新行动计划》的通知：教科信函〔2021〕30号［A/OL］.（2021-07-29）［2023-08-15］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/moe_784/202107/t20210728_547451.html.

［2］教育部.关于印发《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》的通知：教高函〔2022〕3号

［A/OL］.（2022-05-07）［2023-08-15］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202205/t20220506_625229.html.

［3］刘佳佳，王雅涵，孙祥栋.“互联网+教育”时代高校线上与线下教学深度融合研究［J］.教育教学论坛，2023（26）：136-139.

［4］吴美玉，易祯，王聿良.MOOC+SPOC混合教学模式重构研究［J］.教学研究，2019，42（6）：80-85.

［5］张静，陈先培.将数值模拟融入泵与风机课程中的教学改革［J］.大学教育，2020（11）：101-103+108.

Exploration and Practice of Hybrid Educational Reform in Energy and Power Courses under the Background of the “Double Carbon” Strategy： Taking the Course of Emission and Control of Internal Combustion Engine as an Example