“生物能源技术”课程体系与新型教学模式构建

［摘 要］ 在国家“双碳”目标背景下，“生物能源技术”作为北京航空航天大学能源与动力工程本科专业的专业课程，是学生能源知识体系构建中的重要一环。“生物能源技术”课程具有知识结构分散且内容繁多，学科交叉性、技术难度高等特点，学生学起来枯燥且吃力。介绍了课程团队通过开展课程思政、翻转课堂与研讨式教学、案例式教学等方法，激发学生内在学习动力，提升教学效果，为能源动力类及其相关工程专业课程教改提供了一些借鉴。

［关键词］ 生物质能；新能源；能源动力；课程教改

［基金项目］ 2022年度北京航空航天大学教改项目“‘双碳’目标下‘生物能源技术’课程教学改革与探索”

［作者简介］ 梁 洁（1986—），女，山东冠县人，博士，北京航空航天大学能源与动力工程学院副教授，主要从事生物液体燃料研究。

当今世界，第四次工业革命汹涌来袭，社会变革日新月异，而能源作为推动工业革命和社会发展的“动力”，正经历从传统化石能源向生物质能、太阳能等新能源的快速变革中。传统化石能源面临资源枯竭、环境污染等问题，而生物质能作为一种可再生能源，其富存量仅次于煤炭、石油和天然气。据估算，地球每年生产的生物质在1 500亿吨～1 750亿吨，生物质能约为世界总能耗的10倍，因此开发和利用生物质能成为当今各国的重要议题。2020年美国能源部计划在2020至2025年间投入9 700万美元用于支持生物能源研发项目，涉及生物燃料工艺、生物质能源转化等7个技术领域。我国作为能源消耗大国，石油、天然气等化石能源长期依赖进口，能源安全长期受制于人。历史的经验告诉我们，能源革命的根本在于科技发展，而科技发展依靠人才，因此我国要想占领新能源领域的制高点，就需要培养一批生物质能领域的拔尖创新人才。

北京航空航天大学能源与动力工程学院作为我国能源领域拔尖创新人才的摇篮之一，紧跟国家能源转型重大战略需求，面向三年级本科生开设了“生物能源技术”课程。课程内容包括生物沼气技术、生物乙醇技术、生物质热解和气化技术以及生物航空燃料等多个部分。该课程作为学生掌握生物质能转化和利用技术的核心课程，对能源动力类专业学生知识体系构建尤为重要。在实际教学中，该课程存在知识体系繁杂、多学科背景交叉、装置设备复杂抽象等一系列难点。因此，需要对课程知识体系梳理与升级，同时构建新型教学模式，提升“生物能源技术”课程的教学效果与质量。

一、“生物能源技术”教学现状与难点

生物能源技术作为一门多学科交叉、知识体系复杂的专业课程，在实际授课过程中存在课程内容枯燥、教学方法单一等问题。

（一）课程内容枯燥抽象、教学素材形式单一，缺少形式丰富的教学案例及前沿知识

“生物能源技术”课程涉及的知识面非常广，且学科交叉性强，涉及生物、化学、材料、力学等各个方面。传统的教学方式仍然以教师讲述知识点为主，内容枯燥抽象、教学素材形式单一，学生学起来晦涩难懂，缺乏兴趣。如何在课程中通过影像、声音等现代化媒体手段将生物能源技术的工艺流程及关键细节趣味化地呈现给学生，激发学生的学习热情，是课程内容改革的重点。

“生物能源技术”还是一门注重理论联系实际的课程，不仅要学习理论课程，还要掌握生物质能生产中涉及的设备、工艺、生产过程等。以第二代生物乙醇为例，其工艺流程包括生物质的预处理、纤维素酶的生产、酶解和发酵等。工艺系统中涉及的反应器及内部反应过程难以向学生直观描述。如果只是照本宣科介绍一些概念知识，学生的知识面和视野就会变窄。因此，需要建立一个丰富的课程教学案例库，对章节中涉及的设备、工艺、企业等，以案例的形式融合讲述，这样不仅降低知识点学习的难度，还能提高学生学习的兴趣和效率。

生物质能具有鲜明的时代特色，“生物能源技术”这门课程也须紧跟研究前沿，不断更新课程内容。如何使教学内容紧跟科学发展，加快课程内容的“新陈代谢”，是该课程教改需要解决的难点之一。

（二）课程教学方法传统，缺少激发学生内在学习动力的新式教学方法

受当前教育大环境的影响，“生物能源技术”的课堂教学多以教师传统讲解为主，学生在课堂上只能“填鸭式”接受。教师为保证理论知识的完整性，易陷入照本宣科式教学的误区，加上课程PPT翻页速度较快，学生对一些关键知识理解不足，如此课程授课方式，导致学生相关知识掌握不牢，脑中建立的知识体系单一，从而偏离了以学生为中心的教学理念与培养目标。这种教学模式在实际操作过程中，只是完成了教师的“教”，忽略了学生的“学”，严重限制了学生的主动思考和创新意识，使学习效果不够理想。因此，亟须发挥丰富的线上线下教学资源，将形式新颖的翻转课堂、研讨室教学等方法应用到“生物能源技术”课程教学中。通过组织各种研究小组、学术讨论班等激发学生内在学习动力。

围绕上述教学过程存在的难点，拟结合课程思政的发展趋势以及能源动力类专业教学要求，针对“生物质能源技术”的教学模式进行实践创新，为培养新能源领域的领军人才奠定基础。

二、“生物能源技术”课程知识体系升级

为提高“生物能源技术”课程教学质量，强化学生对生物能源的认识，本教改紧紧围绕新时代能源动力专业人才培养需求，建立系统完善的课程知识体系。首先，结合能动专业特色，完善课程思政工作体系。其次，针对教学内容进行升级改造，丰富教学素材，紧跟研究前沿。最后，通过课程案例库建设，将零散知识点整合，让学生形成系统的生物能源技术知识体系，提升育人成效。

（一）课程思政建设

落实立德树人根本任务，必须将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体、不可割裂。全面推进“生物能源技术”课程思政建设，寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观和价值观，这是能动专业人才培养的应有之义和必备内容［1］。生物质作为唯一的含碳清洁可再生资源，生物质能的开发不仅紧密贴合我国“双碳”目标和能源中长期发展规划，同时也有利于生态文明建设。在“生物能源技术”教学中，从我国能源结构绿色低碳转型着眼，在相关章节穿插《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》，以及《“十四五”可再生能源发展规划》相关政策内容，增强学生学习生物质能源的主观能动性及现实意义认知，引导学生有目的性、有责任感地学好本门课程，从而将社会主义核心价值观内化为精神追求、外化为自觉行动。根据能动专业的特色与优势，将家国情怀、文化素养、人格养成等思政内容与“生物能源技术”课程教育深度融合，有助于推动价值塑造、知识传授和能力培养的多元统一。

（二）课程知识体系升级

“生物能源技术”课程内容包含生物质的生物化学和热化学转化制取气体、液体和固体燃料的基本原理和方法，以及相关的生产工艺、设备和技术。因此，该课程具有两个鲜明的特点：（1）课程内容更新迭代快。生物质利用技术是当前研究的热点，新的技术不断涌现，传统教材中却有许多已经不适用当下生产的老旧方法、工艺等，需要及时对课程内容更新升级。（2）理论联系实际强。课程内容更加强调学生的实验、实践等动手能力，单纯的理论知识传授无法满足课程需要。

“生物能源技术”是一门知识点细碎零散、技术工艺不断更新的课程。我校以《生物质能源技术与理论》为主要教材。该教材全面系统地介绍了多种生物能源技术的基本原理、工艺流程和发展趋势。除去该教材外，授课教师通过查阅最新文献、参加学术会议等，及时补充最新技术，这种经典教材+研究前沿的融合模式，实现了课程知识体系的及时升级。该模式需要任课教师对生物质能源转化及利用有深入的理解，同时还要及时关注最新研究和行业动态，将前沿技术和生产工艺融入课程知识体系之中。这就要求教师必须实时拓展自己的知识储备，通过关注前沿文献，参加国内外学术会议，走访生产企业，寓教于学，不断丰富自身在生物能源技术方面的知识积累。

此外，邀请生物能源领域知名专家学者前来授课或讲座等，拓宽学生的学科视野，使学生与专业领域内的大师直接面对面交流，让学生不仅能及时掌握最新的研究动态与前沿技术，也能提高对课程的兴趣，同时对未来研究生阶段的专业研究也起到很好的奠基作用。

“生物能源技术”是一门强调实验和实践操作的课程，生物质能源转化原理与工艺流程贯穿于整个学习过程。不同于传统的示范性、演示性和验证性的实验课，本门课程的实验课在强调基本实验操作的基础上，要求学生学会反思实验过程并对实验结果进行讨论，培养学生独立思考、综合分析、科学思维以及创新能力。本课程还引入“大实践课”概念，鼓励学生学以致用，将课堂内容进一步应用到大学生创新训练项目和学科竞赛中，作为学生未来科研实践的引入口，全面提升学生综合素质。

（三）课程案例库建设

“生物能源技术”课程知识点具有散、难、广的特点，课程知识体系相对松散，部分知识点抽象难理解，多学科综合交叉，不利于学生的学习。基于此，课程团队针对生物能源技术各知识模块建立案例库，通过具体案例将知识点串联起来，并引入微视频和虚拟仿真等技术，让学生对复杂的生产工艺有更形象的认识和更深入的理解。例如，以3MW生物质气化炭电联产项目为案例，通过引入工程实践场景，使学生带着真实任务进入学习情境。根据项目要求，利用Aspen建立工艺系统，在此过程中可深入了解气化系统和燃气锅炉及汽轮发电机组各个部件及相关功能，以及热解气化关键技术。在工程案例中，还涉及项目综合能耗分析及污染物排放控制等问题，很好地展示了生物质热解气化的基本原理及技术。

团队发挥北京航空航天大学国家级虚拟仿真实验软件平台作用，对课程中的复杂案例进行3D场景仿真模拟［2］。生物质能源转化过程通常涉及多个大型的生产设备，且工艺流程复杂。相较于实际操作，虚拟仿真实验可以节省大量的时间、物力、人力等成本。针对实际生产过程中可能出现的故障甚至事故，鼓励学生自行优化工艺系统或流程，培养学生解决复杂工程问题的能力。此外，3D动态虚拟现实模式还能提高学生的学习兴趣和教学效果。

三、“生物能源技术”新型教学模式构建

（一）翻转课堂与研讨式教学

教学活动是教师的“教”和学生的“学”组成的双主体活动，“教”起引导作用，“学”是活动的中心，二者有机结合形成完整的教学过程。传统的教学过程以教师对书本内容的讲解为主，重点放在了教师的“教”，而忽视了学生的“学”。这不仅难以激发学生学习的兴趣，也因在教学过程中缺乏师生互动，使学生对课程的学习仅停留在书面文字，无法充分理解和运用。翻转课堂和研讨式教学更加强调学生的“学”，以学生学到为目的，而非教师教到为终点，真正将“教”与“学”有机融合［3］。

“生物能源技术”课程团队创新性地提出“问—学—研—练—导—总”六步教学法，以问题驱动为导向，以小组讨论的形式，开展翻转课堂与研讨式教学。“问”即教师提出问题，比如生物质能生产中某个工艺出现的问题。“学”即学生学习，针对教师提出的问题，通过书本知识、查找文献、网上搜索等各种途径学习相关知识。“研”即小组研讨，小组成员根据各自习得的知识，组织研讨，对教师的问题形成初步解决方案。“练”即课堂演练，各小组将本组的方案在全班进行汇报演练，从而锻炼学生的学术汇报能力。“导”即教师指导，教师对学生汇报过程中出现的问题进行正确的引导。“总”即过程总结，学生对整个学习过程进行总结，形成总结报告，进一步提升学生总结凝练的能力。通过完整的“问—学—研—练—导—总”六步教学，真正实现了教学重心从教师的“教”向学生的“学”转变，充分体现了以学生为中心的现代教育思想，大幅提高了学生在授课过程中的参与度，提升了学生主动思考和解决问题的能力。

（二）案例式教学模式探索

充分发挥团队建设的生物能源技术案例库作用，探索案例式教学模式，通过生产实践中的具体案例，将原本松散的知识点有机串联，形成知识体系。与传统“填鸭式”教学方式不同，案例式教学通过教师给出具体的案例，让学生进行研究分析，在教师的指导下，运用多种方式启发学生独立思考，进一步增强学生的分析、判断以及解决问题等能力［4］。这种教学方法将复杂的理论用生动、具体的案例方式进行阐述，增加了教学的真实性，提升了学生学习兴趣，增强了学生对课程基本知识的理解，提高了教学效果。

当今教育已经从以知识传授为中心转向以开发学生的思考能力为中心。案例式教学以开放的方式，让学生根据具体的案例，就复杂多样的情景，分析每个因素的影响作用，给出科学合理的判断和决策，这极大增强了学生分析问题和解决问题的能力，激发了学生的创新能力，真正做到了既“授人以鱼”，更“授人以渔”。