“双碳”目标下相变储热技术课程的教学改革探索

摘要：实现碳中和已成为全人类的共同使命，在我国提出二氧化碳排放力争于2030年前碳达峰、2060年前实现碳中和的总体目标指引下，中国面临着能源转型的重大使命，能源的高效存储与利用无疑将是重中之重。而相变储热技术能够有效克服能量供求双方在时间、空间及强度上的不匹配问题，在太阳能热发电、医疗、食品保鲜、建筑节能等领域成为不可或缺的共性关键技术。因此，本文提出调整人才培养目标、重构课程体系、调整实践课程内容，探索交叉学科建设和教学体系的优化改革路径、改变教学方法等解决方案。旨在培养具备综合素质的能源型人才，推动能源产业的创新和可持续发展，实现绿色能源体系，为全球气候变化应对作出贡献，为中国实现碳中和目标贡献力量。

关键词：碳达峰；碳中和；相变储热

1概述

为解决传统能源日渐匮乏，避免环境日趋恶化，大力开展节能减排并推广清洁能源及可再生能源的应用是我国经济社会可持续发展的重大战略需求。我国非常重视节能环保工作，己出台的《能源中长期发展规划纲要（2004-2020）》、《2030年前碳达峰行动方案》等文件，在明确节约化石能源开发与利用的同时，也非常注重积极开发利用太阳能、风能、地热能、潮汐能等清洁能源，而这极大促进了储能技术的发展[1]。相变储热技术，作为储能技术的重要分支，专注于实现热能的高效储存和管理。以太阳能热发电系统为例，利用熔融盐储热罐可有效缓解能源存在间歇性、波动性的难题。在太阳光充足的时候，太阳能热发电系统能够充分吸收阳光的热量，同时，相变储热装置将多余的热能储存以备后用。而在阴雨天或者夜间，这些储存的热能会被释放出来，为发电机组提供所需的热能，从而实现持续稳定的电力供应[2]。此外，该项技术在电力系统中也可以充当高温能量存储装置，通过在低电负荷时期积累热能，然后在高电负荷时期释放热能，以平衡电网负荷波动，提升电力系统的稳定性和可靠性。总的来说，相变储热技术不仅有效应对了能源存储和管理的难题，还在多个领域展现了广泛的应用前景，提升能源效率和促进可持续能源利用方面发挥愈加重要的作用[3]。通过导入大规模相变储热技术，利用相变过程中温度恒定、潜热大、热稳定性好等优势，可有效缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的问题，既可以提高能源利用效率又对环境非常友好[4-6]。

研究学者将相变储热技术用于热电联供系统、工业生产等领域，从而提高能源利用效率，减少对传统高碳能源的需求，提高能源系统的效率，降低碳排放。此外，随着能源体系向可持续能源转型，相变储热技术可作为绿色储能解决方案，支持新能源的大規模集成[7]。为更好地贯彻党中央和国务院关于实现碳达峰和碳中和战略的重要决策，以高校为主要力量，发挥其在科研领域的领军作用和科技创新的驱动力，为实现“双碳”目标提供专业智力支持和技术人才储备，教育部特别发布了《高等学校碳中和科技创新行动计划》。目前，国内外诸多高校和学院均开展了针对相变储热技术的教学与科学研究，旨在使能源动力相关专业的学生掌握相变储热技术的基本原理，把握相变储热技术发展趋势及应用路线等，为学生以后从事储能领域的研究与技术应用奠定基础[8-10]。截止到目前为止，该课程在教学实践中仍面临了一系列挑战，其中包括学科基础知识要求高、内容繁杂以及学生学习兴趣不足问题，而以上问题也是“双碳”目标下该课程教学改革面临的重要问题。此外，如何推动教师队伍率先树立绿色低碳理念，提升传播绿色低碳知识能力，改善教学质量并培养更具创新能力的碳中和人才也是本文研究目的所在。

2 相变储热技术教学现状及存在问题

相变储热技术相关课程教学现状及存在问题可以总结为如下几个方面：①学科基础知识要求高，此类课程涉及复杂的热工学、材料科学等领域的知识，可能需要学生具备一定的学科基础，否则难以理解课程内容；②内容多且深入，复合相变储热技术领域涉及的概念和原理较多，而且可能涵盖从基础到前沿的广泛范围，导致课程内容繁多且深入，难以在有限的时间内全面讲解；③知识更新快，技术领域更新迅速，新的材料、方法和应用不断涌现，导致课程内容需要经常；④由于课程内容的复杂性，学生可能面临理解难度，导致学习兴趣不足，从而影响他们的学习积极性和参与度；⑤缺乏实际应用案例，该技术通常需要实验室或实际工程的支持，但学校设施可能有限，造成实践机会有限；⑥评估方式单一，传统的考试和作业评估方式可能不足以全面评估学生的理解深度、创新能力以及能够将所学知识应用于实际的能力；⑦学生创新能力培养不足，传统教学可能未能充分培养学生的创新思维和解决问题的能力；⑧碳中和理念整合不足，将碳中和理念融入课程可能需要额外的教学设计，以使学生理解这一概念与课程内容的关联，从而限制了整合的深度；⑨跨学科联系不足，此类课程可能涉及多个学科领域，如材料科学、能源工程等，但学科间的联系可能未能得到充分认识。

结合上述内容，本文将详细围绕学科基础知识要求高、专业人才培养目标未与“双碳”背景相结合、专业实践教学与“双碳”融合不够这三个方面描述相变储热技术教学现状及存在问题，如下所述：

2.1学科基础知识要求高

相变储热技术作为一门高度专业化的学科，的确具有一定的复杂性和深度，通常学生在学习过程、以及教师在上课过程都很容易遇到困难。改课程涉及物理、热力学、材料科学等领域的知识，其中包含一些抽象的概念和复杂的物理过程，学生可能需要时间来理解这些抽象概念和过程。同时，教师上难以采用生动的例子、图表、模拟实验等方式来解释抽象概念，导致课堂讲授效率不高。此外，如果学生在物理、化学和热力学基础知识这些基础上存在薄弱环节，理解起来可能会更加困难，需在开设课程之前，设立预备课程，帮助学生建立必要的基础知识。除此之外，缺乏实验和实际应用，学生没有足够的机会进行实际案例学习，导致学生难以将理论与实际联系起来。

2.2专业人才培养目标未与“双碳”背景相结合

我国为应对全球气候变化。已提出宏伟的“碳中和”目标，直接影响各行各业的发展方向和人才培养需求。尽管如此，储能科学与工程专业的人才培养目标却尚未充分与这个关乎“碳达峰和碳中和”的融合深度仍待提高。在将相变储热技术专业人才培养目标与“双碳”背景相结合时，需要高校、教育部门和产业界共同努力，确保培养出能够为碳减排和可持续发展做出贡献的专业人才。目前，学生的碳减排意识不强，应当加强学生对碳排放问题的认识，让他们了解如何通过相变储热技术减少碳排放，培养他们在技术研发和实际应用中重视碳减排的意识。其次，该专业研究生对于相变储热技术如何在可再生能源领域中发挥作用，如何将相变储热技术纳入绿色能源转型的背景中，促进绿色能源的大规模应用，实现绿色能源转型的认知仍不清晰。对于相变储热技术的可持续性，以及如何培养学生在技术研究、设计和应用中考虑社会、环境和经济可持续性的能力，贯彻可持续发展观念仍有待探索。

2.3专业实践教学与“双碳”融合不够

将专业实践教学与“双碳”融合起来，可以帮助学生更好地理解相关概念，掌握相关技术，同时培养他们在实际情境中解决碳减排和可持续发展问题的能力。其中专业知识虽然具有重要性，然而仅仅拥有专业技能已不足以适应当今复杂多变的社会和环境需求。因此，将“双碳”大背景与专业课程紧密结合，致力于培养那些不仅具备专业技能，更要培养出具备创新意识和专业素养的人才，为行业的可持续发展和社会的进步做出贡献。其中，最大的挑战是如何有效地将“双碳”与专业课程融合起来。因此，我们必须采取一系列措施，以促进“双碳”与相变储热专业课程的有机结合，积极推动该行业的发展。

然而，目前学生所接触到的与“双碳”相關的案例较少，缺乏对相变储热技术相关的项目或企业进行实地考察，难以让学生深入了解实际应用情况，无法掌握相变储热技术在工程领域的作用和影响，进而导致相关专业研究生无法独立完成实验设计，人才培养出现瓶颈。

3 教学改革措施

针对上述问题，本文拟通过以下措施提高“双碳”目标下该课程的教学质量，培养符合“双碳”目标的创新型人才。

3.1设计前置课程、引入案例分析

将课程内容拆分为模块，逐步深入，确保每个模块的理解，弥补学生基础知识差距。在课程开始前，了解学生的学术背景和基础知识水平；确定哪些方面的知识可能是薄弱的，并根据学生的差距制定前置课程内容；根据学生的差距，确定需要涵盖的前置课程内容，包括必要的基础概念、公式、原理等；收集适合前置课程的教材和学习资源，采用多种教学方法，如阅读、讲座、讨论、练习等，以满足不同学生的学习需求；随后设计前置课程的学习计划，明确内容的安排和学习进度，确保前置课程的长度和深度合适，不至过于繁琐。

在前置课程中，引入一些实际应用案例或趣味性内容，激发学生的学习兴趣，增强他们的主动性；在前置课程结束后，收集学生的反馈意见，了解他们的学习感受和问题，以便不断优化前置课程设计；根据前置课程的学生反馈和评估结果，适时调整正式课程的内容和深度，以确保所有学生能够跟上课程进度；通过精心设计的前置课程与实际应用案例，帮助学生填补基础知识差距，使他们在正式课程中更好地理解和掌握高温相变储热技术的相关专业知识。总的来说，解决学生难以理解相变储热技术的问题需要综合采取多种方法，包括引导、实践、案例教学等，以帮助学生逐步掌握和理解这门高级学科。

3.2教学方式的改革

增强专业实践教学与“双碳”融合，通过设计与“双碳”相关的案例，确保学生在实际场景中认知相变储热技术的应用过程，观察物质相变过程，并结合能源效率、碳排放等指标，探讨技术在碳中和背景下的应用价值。帮助学生分析如何通过该技术减少碳排放、提高能源效率等。将学生分为小组，组内开展相变储热技术应用项目，从技术研究、设计、投资分析等方面考虑碳减排和可持续发展的问题。高校与相关企业或机构合作进行产学合作，为研究生提供实习、实训机会，让他们亲身参与项目，了解技术在实际产业中的应用和挑战。着重培养学生在相变储热技术领域的创新能力，鼓励他们开发出更高效、可持续的储热方案，以应对能源存储和供应的挑战。增加实践环节，让学生参与真实项目、实验室工作或实地调研，将理论知识与实际应用相结合，培养他们解决实际问题的能力。强调相变储热技术与其他学科的交叉，培养学生具备多学科合作的能力，如与环境科学、材料工程、能源经济等领域的合作。

3.3构建“双碳”与“高温相变储热技术”专业学科交叉融合课程体系

构建碳中和专业相关学科交叉贯通、多维主体协同的教育课程体系，并将碳中和理念引入研究生教育体系，是一个具有前瞻性和战略性的举措。通过与其他学科的教师合作，共同开设交叉学科的课程，为学生提供不同学科领域的视角，促进综合性思考，开发跨学科的核心课程，涵盖碳中和领域的不同方面（能源、环境、工程等）；在课程中引入真实的碳中和相关案例，让学生从多个角度分析问题，培养解决复杂问题的能力；设计项目，该项目可涉及不同学科，鼓励学生通过合作和交流解决实际工作中的碳中和问题，培养实践能力；强化导师制度，指定导师负责指导学生的跨学科研究项目，确保学生在整个学习过程中得到支持和指导，并由该导师邀请碳中和领域的专家来进行讲座和研讨会，让学生了解最新的研究进展和实际应用；最后设立研究生交流平台与学科综合评估，促进不同学科研究生的交流合作，共同解决碳中和领域的挑战，并通过设计综合性的学科交叉评估方式，评估学生在跨学科学习中的综合能力和成就。

整合上述方法，可以使专业实践教学更紧密地与“双碳”目标相结合，帮助学生深入理解碳减排和可持续发展的重要性，并在实际操作中培养他们的应用能力。同时，高校和教师应当不断更新教学内容，关注行业动态，确保教学内容始终保持与时俱进。

结语

通过以上措施，构建一个“双碳”与“高温相变储热技术”跨学科交叉贯通的专业学科融合课程体系，培养出具有综合能力和创新能力的研究生，为推动碳中和目标的实现做出贡献。此外，这也有助于培养学生在不同学科领域之间的适应能力，更好地应对未来能源高效利用与管理方面的复杂问题，也为积极推进中国融合发展、建设世界水平的现代化教育提供理论支撑。

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作者简介：任云秀（1991—  ）.女，山东德州人，博士研究生，研究方向：相变储热、传热传质。