“生物能源技術(shù)”課程體系與新型教學(xué)模式構(gòu)建

［摘 要］ 在國家“雙碳”目標(biāo)背景下，“生物能源技術(shù)”作為北京航空航天大學(xué)能源與動力工程本科專業(yè)的專業(yè)課程，是學(xué)生能源知識體系構(gòu)建中的重要一環(huán)?！吧锬茉醇夹g(shù)”課程具有知識結(jié)構(gòu)分散且內(nèi)容繁多，學(xué)科交叉性、技術(shù)難度高等特點，學(xué)生學(xué)起來枯燥且吃力。介紹了課程團(tuán)隊通過開展課程思政、翻轉(zhuǎn)課堂與研討式教學(xué)、案例式教學(xué)等方法，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動力，提升教學(xué)效果，為能源動力類及其相關(guān)工程專業(yè)課程教改提供了一些借鑒。

［關(guān)鍵詞］ 生物質(zhì)能；新能源；能源動力；課程教改

［基金項目］ 2022年度北京航空航天大學(xué)教改項目“‘雙碳’目標(biāo)下‘生物能源技術(shù)’課程教學(xué)改革與探索”

［作者簡介］ 梁 潔（1986—），女，山東冠縣人，博士，北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院副教授，主要從事生物液體燃料研究。

當(dāng)今世界，第四次工業(yè)革命洶涌來襲，社會變革日新月異，而能源作為推動工業(yè)革命和社會發(fā)展的“動力”，正經(jīng)歷從傳統(tǒng)化石能源向生物質(zhì)能、太陽能等新能源的快速變革中。傳統(tǒng)化石能源面臨資源枯竭、環(huán)境污染等問題，而生物質(zhì)能作為一種可再生能源，其富存量僅次于煤炭、石油和天然氣。據(jù)估算，地球每年生產(chǎn)的生物質(zhì)在1 500億噸～1 750億噸，生物質(zhì)能約為世界總能耗的10倍，因此開發(fā)和利用生物質(zhì)能成為當(dāng)今各國的重要議題。2020年美國能源部計劃在2020至2025年間投入9 700萬美元用于支持生物能源研發(fā)項目，涉及生物燃料工藝、生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化等7個技術(shù)領(lǐng)域。我國作為能源消耗大國，石油、天然氣等化石能源長期依賴進(jìn)口，能源安全長期受制于人。歷史的經(jīng)驗告訴我們，能源革命的根本在于科技發(fā)展，而科技發(fā)展依靠人才，因此我國要想占領(lǐng)新能源領(lǐng)域的制高點，就需要培養(yǎng)一批生物質(zhì)能領(lǐng)域的拔尖創(chuàng)新人才。

北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院作為我國能源領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才的搖籃之一，緊跟國家能源轉(zhuǎn)型重大戰(zhàn)略需求，面向三年級本科生開設(shè)了“生物能源技術(shù)”課程。課程內(nèi)容包括生物沼氣技術(shù)、生物乙醇技術(shù)、生物質(zhì)熱解和氣化技術(shù)以及生物航空燃料等多個部分。該課程作為學(xué)生掌握生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)的核心課程，對能源動力類專業(yè)學(xué)生知識體系構(gòu)建尤為重要。在實際教學(xué)中，該課程存在知識體系繁雜、多學(xué)科背景交叉、裝置設(shè)備復(fù)雜抽象等一系列難點。因此，需要對課程知識體系梳理與升級，同時構(gòu)建新型教學(xué)模式，提升“生物能源技術(shù)”課程的教學(xué)效果與質(zhì)量。

一、“生物能源技術(shù)”教學(xué)現(xiàn)狀與難點

生物能源技術(shù)作為一門多學(xué)科交叉、知識體系復(fù)雜的專業(yè)課程，在實際授課過程中存在課程內(nèi)容枯燥、教學(xué)方法單一等問題。

（一）課程內(nèi)容枯燥抽象、教學(xué)素材形式單一，缺少形式豐富的教學(xué)案例及前沿知識

“生物能源技術(shù)”課程涉及的知識面非常廣，且學(xué)科交叉性強(qiáng)，涉及生物、化學(xué)、材料、力學(xué)等各個方面。傳統(tǒng)的教學(xué)方式仍然以教師講述知識點為主，內(nèi)容枯燥抽象、教學(xué)素材形式單一，學(xué)生學(xué)起來晦澀難懂，缺乏興趣。如何在課程中通過影像、聲音等現(xiàn)代化媒體手段將生物能源技術(shù)的工藝流程及關(guān)鍵細(xì)節(jié)趣味化地呈現(xiàn)給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，是課程內(nèi)容改革的重點。

“生物能源技術(shù)”還是一門注重理論聯(lián)系實際的課程，不僅要學(xué)習(xí)理論課程，還要掌握生物質(zhì)能生產(chǎn)中涉及的設(shè)備、工藝、生產(chǎn)過程等。以第二代生物乙醇為例，其工藝流程包括生物質(zhì)的預(yù)處理、纖維素酶的生產(chǎn)、酶解和發(fā)酵等。工藝系統(tǒng)中涉及的反應(yīng)器及內(nèi)部反應(yīng)過程難以向?qū)W生直觀描述。如果只是照本宣科介紹一些概念知識，學(xué)生的知識面和視野就會變窄。因此，需要建立一個豐富的課程教學(xué)案例庫，對章節(jié)中涉及的設(shè)備、工藝、企業(yè)等，以案例的形式融合講述，這樣不僅降低知識點學(xué)習(xí)的難度，還能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率。

生物質(zhì)能具有鮮明的時代特色，“生物能源技術(shù)”這門課程也須緊跟研究前沿，不斷更新課程內(nèi)容。如何使教學(xué)內(nèi)容緊跟科學(xué)發(fā)展，加快課程內(nèi)容的“新陳代謝”，是該課程教改需要解決的難點之一。

（二）課程教學(xué)方法傳統(tǒng)，缺少激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動力的新式教學(xué)方法

受當(dāng)前教育大環(huán)境的影響，“生物能源技術(shù)”的課堂教學(xué)多以教師傳統(tǒng)講解為主，學(xué)生在課堂上只能“填鴨式”接受。教師為保證理論知識的完整性，易陷入照本宣科式教學(xué)的誤區(qū)，加上課程PPT翻頁速度較快，學(xué)生對一些關(guān)鍵知識理解不足，如此課程授課方式，導(dǎo)致學(xué)生相關(guān)知識掌握不牢，腦中建立的知識體系單一，從而偏離了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念與培養(yǎng)目標(biāo)。這種教學(xué)模式在實際操作過程中，只是完成了教師的“教”，忽略了學(xué)生的“學(xué)”，嚴(yán)重限制了學(xué)生的主動思考和創(chuàng)新意識，使學(xué)習(xí)效果不夠理想。因此，亟須發(fā)揮豐富的線上線下教學(xué)資源，將形式新穎的翻轉(zhuǎn)課堂、研討室教學(xué)等方法應(yīng)用到“生物能源技術(shù)”課程教學(xué)中。通過組織各種研究小組、學(xué)術(shù)討論班等激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動力。

圍繞上述教學(xué)過程存在的難點，擬結(jié)合課程思政的發(fā)展趨勢以及能源動力類專業(yè)教學(xué)要求，針對“生物質(zhì)能源技術(shù)”的教學(xué)模式進(jìn)行實踐創(chuàng)新，為培養(yǎng)新能源領(lǐng)域的領(lǐng)軍人才奠定基礎(chǔ)。

二、“生物能源技術(shù)”課程知識體系升級

為提高“生物能源技術(shù)”課程教學(xué)質(zhì)量，強(qiáng)化學(xué)生對生物能源的認(rèn)識，本教改緊緊圍繞新時代能源動力專業(yè)人才培養(yǎng)需求，建立系統(tǒng)完善的課程知識體系。首先，結(jié)合能動專業(yè)特色，完善課程思政工作體系。其次，針對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行升級改造，豐富教學(xué)素材，緊跟研究前沿。最后，通過課程案例庫建設(shè)，將零散知識點整合，讓學(xué)生形成系統(tǒng)的生物能源技術(shù)知識體系，提升育人成效。

（一）課程思政建設(shè)

落實立德樹人根本任務(wù)，必須將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體、不可割裂。全面推進(jìn)“生物能源技術(shù)”課程思政建設(shè)，寓價值觀引導(dǎo)于知識傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀和價值觀，這是能動專業(yè)人才培養(yǎng)的應(yīng)有之義和必備內(nèi)容［1］。生物質(zhì)作為唯一的含碳清潔可再生資源，生物質(zhì)能的開發(fā)不僅緊密貼合我國“雙碳”目標(biāo)和能源中長期發(fā)展規(guī)劃，同時也有利于生態(tài)文明建設(shè)。在“生物能源技術(shù)”教學(xué)中，從我國能源結(jié)構(gòu)綠色低碳轉(zhuǎn)型著眼，在相關(guān)章節(jié)穿插《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》，以及《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》相關(guān)政策內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)生物質(zhì)能源的主觀能動性及現(xiàn)實意義認(rèn)知，引導(dǎo)學(xué)生有目的性、有責(zé)任感地學(xué)好本門課程，從而將社會主義核心價值觀內(nèi)化為精神追求、外化為自覺行動。根據(jù)能動專業(yè)的特色與優(yōu)勢，將家國情懷、文化素養(yǎng)、人格養(yǎng)成等思政內(nèi)容與“生物能源技術(shù)”課程教育深度融合，有助于推動價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)的多元統(tǒng)一。

（二）課程知識體系升級

“生物能源技術(shù)”課程內(nèi)容包含生物質(zhì)的生物化學(xué)和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制取氣體、液體和固體燃料的基本原理和方法，以及相關(guān)的生產(chǎn)工藝、設(shè)備和技術(shù)。因此，該課程具有兩個鮮明的特點：（1）課程內(nèi)容更新迭代快。生物質(zhì)利用技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)教材中卻有許多已經(jīng)不適用當(dāng)下生產(chǎn)的老舊方法、工藝等，需要及時對課程內(nèi)容更新升級。（2）理論聯(lián)系實際強(qiáng)。課程內(nèi)容更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實驗、實踐等動手能力，單純的理論知識傳授無法滿足課程需要。

“生物能源技術(shù)”是一門知識點細(xì)碎零散、技術(shù)工藝不斷更新的課程。我校以《生物質(zhì)能源技術(shù)與理論》為主要教材。該教材全面系統(tǒng)地介紹了多種生物能源技術(shù)的基本原理、工藝流程和發(fā)展趨勢。除去該教材外，授課教師通過查閱最新文獻(xiàn)、參加學(xué)術(shù)會議等，及時補充最新技術(shù)，這種經(jīng)典教材+研究前沿的融合模式，實現(xiàn)了課程知識體系的及時升級。該模式需要任課教師對生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化及利用有深入的理解，同時還要及時關(guān)注最新研究和行業(yè)動態(tài)，將前沿技術(shù)和生產(chǎn)工藝融入課程知識體系之中。這就要求教師必須實時拓展自己的知識儲備，通過關(guān)注前沿文獻(xiàn)，參加國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議，走訪生產(chǎn)企業(yè)，寓教于學(xué)，不斷豐富自身在生物能源技術(shù)方面的知識積累。

此外，邀請生物能源領(lǐng)域知名專家學(xué)者前來授課或講座等，拓寬學(xué)生的學(xué)科視野，使學(xué)生與專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的大師直接面對面交流，讓學(xué)生不僅能及時掌握最新的研究動態(tài)與前沿技術(shù)，也能提高對課程的興趣，同時對未來研究生階段的專業(yè)研究也起到很好的奠基作用。

“生物能源技術(shù)”是一門強(qiáng)調(diào)實驗和實踐操作的課程，生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化原理與工藝流程貫穿于整個學(xué)習(xí)過程。不同于傳統(tǒng)的示范性、演示性和驗證性的實驗課，本門課程的實驗課在強(qiáng)調(diào)基本實驗操作的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生學(xué)會反思實驗過程并對實驗結(jié)果進(jìn)行討論，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、綜合分析、科學(xué)思維以及創(chuàng)新能力。本課程還引入“大實踐課”概念，鼓勵學(xué)生學(xué)以致用，將課堂內(nèi)容進(jìn)一步應(yīng)用到大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目和學(xué)科競賽中，作為學(xué)生未來科研實踐的引入口，全面提升學(xué)生綜合素質(zhì)。

（三）課程案例庫建設(shè)

“生物能源技術(shù)”課程知識點具有散、難、廣的特點，課程知識體系相對松散，部分知識點抽象難理解，多學(xué)科綜合交叉，不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)?；诖?，課程團(tuán)隊針對生物能源技術(shù)各知識模塊建立案例庫，通過具體案例將知識點串聯(lián)起來，并引入微視頻和虛擬仿真等技術(shù)，讓學(xué)生對復(fù)雜的生產(chǎn)工藝有更形象的認(rèn)識和更深入的理解。例如，以3MW生物質(zhì)氣化炭電聯(lián)產(chǎn)項目為案例，通過引入工程實踐場景，使學(xué)生帶著真實任務(wù)進(jìn)入學(xué)習(xí)情境。根據(jù)項目要求，利用Aspen建立工藝系統(tǒng)，在此過程中可深入了解氣化系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t及汽輪發(fā)電機(jī)組各個部件及相關(guān)功能，以及熱解氣化關(guān)鍵技術(shù)。在工程案例中，還涉及項目綜合能耗分析及污染物排放控制等問題，很好地展示了生物質(zhì)熱解氣化的基本原理及技術(shù)。

團(tuán)隊發(fā)揮北京航空航天大學(xué)國家級虛擬仿真實驗軟件平臺作用，對課程中的復(fù)雜案例進(jìn)行3D場景仿真模擬［2］。生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化過程通常涉及多個大型的生產(chǎn)設(shè)備，且工藝流程復(fù)雜。相較于實際操作，虛擬仿真實驗可以節(jié)省大量的時間、物力、人力等成本。針對實際生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的故障甚至事故，鼓勵學(xué)生自行優(yōu)化工藝系統(tǒng)或流程，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。此外，3D動態(tài)虛擬現(xiàn)實模式還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。

三、“生物能源技術(shù)”新型教學(xué)模式構(gòu)建

（一）翻轉(zhuǎn)課堂與研討式教學(xué)

教學(xué)活動是教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”組成的雙主體活動，“教”起引導(dǎo)作用，“學(xué)”是活動的中心，二者有機(jī)結(jié)合形成完整的教學(xué)過程。傳統(tǒng)的教學(xué)過程以教師對書本內(nèi)容的講解為主，重點放在了教師的“教”，而忽視了學(xué)生的“學(xué)”。這不僅難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，也因在教學(xué)過程中缺乏師生互動，使學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)僅停留在書面文字，無法充分理解和運用。翻轉(zhuǎn)課堂和研討式教學(xué)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的“學(xué)”，以學(xué)生學(xué)到為目的，而非教師教到為終點，真正將“教”與“學(xué)”有機(jī)融合［3］。

“生物能源技術(shù)”課程團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出“問—學(xué)—研—練—導(dǎo)—總”六步教學(xué)法，以問題驅(qū)動為導(dǎo)向，以小組討論的形式，開展翻轉(zhuǎn)課堂與研討式教學(xué)。“問”即教師提出問題，比如生物質(zhì)能生產(chǎn)中某個工藝出現(xiàn)的問題。“學(xué)”即學(xué)生學(xué)習(xí)，針對教師提出的問題，通過書本知識、查找文獻(xiàn)、網(wǎng)上搜索等各種途徑學(xué)習(xí)相關(guān)知識?！把小奔葱〗M研討，小組成員根據(jù)各自習(xí)得的知識，組織研討，對教師的問題形成初步解決方案?！熬殹奔凑n堂演練，各小組將本組的方案在全班進(jìn)行匯報演練，從而鍛煉學(xué)生的學(xué)術(shù)匯報能力?！皩?dǎo)”即教師指導(dǎo)，教師對學(xué)生匯報過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行正確的引導(dǎo)。“總”即過程總結(jié)，學(xué)生對整個學(xué)習(xí)過程進(jìn)行總結(jié)，形成總結(jié)報告，進(jìn)一步提升學(xué)生總結(jié)凝練的能力。通過完整的“問—學(xué)—研—練—導(dǎo)—總”六步教學(xué)，真正實現(xiàn)了教學(xué)重心從教師的“教”向?qū)W生的“學(xué)”轉(zhuǎn)變，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的現(xiàn)代教育思想，大幅提高了學(xué)生在授課過程中的參與度，提升了學(xué)生主動思考和解決問題的能力。

（二）案例式教學(xué)模式探索

充分發(fā)揮團(tuán)隊建設(shè)的生物能源技術(shù)案例庫作用，探索案例式教學(xué)模式，通過生產(chǎn)實踐中的具體案例，將原本松散的知識點有機(jī)串聯(lián)，形成知識體系。與傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)方式不同，案例式教學(xué)通過教師給出具體的案例，讓學(xué)生進(jìn)行研究分析，在教師的指導(dǎo)下，運用多種方式啟發(fā)學(xué)生獨立思考，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的分析、判斷以及解決問題等能力［4］。這種教學(xué)方法將復(fù)雜的理論用生動、具體的案例方式進(jìn)行闡述，增加了教學(xué)的真實性，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生對課程基本知識的理解，提高了教學(xué)效果。

當(dāng)今教育已經(jīng)從以知識傳授為中心轉(zhuǎn)向以開發(fā)學(xué)生的思考能力為中心。案例式教學(xué)以開放的方式，讓學(xué)生根據(jù)具體的案例，就復(fù)雜多樣的情景，分析每個因素的影響作用，給出科學(xué)合理的判斷和決策，這極大增強(qiáng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，真正做到了既“授人以魚”，更“授人以漁”。

（三）基于OBE理念的過程化考核模式探索

通過翻轉(zhuǎn)課堂與研討式教學(xué)的開展和案例式教學(xué)模式的實施，傳統(tǒng)“一考定終身”的考核形式已不能適應(yīng)新型的教學(xué)模式，需要建立一套綜合全面的評價體系。OBE（outcomes-based education）是一種以學(xué)生為中心的教育模式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為核心，而非以教學(xué)活動或教師的授課內(nèi)容為重點。大學(xué)教育更加強(qiáng)調(diào)自主學(xué)習(xí)，即重視過程學(xué)習(xí)。課程成績考評機(jī)制也應(yīng)綜合衡量學(xué)習(xí)的全過程，而非只關(guān)注最終的期末考試環(huán)節(jié)。

基于此，“生物能源技術(shù)”課程進(jìn)一步增加學(xué)生平時成績所占份額，綜合考慮學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、小組討論及匯報、案例研討過程中的表現(xiàn)，通過對課程內(nèi)容的掌握程度、小組協(xié)作能力、口頭表達(dá)能力及創(chuàng)新思維等指標(biāo)考核，對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行綜合考量。綜合考量過程學(xué)習(xí)成績和期末考試成績，全面考核學(xué)生的課程學(xué)習(xí)情況。

考核方式是對學(xué)生學(xué)習(xí)方向的引導(dǎo)，通過增加過程考核的權(quán)重，引導(dǎo)學(xué)生注重自主思考、查閱文獻(xiàn)、溝通協(xié)作、解決問題、總結(jié)提升等能力的培養(yǎng)，使學(xué)生不只學(xué)到課本知識，更能全面提升綜合素質(zhì)，從而適應(yīng)快速發(fā)展的當(dāng)代社會。

結(jié)語

在國家級“雙一流”本科專業(yè)點建設(shè)背景下，課程團(tuán)隊通過對“生物能源技術(shù)”教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行思考，在教學(xué)過程中引入課程思政、翻轉(zhuǎn)課堂與研討式教學(xué)、案例式教學(xué)等，改進(jìn)考評機(jī)制，提升教學(xué)成效，實現(xiàn)課程知識體系升級和新型教學(xué)模式構(gòu)建。通過“生物能源技術(shù)”課程的教改經(jīng)驗，總結(jié)形成了“問—學(xué)—研—練—導(dǎo)—總”六步教學(xué)法等一系列教學(xué)經(jīng)驗，為能源動力類專業(yè)課程教改提供了一些借鑒，也為新時代國家能源領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)添磚加瓦。

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Upgrading the Knowledge System and Constructing New Teaching Model for the Bio-energy Technology Course： Exploration of the Training Model for Top Innovative Talents Majored in Energy and Power Engineering

LIANG Jie， ERI Qi-tai， DIAO Xun-gang， WANG Meng-ying

（School of Energy and Power Engineering， Beihang University， Beijing 102206， China）

Abstract： In the context of carbon peaking and carbon neutrality， the bio-energy technology course becomes an important part for the knowledge system for the undergraduates majored in Energy and Power Engineering in Beihang University. However， this course is rather challenging for students to learn， because of its scattered structure， interdisciplinary nature， and high technical difficulty. Herein， this work introduced how the course team stimulates students’ intrinsic learning motivation and improves teaching effectiveness through methods such as curriculum ideology and politics， flipped classroom and seminar teaching， and case-based teaching. This work will provide a significance reference for the teaching reform of energy and power related engineering courses.

Key words： bio-energy; renewable energy; energy and power; curriculum reform