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能源与环境系统工程专业是广东省战略新兴产业特色专业,以广东省新能源产业发展特点和需求为导向,以生物质能、太阳能和风能等可再生能源的高效转换和清洁利用为核心技术,培养具备能源转化基础理论、应用技术和实践能力的高级复合型工程技术人才[1-3]。
1科研促进教学的教学模式的必要性认识
在战略新兴产业特色专业教学中,如果老师只停留在书本的固有知识、以自己的理论经验进行课堂的授课,是不能适应日新月异的新能源专业的发展需要,难以培养学生的创新意识与创新能力[4]。同时传统的教学模式,在原来的教学过程中,学生则习惯于被动地接受书本知识,故所学的知识往往局限在教师传授的范围内,缺乏解决实际问题和创新能力的训练。由于教学方法偏重于课本知识的传授却忽视了学生动手能力的培养,不利于教学质量的提高,更无法适应现代社会的要求[5]。鉴于教学与科研的重要性[6],笔者以能源与环境系统工程专业作为探索科研与教学关系的切入点,阐述科研与教学的相互驱动过程[7]。
2科研促进教学的教学模式的具体实施
2.1教师把科研内容带入理论课程
本专业开设的专业必修课程有《生物质能源工程》、《能源生物技术》、《太阳能工程》、《生物质化学》、《化工原理》、《工程热力学与传热学》与《环境工程原理等》等,均由能源与环境系统工程专业教师任课,其中100%的教师具有博士文凭。近三年来,授课老师承担国家自然科学基金、省部级、市厅级、校级、院级等不同层次的科研课题20余项,譬如国家自然科学基金面上项目“木质素降解酚类衍生物苯环上常压低温加氢脱氧协同转烷基化炼制BTX”、国家自然科学基金青年基金项目“畜禽粪便/秸秆基复合活性炭对土壤重金属钝化机理的研究”、广东省科技计划项目“基于农林废弃物连续热解炭化技术的多联产设备开发与应用”等项目,项目研究内容覆盖了能源与环境系统工程专业的不同领域。我们根据各老师的专业特长与研究方向,有针对性进行课程授课的安排,鼓励教师把自己的研究经验、体会及成果带进课堂中,让学生在每门专业课程的学习中,接触学科研究的前沿知识,提高学习兴趣,培养创新思维。例如,在《生物质能源工程》的教学中,任课教师把自己的科研项目“基于农林废弃物连续热解炭化技术的多联产设备开发与应用”的研究内容带入课堂,包括生物质压缩成型燃料技术、生物质气化技术、生物质热裂解技术和生物质催化重整制备燃料和化学品等,通过多媒体手段,把科研项目的研究方法、结果和数据、搭建的仪器设备平台等传授给学生,让学生进一步加深对本学科的认识。
2.2教师把科研内容带入实践课程
专业教学的指导思想是让学生在学完课程后能很快地将所学知识应用到实践中去,在专业教学理论之外,还应有大量的实践教学为支撑。在重要的专业技术课程中,一般都安排了课程实验、课程设计或课程实习,使得学生通过不同层次的实践,由深入浅地掌握相关知识。本专业开设的实践课程有《生物质能源工程实习》、《现代仪器分析实验》、《生物质化学实验》、《环境工程实验》、《专业综合实习》、《工程热力学与传热学实验》、《太阳能发电实验》、《太阳能电池设计与工艺实验》、《生物质测试分析实验》、《化工原理实验》等。为了使实践教学不落后于工程实际,必须及时更新理论和实验的教学内容,做到与时俱进,并结合教师的科研项目,尽量做到实践内容都有工程背景,这样能让学生感到实验、实习或课程设计不脱离实际,增强其学习兴趣[8]。譬如《专业综合实习》属于能源与环境系统工程专业的一门整合实习课,课程涉及工程热力学与传热学、清洁生产、节能技术、化工原理和环境工程原理等众多内容,课程以实践教学为主,在实习过程中有机地将项目“稻壳热解气化学链循环制纯H2协同CO2捕集关键技术研究”、“核壳结构生物炭复合肥制备工艺及关健技术”的新能源开发利用的基础理论和基础工艺结合起来,在实践中使学生对新能源开发利用和能源产物对环境治理的应用有完整的体验和认知,拓宽学生的工程知识,为从事新能源利用奠定坚实的基础。
2.3教师把科研内容带入课外科技活动
华南农业大学对学生课外创新创业活动一直以来都非常重视。(1)在学生处、团委、教务处、创新学院等部门的主导下,华南农业大学每学年的开学初期,组织进行大学生创新创业活动项目的申报,组织专家对所有项目进行评审,对优秀项目给予立项资助。同样,材料与能源学院对部分优秀项目也给以立项资助。能源与环就系统工程专业教师,以自身主持或参与的科研项目为平台,譬如项目“稻壳热解气化学链循环制纯H2协同CO2捕集关键技术研究”、“生物质炭还田对食用木薯种植的综合效果研究”、“畜禽粪便/秸秆基复合活性炭对土壤重金属钝化机理的研究”等,与专业学生进行沟通交流,并以此建立创新创业项目的研究方向和主题[9]。能源与环境系统专业的学生不仅有专业教师的科研平台,而且有专业教师的细心指导,已经获得了与教师科研项目相关的1个国家级、3个省级、多个校级的大学生创新创业项目,如2013年国家级创新创业项目“太阳能空气清新机”、2017年省级创新创业项目“不同孔径活性炭对负载二氧化钛光催化剂的影响机理研究”、2017年省级创新创业项目“基于农林废物宽适应性的化学链气化制取合成气的机制研究”;(2)同时,在专业教师的科研项目带动下,连续5届的专业学生参加国家农业建筑环境与能源相关专业竞赛,均获得殊荣,如特等奖2项,1等奖3项,2等奖3项等优异成绩,两项国家特等奖项目分别为2016年的“生物质连续热解装置设计”、2015年“滚筒式生物质连续热解反应器”,均是在专业教师的科研项目“基于传热过程的生物质热解模型研究”、“基于农林废弃物连续热解炭化技术的多联产设备开发与应用”带动下进行科学创新获取的成果;(3)无论是大学生创新创业活动,还是全国专业竞赛等,均是以不同年级的学生组队,可以起到师兄师姐带动师弟师妹进行科研学习,达到“帮传带”的作用。
3科研促进教学的教学模式的具体成效
虽然华南农业大学能源与环境系统工程专业开办时间短,2011年开始招收第一届学生(34人),但在新办专业中,能源与环境系统工程专业学生的创新创业活动立项每年均处于前列,并且参加多个省级以上的学科竞赛,获得国家级奖励10次,省级奖励10多次。这主要得益于专业教师较好地运用科研促进教学的做法,使学生在专业课程学习中接受了较多科学研究的教育与熏陶,教师也善于引导和组织学生开展科技活动和专业竞赛。
参考文献
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[7]吕文学,张丽晗,张艳茹.科研教学双向驱动式教学实践探析———以商务谈判课程为例[J].教育探索2013(4):38-40.
1、能源与动力工程:此专业学生主要学习动力工程及工程热物理的基础理论,学习各种能量转换及有效利用的理论与技术,受到现代动力工程师的基本训练,具有进行动力机械与热工设备设计、运行、实验研究的基本能力。
2、能源与环境系统工程:此专业培养具备宽厚热科学理论和能源与环境系统工程知识,能从事清洁能源开发、电力生产自动化、能源环境保护、制冷与低温、空调和储能、空调与人工环境等领域的设计、研究与管理的跨学科复合型高级技术人才。
3、新能源科学与工程:此专业面向新能源产业,根据能源领域的发展趋势和国民经济发展需要,培养在新能源科学研究及其利用的技术开发与实施等方面既有扎实的理论基础,又有较强的实践和创新能力的专门人才,以满足国家战略性新兴产业发展对该领域教学、科研、技术开发、工程应用、经营管理等方面的专业人才需求。
(来源:文章屋网 )
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)23-0114-02
“锅炉原理”是能源与环境系统工程专业(简称“能环专业”)本科生的重要专业课程,在学生完成传热学、工程热力学、流体力学等专业基础课程的基础上,课程以热力发电厂的生产和运行过程为背景,主要传授锅炉运行的基本原理、锅炉的主要组成结构和锅炉相关的计算方法。“锅炉原理”课程的特点是知识面很广、内容非常丰富、综合性很强,通过有限的学时使学生掌握好本门课程是专业课教师面临的主要问题。[1-3]
我国的能环专业由热能与动力工程发展而来,该专业由浙江大学最早创立并于2003年开始招收第一届本科专业。建立能环专业是为了适应国家能源战略发展要求,把热能动力和能源环境密切联系起来,使学生掌握能源与环境系统工程的基本理论,具备进行能源与环境工程及设备的设计、优化、控制和研究创新的综合能力。[4,5]东华大学于2008年开始招收能环专业本科,是东华大学较为年轻的专业。本文将结合东华大学能环专业的实际情况,浅谈“锅炉原理”课程建设过程中面临的问题、课程建设的内容和一些收获。
一、课程建设面临的问题
1.东华大学开设能环专业较晚,与锅炉原理课程相关的教学经验较缺乏
基于此,根据专业教学大纲,东华大学借鉴了浙江大学、山东大学、大连理工大学等重点院校能环专业教材,选取了由东南大学泰教授主编的《锅炉原理》中的相关章节,并进行一定程度的修订后作为学生上课教材。[3]
2.锅炉原理课程教学内容需和专业发展方向一致
和国内传统的热能动力领域高校,如清华大学、浙江大学、西安交通大学、东南大学等高校不同,东华大学能环专业不是以对口火电厂为主的传统的热能动力专业,这和学校以纺织学科为特色、热能动力专业发展起步晚等原因密切相关。因此,如果按照传统热能领域的培养方式,东华大学的能源与环境系统工程专业相比传统热能高校将处于劣势。然而,目前国内锅炉原理课程都是以电站锅炉为背景而设立,授课内容通常围绕电站煤粉锅炉进行。因此,结合东华大学能环专业特色将“锅炉原理”进行一定程度的修订。
3.课程内容多、综合性强,和锅炉原理课程学时少相矛盾
锅炉原理课程内容丰富,综合性强,包括燃料及燃烧计算、煤粉制备、燃烧理论及设备、锅炉受热面及工作原理、锅炉热力计算、水动力过程、锅炉外部过程及污染物净化,等等。因此,在20世纪八九十年代,传统院校锅炉原理课程安排的学时较多,分上、下两个学期进行,总学时达到96学时甚至更多。然而,随着教学改革的不断推进,为拓展学生知识面的新课程大幅增加,使得锅炉原理课程的学时不断压缩。东华大学能环专业分配到锅炉原理的课时为48学时,课程在一个学期内完成,学时相比以前压缩了一半。由于课时数少,因此很难在有限的时间内让学生掌握锅炉原理的结构组成、工作原理和计算方法。
4.锅炉技术发展迅速和锅炉原理教材内容更新慢相矛盾
锅炉原理是一门与时俱进的学科。随着锅炉技术的不断发展,锅炉原理的许多知识也在不断拓展和深化。因此,要求教学过程中不断完善锅炉原理教学大纲,更新和扩充教学内容,使锅炉原理课程内容跟上锅炉技术发展的最前沿。然而,目前的实际情况是,锅炉原理的教材内容更新较慢,这有多方面原因:首先,为保证教材内容的正确性,优秀的锅炉原理教材往往经历多年的编写和修订,因此教材的内容主要反映锅炉的成熟技术,锅炉最前沿的技术则不会详述;其次,锅炉原理理论和实践结合非常紧密,锅炉的许多先进技术往往掌握在一些国内外知名锅炉设计和制造商手中。出于知识产权保护的考虑,这些企业非常注意图纸、计算方法等技术资料的保密,这就给锅炉教材的更新造成客观上的困难。
二、课程建设的总体思路
开展锅炉原理课程建设首先要确立先进的教学思想,即教学思想要与国家战略需求、学生综合素质和能力的提高以及专业发展方向一致。锅炉原理的指导思想,一方面是强化学生对锅炉基本理论的认识,另一方面是提高学生分析和解决问题的综合能力。以学生综合能力的培养为核心进行课程规划,确定课程教学内容,探索教学手段,不断进行教学方法的创新。
三、课程建设的具体内容
1.教材选择
如前所述,由于东华大学以纺织学科为特色、热能动力专业发展起步晚等原因,能环专业的发展很难再走传统热能动力强校的老路。但学校对能环专业的重视和不断投入大笔专业建设资金,为能环专业的快速发展带来巨大契机。能环专业是国家特设专业,是国家为满足能源与环境领域专业人才的需求而特设的专业。随着人类对能源的空前需求,煤、石油和天然气等不可再生能源正在以前所未有的速度进行消耗,对不可再生能源的严重依赖使人类进入空前的能源危机;另一方面,由于矿物质能源的消耗所带来的环境污染、温室效应、气候变化等全球性问题也给人类社会的可持续发展敲响了警钟。
基于此,人类对生物质能等可再生能源的重视程度进入了前所未有的高度,也给东华大学能环专业的发展带来巨大的机遇和挑战。此外,也给锅炉技术的发展带来契机,燃煤锅炉不再局限于燃煤,还可以在生物质能利用过程中发挥巨大作用,以生物质为燃料的锅炉技术得到了快速发展。例如,以垃圾为燃料的垃圾焚烧锅炉、以污泥为燃料的污泥焚烧锅炉和以秸秆等农林作物为燃料的锅炉,等等。尽管目前出版的锅炉原理教材均以燃煤电站锅炉为背景而编写,但生物质锅炉等新兴锅炉也是在燃煤锅炉基础上发展起来,燃料的燃烧计算理论、燃烧设备、锅炉热力计算方法等内容并未发生显著变化。因此,选取了由东南大学泰教授主编的《锅炉原理》中的相关章节进行一定程度修订后作为学生的教材。
2.教学内容
教学内容主要包括燃料及燃烧计算、燃烧过程的理论基础、锅炉受热面结构和工作原理、锅炉热力计算、锅炉内部过程、锅炉外部过程及燃烧污染物净化技术。受学时所限,课堂上不可能对所有的知识点都讲深讲透,课程内容必然有所侧重。目前,大多数学校对锅炉原理课程内容偏重于燃料及燃烧计算、锅炉受热面结构和工作原理、锅炉热力计算(包括热平衡计算、炉内计算和对流受热面计算)、锅炉整体布置和水动力计算。[6,7]在学时较少的情况下,一般不再讲授锅炉强度计算和通风计算。为体现东华大学专业特色,对锅炉原理授课内容进行相应调整,例如在锅炉燃料介绍中侧重煤和生物质燃料,锅炉炉型不再侧重于煤粉炉,而是侧重于链条炉和生物质锅炉,煤粉制备不再介绍,等等。
3.教学方法
打破传统条条框框式教学,建立师生互动教学模式,建立教师讲解基本知识和重点―学生课堂讨论―学生提问和老师答疑授课程序,实现在轻松活泼的课堂教学环境中解决教学中的难题。教学内容由浅入深,并选取具有代表性的例题进行详细讲解。一些重要的知识点,如燃料和燃烧计算、锅炉受热面、锅炉热力计算、锅炉水力计算和锅炉整体布置等内容都要涉及,但在难度和深度上合理安排,时间安排紧凑,重点内容讲解投入时间比例要多一些。由于锅炉课程与现代科技发展密切相关,要求课程教学能及时反映锅炉技术的发展,通过深入锅炉现场考察和拍摄大量锅炉及内件照片,为上课提供生动资料。对于锅炉设备结构的讲解采用三维图片和设备运行动画相结合的方式,突破传统二维图片过于抽象的局限,加强学生对设备结构的理解。
4.教学手段
东华大学锅炉原理课程采用以多媒体教学为主、传统黑板板书教学为辅的教学模式,利用现代多媒体网络技术制作图文并茂的多媒体课件,锅炉设备结构、锅炉运行动画等教学内容必须通过多媒体工具进行展示。而对于锅炉理论和计算的讲解,例如燃烧理论、燃料燃烧计算、热平衡计算等内容往往涉及复杂的公式推导,通过采用黑板板书讲解的方式则能够促进学生对理论和计算内容的理解与掌握。
5.教学网站
利用学校的网络平台建立了锅炉原理教学网站,网站中设立了课程简介、课程内容、学术交流、课外知识等栏目。学生和老师可以在网上下载或上传资料,进行资源共享。学生可以在学术交流区向老师提出疑问,老师则可以定期上网答疑,师生交流互动方式更加灵便和自由。
6.考核方式
锅炉原理课程采用多样化的考核方式,考核内容包括平时成绩考核和期末成绩考核,以期末成绩考核为主。由于学时所限,课堂中不可能安排很多时间用于学生的训练,因此课程注重学生的课后练习,平时作业成绩占课程总成绩的10%;定期组织课堂讨论和小测验,该成绩占总成绩的10%;考核学生出勤率,出勤成绩占总成绩5%,无故旷课迟到学生出勤分将会打折扣。总之,考核方式的设定要体现教学的公平性,尽可能减少一些学生平时不努力、临时抱佛脚的现象,同时也要激发学生的学习积极性。
四、总结
2008年至今,通过课题组成员的不懈努力,锅炉原理课程先后建立了课程教学大纲、多媒体课件和课程网站、锅炉仿真模型等教学资源,课程建设取得很大成效。通过教学手段和教学资源的不断完善,学生的学习兴趣也不断提高。今后,我们将在已有的基础上不断改进教学方法,不断充实和更新教学资源,使东华大学锅炉原理课程教学水平不断迈上新台阶。
参考文献:
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[4]王丽丽,李文哲,王忠江.能源与环境系统工程专业优势及其未来发展[J].高等农业教育,2010,(6):54-56.
中图分类号 X82 文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2008)03-0139-04
当前,全球性气候变化引起了世界各国政府的高度重视。有限的环境容量不仅成为制约火电快速发展的关键因素,而且也使得我国的能源可持续利用面临严峻挑战。如何实现电能―环境系统的协调发展已经成为我国能源发展战略的当务之急。电能发展是协调的基础,而协调是对电能发展更高层次的要求[1]。在系统协调性研究方面,文献多是对人口、资源、经济、环境(PREE)复杂系统进行研究。王浣尘把子系统之间相互关联、相互作用的关系定义为系统集成的“协和程度”,并用“协和度”来定量表示[2];牛文元把可持续发展系统的总进程看作是系统间相互“妥协”的结果,并用质量维(协调度)予以体现[3~4];曾珍香就可持续发展的协调性与可持续发展的关系进行了深入分析,并用 状态协调度来反映系统发展的协调性[5];李艳提出经济―环境的系统指标体系并建立了系统协调发展的数学模型[6]。而针对电能―环境系统的研究还不多见,目前我国在电能环境协调发展领域的研究成果多数为定性分析,在探讨电力发展问题的时候皆是孤立地从电能与经济发展或是单独地从技术的角度上去分析其与环境污染的关系。本文在上述文献的研究基础上,基于我国电能―环境的发展现状,对我国1995-2005年电能―环境系统协调发展状况进行实证研究。
1 电能―环境系统协调发展内涵
协调的本意是“和谐一致,配合得当”,它描述了系统内部各要素之间的良性相互关系[6]。在经济发展过程中火电生产与环境保护间的冲突是难免的:经济发展需要有充足的电力作支撑,而大规模的煤电开发利用所产生的环境问题又会给电力工业的持续发展带来严峻的挑战。电能与环境系统之间总是存在不协调现象。只有不断进行协调、调节,才能保持系统之间的动态平衡协调关系;从而使系统整体以及各个子系统都能充分发挥其功能,达到复合系统的最佳整体效应[7]。
电能―环境系统是一个复杂的系统,其中环境系统是基础,电能系统是主体。电能―环境系统之间存在着复杂的相互作用(见图1),只有它们之间的这些相互作用产生协调效应,才能推动经济―环境系统向协调有序的方向发展,使经济稳定发展,资源合理高效利用、环境状况良好有序。
2 电能―环境系统协调发展评价指标体系
2.1 评价体系建立的原则
评价指标选取应遵循的原则包括:①指标体系必须针
对电能―环境系统的性质和特点,兼顾电能―环境系统的现状及未来的发展趋势,保证选出的指标体系的可行性及代表性。②电能―环境系统均是由复杂的多变量组成,为了便于数据的收集和整理,应对评价的指标进行筛选,选择的指标尽可能简单、明了,使之能够恰当地反映电能与环境系统之间相互依赖又相互制约的关系。③应当具有严格的科学性,具有可度量性和可统计性。
2.2 基于综合评价与规划研究的协调发展指标体系
本文在指标选取方面采用了频度分析、理论分析及专家咨询3种方法对指标体系进行了构建和筛选。频度统计法主要是对目前有关协调发展评价研究的报告和论文进行频度统计,选择那些使用频率较高的指标,这方面的内容主要体现在电能和环境系统。理论分析主要是对电能及环境的内涵、特征、基本要素、主要问题进行分析、比较、综合,选择那些针对性较强的指标。专家咨询法是在初步提出评价指标的基础上,进一步咨询专家的意见,对指标进行调整。运用这3种方法最终得到一般指标体系。
该评价指标体系是由目标层、系统层、准则层及指标层构成的具有梯阶层次结构的评价指标体系。其中系统层由火力发电系统及环境系统二大系统所组成;而中间准则层则包括了电力技术经济指标、电力发展水平指标、环境消耗指标、环境质量指标、环境补偿指标等几大内容;指标层是对准则层的细化,其选择原则是一方面要尽量能在目前相关统计机构能够有效收集;另一方面是能够反映煤电发展与环境保护间的相互关系。依据以上原则及对我国电能―环境系统的认识,将反映这一系统协调发展的相关因素加以分析和综合,本文构建了电能―环境系统协调度评价指标体系(见图2)。
3 我国电能―环境系统协调发展评价
3.1 我国电能―环境系统综合发展指数评价
结合我国电能―环境系统发展评价指标体系,本文选用了中国1995-2006年的相关数据,数据来源于国家发改委、国家统计局、国家信息中心数据库以及中国统计年鉴。由于电能―环境系统涉及数据指标较多,因此,在综合评价过程中本文选用了相对成熟、且较为常用的主成分分析法。这样一方面可以大大降低多变量数据系统的纬度,同时也简化了变量系统的统计数字特征。
我国电能―环境系统综合发展指数的分析步骤如下[4]:
结 论
我国1995-2001年期间,电能―环境系统协调发展状态大多为基本协调;但从2002年起,我国电能―环境系统的协调发展状况急转直下,由于前几年的电荒使得大规模新建电厂,造成对环境的巨大破坏,揭示了我国电能―环境系统发展间的冲突状态,这说明我国前几年来电力产能的大规模提升是以牺牲资源及环境为特征的粗放式发展为基础。但是,我们也注意到,在2005年协调度有所好转,这与我国出台的一系列环境保护政策和国家的“十一五”发展规划有关,表明随着国家能源利用效率控制措施以及新的《火电厂环境污染物排放标准》的出台,各地区电能―环境系统的冲突正在逐渐减弱,向良好、有序的方向发展。
要实现我国电能―环境的协调发展,关键在于如何将电能发展和环境资源保护有机协调起来,既能够为我国高速的经济发展提供充裕的能源供应,同时也能有效地减少环境污染。例如进一步优化电力工业的电源布局,调整能源结构,关停小火电和老机组,努力发展新能源和可再生能源,以“集约型”电力生产方式取代“粗放型”电力生产方式。同时,也需要国家制定相应的节能减排的优惠政策,为电力工业实施污染治理,减少污染排放,特别是建设燃煤脱硫装置创造公平的竞争环境和机制。
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