新工科和“雙碳”背景下的“煤礦供電”課程教學(xué)改革探索

來(lái)文豪 李平 顧煜林 朱文松 胡鋒

摘?要：“煤礦供電”是一門具體行業(yè)特色的專業(yè)課程，是電氣專業(yè)知識(shí)在煤礦行業(yè)的實(shí)踐應(yīng)用。課程的培養(yǎng)目標(biāo)是為煤礦企業(yè)培養(yǎng)具有從事電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)能力的專門人才。隨著“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，我國(guó)的電力網(wǎng)絡(luò)將發(fā)生深刻變化，對(duì)電力系統(tǒng)從業(yè)人員的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力有著更高的要求。因此，新工科背景下，從創(chuàng)新和實(shí)踐方面提出“煤礦供電”課程教學(xué)改革措施，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)電力系統(tǒng)從業(yè)人員，以滿足“雙碳”目標(biāo)下煤礦電力系統(tǒng)對(duì)創(chuàng)新人才的要求。

關(guān)鍵詞：煤礦供電；新工科；碳達(dá)峰，碳中和；教學(xué)改革

Exploration?on?the?Teaching?Reform?of?“Coal?Mine?Power?Supply”under?the

Background?of?New?Engineeringand?“Carbon?Peak?and?Carbon?Neutrality”

Lai?Wenhao?Li?Ping?Gu?Yulin?Zhu?Wensong?Hu?Feng

School?of?Electrical?and?Information?Engineering，Anhui?University?of?Science?and?Technology?AnhuiHuainan?232000

Abstract：Coal?Mine?Power?Supply?is?a?professional?course?with?specific?industry?characteristics，which?is?the?practical?application?of?electrical?professional?knowledge?in?the?coal?mine?industry.It?cultivates?specialized?personnel?for?coal?mining?enterprises?with?the?ability?to?engage?in?the?design，operation，and?maintenance?of?power?systems.With?the?realization?of?the?goal?of?"?Carbon?Peak?and?Carbon?Neutrality?"，China's?power?network?will?undergo?profound?changes，and?there?are?higher?requirements?for?the?professional?quality?and?innovation?ability?of?power?system?practitioners.Therefore，the?teaching?reform?measures?of?the?"Coal?Mine?Power?Supply"?course?are?proposed?from?three?aspects?of?curriculum?politics，innovation，and?practice?under?the?background?of?new?engineering.Cultivate?highquality?power?system?practitioners?with?innovative?capabilities?to?meet?the?requirements?of?coal?mine?power?systems?for?talent?innovation?in?the?context?of?"?Carbon?Peak?and?Carbon?Neutrality".

Keywords：coal?mine?power?supply；new?engineering；carbon?peak?and?carbon?neutrality；teaching?reform

1?概述

煤炭作為我國(guó)最主要的能源，其安全穩(wěn)定的供應(yīng)對(duì)我國(guó)的能源安全具有重要意義。在電氣化和智能化的當(dāng)下，煤炭企業(yè)安全穩(wěn)定的用電是煤礦正常開采的前提。“煤礦供電”是一門具體行業(yè)特色的電氣工程課程，涉及煤礦供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電氣設(shè)備基本原理、煤礦用電設(shè)備工作接地和保護(hù)接地方法、短路故障分析和電氣設(shè)備的保護(hù)等。目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生具有煤礦供配電設(shè)計(jì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的分析、比較等能力，以及煤礦企業(yè)供配電系統(tǒng)及礦用高低壓電器設(shè)備在運(yùn)行中一些實(shí)際問(wèn)題的解決能力，為學(xué)生畢業(yè)后從事煤礦供配電技術(shù)、管理工作和終身學(xué)習(xí)打下牢固的基礎(chǔ)。然而，具有不確定性的新能源高比例的并網(wǎng)，電力網(wǎng)絡(luò)將發(fā)生深刻變化，煤礦企業(yè)的安全用電將面臨更大挑戰(zhàn)。

高等教育是國(guó)家培養(yǎng)高級(jí)專門人才和職業(yè)人員的主要教育活動(dòng)，通過(guò)研究進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)新和社區(qū)服務(wù)產(chǎn)生社會(huì)影響來(lái)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工具?？沙掷m(xù)發(fā)展的緊迫挑戰(zhàn)需要?jiǎng)?chuàng)新的教學(xué)方法，以滿足工業(yè)部門的要求以及世界各地人們不斷變化的環(huán)境和社會(huì)需求。在新工業(yè)革命加速發(fā)展的背景下，我國(guó)高等工程教育急需培養(yǎng)一批工程科技創(chuàng)新人才。為提高工程教育質(zhì)量，提出“新型工程研究與實(shí)踐工程”，是主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命的行動(dòng)。并且，隨著“碳達(dá)峰，碳中和”的提出，煤炭在中國(guó)的能源的占比會(huì)逐步降低，然而風(fēng)、光發(fā)電具有隨機(jī)性和不確定性，使得電力的安全穩(wěn)定供應(yīng)必須發(fā)揮煤炭的兜底角色。因此，在此背景下，煤炭的安全穩(wěn)定供應(yīng)更具現(xiàn)實(shí)意義。

煤礦電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行是煤礦企業(yè)穩(wěn)定供電的基礎(chǔ)，需要煤礦電力系統(tǒng)從業(yè)者具有扎實(shí)的理論知識(shí)和較強(qiáng)的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力。針對(duì)新工科背景下國(guó)家對(duì)創(chuàng)新人才的需求，以及“雙碳”目標(biāo)下煤礦供電系統(tǒng)對(duì)創(chuàng)新人才的要求，提出新工科背景下“煤礦供電”課程教學(xué)改革措施，并深挖課程的思政元素，通過(guò)思想政治教育的灌輸將道德內(nèi)化，培養(yǎng)合格的建設(shè)者和接班人。

2?“雙碳”背景下的新型電力系統(tǒng)特點(diǎn)

在2022年中國(guó)的電力結(jié)構(gòu)中，火力發(fā)電占比超65%，而清潔能源風(fēng)力和太陽(yáng)能的發(fā)電占比約為8.6%。為助推“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，國(guó)家發(fā)改委等部門在2022年5月份發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)新時(shí)代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施方案》，要求到2030年我國(guó)的太陽(yáng)能和風(fēng)能的總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦。風(fēng)電和光電受天氣影響極大，未來(lái)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行受到極大的挑戰(zhàn)。風(fēng)力發(fā)電曲線如下圖所示，圖中的數(shù)據(jù)來(lái)自Kaggle，時(shí)間段是2021年的5月15日—6月14日。

風(fēng)力發(fā)電曲線圖

由于風(fēng)力和光伏發(fā)電具有隨機(jī)性和不確定性，其大規(guī)模并入網(wǎng)絡(luò)后，會(huì)引起現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻而廣泛的變化。此外，大規(guī)模的分布式電源的并網(wǎng)，也使得電力網(wǎng)絡(luò)的功率分布和潮流計(jì)算也發(fā)生巨大變化。煤礦企業(yè)的安全穩(wěn)定用電也面臨巨大挑戰(zhàn)，新工科的內(nèi)涵是培養(yǎng)服務(wù)于新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)的具有創(chuàng)新和實(shí)踐能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型人才。在新工科與“雙碳”背景下，需要進(jìn)行“煤礦供電”課程教學(xué)改革探索，以培養(yǎng)服務(wù)于煤炭礦電力系統(tǒng)的專門人才。

3?新工科背景下的煤礦供電課程教學(xué)不足

3.1?課程的教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新不夠突出

煤礦井下供電系統(tǒng)所涉及電氣的知識(shí)較為廣泛，要求從事煤礦供電的工作者不僅要掌握電氣設(shè)備的原理和輸變電系統(tǒng)知識(shí)，具備礦用設(shè)備的短路故障分析能力，而且還要求他們具有扎實(shí)的礦用電氣設(shè)備的保護(hù)、工作接地和保護(hù)接地等知識(shí)。在現(xiàn)實(shí)的“煤礦供電”課程安排上，難以將電氣相關(guān)知識(shí)與煤礦用電設(shè)備有機(jī)地進(jìn)行一體化教學(xué)。由于課程難度大，對(duì)于煤礦電氣設(shè)備故障分析等知識(shí)，授課老師常采用灌輸性的方式進(jìn)行教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生不僅缺乏獨(dú)立思考能力，而且對(duì)學(xué)生在新工科背景下的創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足。

隨著“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的逐步實(shí)現(xiàn)，具有不確定性特點(diǎn)的新能源會(huì)被大規(guī)模地接入國(guó)家電網(wǎng)，將使電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和供電模式發(fā)生巨大變化。傳統(tǒng)的輸變電系統(tǒng)、礦用電氣設(shè)備的保護(hù)等難以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，教材內(nèi)容滯后于新技術(shù)的發(fā)展，亟須具有創(chuàng)新能力和扎實(shí)新型電力系統(tǒng)知識(shí)的煤礦供電工作人才，以保證煤礦企業(yè)在風(fēng)光不確定的高比例新能源并網(wǎng)時(shí)可以安全穩(wěn)定地用電。

3.2?教學(xué)過(guò)程中理論和實(shí)踐相互脫離

煤礦供電的教學(xué)主要是要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到整個(gè)煤礦供電系統(tǒng)的結(jié)線方式、典型結(jié)線、礦用低壓配電系統(tǒng)中性點(diǎn)的不同接地方式、煤礦高壓電網(wǎng)的三相短路計(jì)算、短路電流的效應(yīng)及短路穩(wěn)定性的校驗(yàn)方法、井下保護(hù)接地漏電保護(hù)和過(guò)流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)、煤礦井下高低壓電纜的選擇及其安裝與維護(hù)和煤礦井下的特殊環(huán)境的電氣設(shè)備及其選擇等。對(duì)“煤礦供電”課程教學(xué)改革進(jìn)行系統(tǒng)分析和探究，從中不難發(fā)現(xiàn)，該課程不僅具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，并且知識(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)散亂，知識(shí)點(diǎn)之間不具有較強(qiáng)的邏輯關(guān)系。但是在實(shí)際的“煤礦供電”教學(xué)活動(dòng)過(guò)程中，由于課程知識(shí)面廣、知識(shí)點(diǎn)難度大，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)有所不足。此外，在新工科背景下對(duì)“煤礦供電”課程教學(xué)活動(dòng)的組織規(guī)劃進(jìn)行分析，也可以看出在教學(xué)中的實(shí)踐性不足的問(wèn)題。

4?新工科背景下“煤礦供電”課程教學(xué)改革措施

4.1?優(yōu)化創(chuàng)新培養(yǎng)理念，提升教師創(chuàng)新教學(xué)能力

在“雙碳”背景下，國(guó)家電網(wǎng)已實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略，并提出加快新型電力系統(tǒng)建設(shè)與人才培養(yǎng)政策。因此，在“煤礦供電”教學(xué)改革中需要培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)綠色經(jīng)濟(jì)安全穩(wěn)定發(fā)展需要的高質(zhì)量電力工程技術(shù)人才。無(wú)可爭(zhēng)辯的是，大學(xué)教師的一項(xiàng)關(guān)鍵責(zé)任是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展，是課程改革成功的關(guān)鍵。教師通過(guò)對(duì)日常狀況和經(jīng)驗(yàn)的了解作為他們觀察新改革，教師的信仰、價(jià)值觀、經(jīng)歷和日常挑戰(zhàn)影響和塑造了教師最終賦予“煤礦供電”教學(xué)改革的意義，而教學(xué)改革反過(guò)來(lái)又在他們的接受和課堂實(shí)施中起著至關(guān)重要的作用。“煤礦供電”課程的創(chuàng)新教學(xué)，首先更新教材并提升教師的創(chuàng)新能力，實(shí)施以學(xué)生為中心的方法和促進(jìn)創(chuàng)新的課堂環(huán)境，強(qiáng)調(diào)在創(chuàng)新教學(xué)中使用新的教學(xué)內(nèi)容、工具和方法。教師的教學(xué)創(chuàng)新涉及使用新穎的教學(xué)策略來(lái)滿足學(xué)生的個(gè)性化需求，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高他們的創(chuàng)造力并增強(qiáng)教學(xué)效果。可持續(xù)發(fā)展教育通過(guò)跨學(xué)科方法融入課堂，設(shè)計(jì)多樣化的教學(xué)方法，例如翻轉(zhuǎn)課堂和體驗(yàn)式教學(xué)。

4.2?開展實(shí)踐教學(xué)探索，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐探究能力

從新工科視角對(duì)“煤礦供電”課程教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對(duì)教學(xué)指導(dǎo)體系進(jìn)行改革和優(yōu)化，在教學(xué)實(shí)踐中需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，適當(dāng)?shù)卦黾印懊旱V供電”課程教學(xué)中實(shí)踐教學(xué)的比重，有意識(shí)地結(jié)合“煤礦供電”課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐探究能力和交往合作能力。在具體教學(xué)改革的過(guò)程中，教師結(jié)合“煤礦供電”課程內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)分析，然后在解讀課程教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上結(jié)合新工科背景，重新對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃。將理論和實(shí)踐聯(lián)系在一起，構(gòu)建理論與實(shí)踐教學(xué)平衡化發(fā)展的指導(dǎo)體系，積極參觀現(xiàn)代化模擬的礦井實(shí)訓(xùn)基地和井下供電系統(tǒng)，讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中對(duì)“煤礦供電”課程知識(shí)體系有所了解。在煤礦井下供電安全技術(shù)的教學(xué)中，讓學(xué)生掌握瓦斯和煤塵爆炸的條件、導(dǎo)致爆炸的原因和防治的措施。構(gòu)建理論與實(shí)踐教學(xué)平衡化發(fā)展的指導(dǎo)體系，促進(jìn)學(xué)生對(duì)“煤礦供電”相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，有效鍛煉學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。最后，教師要充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)設(shè)備，模擬井下供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，讓學(xué)生充分利用自身所學(xué)的理論知識(shí)參與實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，幫助學(xué)生打好扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

4.3?以動(dòng)態(tài)調(diào)整為關(guān)鍵，探索教學(xué)內(nèi)容改革

在新工科背景下，定制“煤礦供電”課程與雙碳目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的新大綱、新教案、新課件，落實(shí)課程改革實(shí)踐的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，及時(shí)評(píng)估學(xué)生互動(dòng)和反饋情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)方式方法?！懊旱V供電”課程是一門實(shí)踐性強(qiáng)的課程，一些關(guān)于礦用設(shè)備介紹和操作規(guī)程的知識(shí)單調(diào)乏味，缺乏內(nèi)在邏輯。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入到“煤礦供電”教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣以及學(xué)習(xí)的動(dòng)力，增強(qiáng)課堂的吸引力和趣味性，能提高教學(xué)效率和教學(xué)效果。在現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容中，特別是煤礦電力系統(tǒng)的建模、井下漏電保護(hù)、保護(hù)接地和過(guò)流保護(hù)三大保護(hù)的內(nèi)容的教學(xué)中，結(jié)合高滲透率新能源電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)，增加新能源模型、新能源參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制等相關(guān)內(nèi)容，以二次能源高效轉(zhuǎn)換為重點(diǎn)，加強(qiáng)重型燃?xì)廨啓C(jī)、火電靈活調(diào)峰、智能發(fā)電、分布式能源和多能互補(bǔ)等新能源類人才培養(yǎng)，提升教學(xué)內(nèi)容與新形勢(shì)下電力系統(tǒng)發(fā)展方向的契合度，更好地結(jié)合煤礦電力系統(tǒng)的工程實(shí)際，為學(xué)生走上煤礦電力系統(tǒng)的工作崗位打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

新工科的快速形成和發(fā)展將會(huì)對(duì)高校的電氣工程專業(yè)教育模式的創(chuàng)新和從業(yè)人才的培養(yǎng)產(chǎn)生深刻影響。在新工科背景下，“煤礦供電”課程教學(xué)活動(dòng)要準(zhǔn)確定位新時(shí)代、新格局的煤礦行業(yè)電力系統(tǒng)建設(shè)和發(fā)展中的對(duì)人才需求，保證煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)，強(qiáng)化“雙碳”背景下的煤炭的兜底角色。本文重點(diǎn)針對(duì)新工科背景下創(chuàng)新教學(xué)模式的改革進(jìn)行分析，促進(jìn)教師對(duì)“煤礦供電”課程內(nèi)容的創(chuàng)新探索以及實(shí)踐探索。

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基金項(xiàng)目：安徽省教育廳教研項(xiàng)目“雙碳背景下電氣工程類國(guó)家一流本科專業(yè)建設(shè)與探索研究”（2021jyxm0365）；2022年度安徽省新時(shí)代育人質(zhì)量工程項(xiàng)目“電氣設(shè)備故障診斷教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)”（2022zyxwjxalk101）

作者簡(jiǎn)介：來(lái)文豪（1992—?），男，漢族，安徽阜陽(yáng)人，工學(xué)博士，講師，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、模式識(shí)別與智能信息處理方向研究工作。