新工科背景下“太阳能利用技术”课程教学探讨

马婷婷 孟鲤 李森 王小兵 刘鸿

[摘 要] 在新工科建设背景下，分析了新兴前沿类课程“太阳能利用技术”目前存在跨学科专业知识储备不够、教材适用性较差、授课方式较单一的教学问题，尝试提出“注重跨学科相关专业知识的导入过程，提高学生学习兴趣;紧跟太阳能技术发展前沿，建设教学资料;把课堂交给学生，增强学生主观能动性”的教学探索举措，获得了较好的教学效果。

[关键词] 新工科;太阳能利用技术;创新型人才;跨学科;教学改革

[基金项目] 2019年度常州大学教育研究课题“结合3D打印的工科体验式教学实践改革”（CDSG2019208）

[作者简介] 马婷婷（1987—），女，湖北枣阳人，博士，常州大学石油工程学院讲师，主要从事太阳能中高温热利用和相变传热研究。

[中图分类号] G642.0      [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）32-0144-04    [收稿日期] 2021-04-02

目前新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图，重塑全球经济结构[1]。新工科（Emerging Engineering Education，3E）是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向[2]。新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才，具有战略型、创新性、系统化、开放式的特征[2]。当前，国家提出“中国制造2025”“互联网+”“人工智能2.0”等重大战略，为新工科的建设与发展指明了方向，也对新工科的建设发展提出了更高要求，即建设一支规模宏大、结构合理、素质优良的创新人才队伍[1，3]。为响应国家战略需求，支撑服务新经济蓬勃发展，突破核心关键技术，构筑后发优势，在未来全球创新生态系统中占据战略制高点，迫切需要培养一大批拥有更强创新能力、变化能力、适应能力的新兴工程科技人才，服务于国家战略发展，进而提升我国工程教育的整体实力与国际竞争力[4]。

近年来，随着社会的不断发展，世界范围内环境污染日益严重，能源危机不断加剧，为实现人类社会的可持续发展、新能源的开发和利用，势在必行。尤其是太阳能发电作为一项清洁无污染的新能源技术，日益受到世界各国的重视，制定并出台了一系列相关技术开发的扶持政策和鼓励措施。同时，太阳能也是我国目前能源领域的新兴重点发展方向之一，在建筑供暖、工业热水、制冷空调、化工、海水淡化和发电等领域，具有广泛的应用前景。因此，开设“太阳能利用技术”相关的课程对提高学生的就业机会和增强高校的社会服务能力，具有非常重要的作用。

常州大学能源与动力工程专业在近年来太阳能源蓬勃发展的背景下开设了“太阳能利用技术”，将其作为本科生的一门专业选修课。该课程具有学科涵盖范围广、信息更新快、实践性较强、与行业发展联系密切的特点，因此，采用传统的教学方法显然不适合[5]。在新工科背景下，“太阳能利用技术”作为能源与动力工程专业的新兴前沿类专业课程，应抓住契机，积极探索学科前沿类课程教学的新模式，以适应社会发展新需求。

一、“太阳能利用技术”课程现状分析

太阳能利用技术涵盖范围广，主要包括太阳能光电转换技术、光热转换技术和光化学转换技术[6]，其中光热转换技术与能源与动力工程专业中以热能转换与利用系统为主的热能动力工程及控制方向较匹配，因此，该部分是“太阳能利用技术”课程的教学重点。“太阳能利用技术”的主要任务是通过各教学环节，运用各种教学手段和方法，使学生对太阳能相关的基础专业知识和太阳能的利用方式及原理有一定的认识。通过课程的学习，掌握太阳能利用的基本理论知识，掌握太阳能热水器、太阳能集热器以及太阳能热发电系统等的组成、分类和应用现状等，了解太阳能光伏发电和光化学转换技术，为今后从事工程技术工作、科学研究及开拓新技术应用领域奠定基础。

“太阳能利用技术”作为能源与动力工程专业的新设课程，在开课之初借鉴以讲授为主的传统教学模式，效果不甚理想，无法满足当下新工科的时代要求。课程教学当前主要存在以下几个问题。

（一）跨学科相关专业知识储备不够

“太阳能利用技术”课程主要包括太阳能光电转换技术、光热转换技术和光化学转换技术三个部分。该课程涉及光学、热学、力学、材料学和化学等学科，学科涵盖范围广，属于典型的跨学科课程。比如，太阳能集热器和光伏板均涉及一种太阳光谱选择性吸收涂层的概念，这个知识点就需要学生有一定光学、热学和材料学方面的知识。因此，这门课程对于学生的专业知识储备要求较高。关于热学和力学，能源与动力工程专业课程体系中涉及较多，但光学、材料学和化学等学科方面的专业知识所授课程涉及很少，学生接触少，属于弱势学科。对于学生来说，“太阳能利用技术”课程内容非常庞杂，相关的专业知识储备欠缺，学习起来较吃力，学生容易疲倦进而产生厌学情绪。

（二）教材适用性较差

太阳能光伏发电技术的实际工程应用越来越多，光热发电逐步走向商业化，光化学转换技术尚处于实验研究阶段，需要大量的研究型和应用技术型人才，但人才培养需要有针对性的教材和参考书。太阳能利用技术近年来发展迅速，其涵盖的知识内容更新速度非常快。目前新出版的太阳能相关书籍较多，但适合作为能源与动力工程专业的教材却很少。比如针对光伏发电的教材过于专业，针对光热发电的大多只是简单的科普，多数教材并不适用。同时，作为教材，一般来说基础知识比重偏大，新技术和应用案例较少且更新慢，无法紧跟太阳能领域最新發展动态，从而体现不出前沿类课程的特点。若单一按照教材内容授课，则达不到开设课程最初的设想。

（三）授课方式较单一

“太阳能利用技术”课程内容除了包含一部分太阳能相关的基础知识和原理，更关注的是介绍实际技术的开发和应用。因此，本课程需要侧重于引导学生利用已学知识解释相关应用案例并进行思考。以教师为主导的授课方法，过于注重知识的灌输，忽视对学生独立思考能力和运用知识能力的培养，使学生在教学过程中处于被动的地位，课堂上的参与度较低。因此，学生的学习兴趣被压制，学习的积极性和主动性不高。即使有课堂互动环节，但是对于新兴前沿类课程，若学生课下没有查询资料做好充足的准备，也无法收到较好的教学效果，达不到自主创新能力的培养目标。

二、教学改革的主要内容

针对“太阳能利用技术”课程在教学中存在的问题，结合新工科的理念和要求，笔者在最近四年的教学工作中，结合课程特点和专业培养目标，探索尝试新的教学模式，以期提高教学效果。

（一）注重跨学科相关专业知识的导入，提高学生学习兴趣

“太阳能利用技术”课程本身涉及多学科的交叉融合，十分符合新工科注重多学科交叉融合的内涵和特征[1]。在新工科背景下，任课教师应弱化单门课程的边界，搜寻更多丰富的教学资料，主动将专业课程内容融入所授课程中，在提高学生兴趣的同时，还能补充跨学科的知识，建设学生全方位的专业理论体系。工科专业的通识类课程设置基本相同，而专业课程中的一些原理和概念大多在通识类课程中有所涉及，只是深度和广度不够，若以此为基点向各个方向辐射和延伸，则可打开通向跨学科知识的大门。下面以一些案例具体加以阐述。例如，在太阳能光电转换技术方面，通过世界太阳能车挑战赛和太阳能飞机的引入来引起学生对课程的兴趣，在案例里提出太阳能光伏板，吸引学生对光伏的注意力;在光电转换原理中，先回顾大学物理里普朗克提出的光子能级跃迁公式，再进行半导体材料和PN结等的讲解，降低学生对新知识的抵触心理，新旧知识过渡自然。在太阳能光化学转换技术方面，通过引入植物的光合作用及其基本原理提出太阳能光化学的概念，既使学生印象深刻，迅速理解光化学转换的过程，也加深了对生物学中自然现象的认识。

在太阳能光热转换技术方面，通过引入日常生活中常见的太阳能热水器，提出太阳能热水器采用的关键技术之一即太阳光谱选择性吸收涂层，它使得热水器集热效果好，产热水能力强。这会让学生在脑海里首先有一个选择性吸收涂层的概念，并在心理上觉得太阳能其实离自己很近，易于接受。讲解太阳光谱选择性吸收涂层的原理时，先导入传热学里三大传热方式之一的热辐射相关知识，将传热学知识扩展应用于理解太阳光谱选择性吸收涂层的工作原理，既可以加深学生对专业知识的理解，提高应用传热学知识的能力，也让学生清楚认识到新技术可应用已有知识创造出来。讲解聚光集热器的时候，首先引入美国Discovery的一档科普纪录片《流言终结者》，其在2006年拍过一个针对公元前215年阿基米德关于制造一块大聚光镜烧毁入侵罗马战船的流言进行验证的专题“要命的聚光镜”，使学生了解到人类其实很早之前就已经开始了对太阳能利用技术的探索，并且意识到太阳能聚光镜的威力不可小觑，同时引起了学生的学习兴趣。

（二）紧跟太阳能技术发展前沿建设教学资料

新工科理念要求高校在工科教育中紧跟科技革命和产业变革的发展趋势，课程教学不应仅仅局限于课本内容，还应紧扣时代脉搏和行业发展动向，使学生广泛接触太阳能领域的新知识和新技术，提高学生的认知和创新能力。太阳能利用技术主要涉及光电、光热和光化学转换技术。随着新材料、新技术和新政策的出现，太阳能利用技术会不断更新换代。在“太阳能利用技术”课程中，基本概念和基础应用知识主要参考“太阳能热利用技术”[7]和“太阳能利用技术”[6]等章节内容。关于太阳能三种转换技术的最新技术、应用案例及国家政策，也应予以补充。比如，太阳能行业发展的新技术、新应用案例以及国家政策等方面的内容，可借鉴权威新闻网页和视频、太阳能相关会议以及科技文献，将这些内容经过分类整理和加工，最终形成课程讲义。下面以一些案例加以详细阐述。例如在光电转换技术方面，可以讲述第三代太阳能电池、高倍聚光太阳能光伏技术、国家对光伏发电并网的电价补贴政策等;在光热转换方面，可以就太阳能热发电技术进行重点阐述，介绍我国位于南京市江宁区的首座70 kW塔式太阳能热发电系统和北京延庆八达岭1 MW太阳能热发电实验电站，并简述我国第一批太阳能热发电示范项目的进展情况;在光化学转换方面，可以结合未来的氢能经济讲述太阳能光热化学制氢和光催化制氢。这些知识将极大地丰富学生在新发展方向的知识面，扩宽学生对传统专业的认识，有效地提高新工科背景下学生的科学素养。

当然，教学资料除了文字和图片格式的，还有视频形式的。视频形式的资料使知识点更加形象和直观，便于学生理解。比如，讲解太阳能光伏电池的工作原理时，利用制作的PN结光生伏打的动态小视频，使原本枯燥的文字描述变成直观的动画，更容易让人快速理解。讲解太阳能光热发电系统时，视频补充介绍了美国392MW伊万帕塔式光热发电站，真实的案例使学生对太阳能塔式光热发电站的基本模块构成和主要建设过程印象深刻。这些辅助视频教学资料丰富了教学资料形式和教学手段，也弥补了课程实践性的不足，有效地提高了教学效果。

（三）把课堂交给学生增强学生的主观能动性

太阳能利用技术广泛，可讲解内容庞大，而课堂时间有限，即使采用“满堂灌”的方式也无法把所有的知识都讲解到位。因此，合理安排教学内容、突出教学重点和难点、运用多种教学手段和灵活而形象的教学方法来激发学生的学习热情和启发学生的自主学习能力，是达到良好教学效果的重点。为此，“太阳能利用技术”的课程安排主要为：重点和难点内容由教师主讲，即太阳能利用技术的基本原理和分类、关键技术、系统基本构成和发展趋势等;具体技术应用等内容则被划分为若干个专题，如太阳房、太阳能温室、太阳能干燥、太阳灶、太阳能制冷、太阳能海水淡化、太阳能光伏产品等，以学生自主挑选小课题讲授和讨论为主。这样采用教師搭建课程知识之树的大枝干、学生自主增添细节枝叶的方法，既保证了课程的完整性，又提高了学生的课堂参与度，培养了学生自主思考和学习的能力。

教師会发现学生都有自己感兴趣的小课题，通过沟通发现学生所想所需，从而能更了解学生。例如，有的学生讲解了太阳能光伏应用中的太阳能路灯，不仅包括它的应用，还把太阳能路灯的系统组成和详细的结构图都展现了出来，并且和同学讨论里面的各个部件是怎么具体运作的。有的学生对太阳能海水淡化技术感兴趣，把太阳能盘式蒸馏器的结构、材料、产水量、效率和优缺点等都讲得头头是道。把大部分课堂时间交给学生，可大大提高学生的课堂参与度，激发学生的好奇心和学习兴趣。独特的课程安排和教学形式，在带给学生新的课堂体验的同时，也得到了学生的诸多好评，使得本来枯燥乏味、一成不变的课堂教学形式变得丰富多彩，同时促进了教师和学生的有效沟通，开阔了学生的视野。

三、总结

本文主要介绍了新工科建设背景下笔者对“太阳能利用技术”课程进行的教学改革与尝试，通过“注重跨学科相关专业知识的导入，提高学生学习兴趣;紧跟太阳能技术发展前沿，建设教学资料;把课堂交给学生，增强学生主观能动性”等方法，取得了不错的教学效果。今后将在原有教学实践的基础上，始终以培养创新型、跨学科、具有综合能力和创新精神的卓越人才为教学目标，不断丰富课程内容，继续探索、完善教学方法，提升教学效果，使学生对太阳能利用技术具有全面且清晰的认识，为普及太阳能利用相关知识，推动学生继续深造和职业发展，打下坚实的基础。

参考文献

[1]魏继昆.习近平关于把握新科技革命和产业变革大势的重要论述探析[J].党的文献，2020（3）：3-7.

[2]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3]于浩，杨树峰，苗胜军.“新工科”背景下双创型复合人才的培养[J].教育教学论坛，2020（7）：328-330.

[4]陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究，2017（3）：26-32.

[5]王志敏，田瑞，闫素英，等.前沿学科专业课程教学模式探讨[J].实验室科学，2017，20（3）：125-127.

[6]罗运俊，何梓年，王长贵.太阳能利用技术[M].第2版.北京：化学工业出版社，2014.

[7]邵理堂，刘学东，孟春站.太阳能热利用技术[M].镇江：江苏大学出版社，2014.

Discussion on the Teaching of Solar Energy Utilization Technology Course under the Background of “Emerging Engineering Education”

MA Ting-ting1， MENG Li2， LI Sen1， WANG Xiao-bing1， LIU Hong1

（1.School of Petroleum Engineering， Changzhou University， Changzhou， Jiangsu 213100， China;

2.SUMEC Group Corporation， Nanjing， Jiangsu 210000， China）

Abstract： Under the background of “emerging engineering education” construction， the current teaching problems of the newly developed course of Solar Energy Utilization Technology such as the lack of interdisciplinary related professional knowledge， the poor applicability of teaching materials， and the singleness of teaching method， are analyzed in this paper. Some new teaching reform methods which have achieved good teaching effect are also put forward. These teaching reform methods include paying attention to the process of interdisciplinary related professional knowledge introduction to improve students' interest; keeping up with the frontier development of solar energy technology development and constructing teaching materials; leaving more class time to students to enhance their subjective initiative.

Key words： “emerging engineering education”; Solar Energy Utilization Technology; innovative talent; interdisciplinary; teaching reform