农业建筑环境工程课程建设探讨

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摘要：太阳能工程是农业建筑环境与能源工程专业课程体系的重要组成部分，涉及多个学科领域，综合性较强，在教学过程中存在教材针对性弱、课程实验设备匮乏、辅助教学资源较少以及考核方式单一的问题。文章根据农业建筑环境与能源工程专业培养要求，提出了既体现学校自身的专业特色、又考虑人才市场需求和人才培养规律的太阳能工程课程建设方案。从课程内容设置、课程思政建设、课堂教学改革、课后创新实验建设及考核方式多样化等方面进行探讨，并给出相应的建议，旨在满足农业工程领域的太阳能工程应用人才培养需求。

关键词：农业建筑环境与能源工程；太阳能工程；课程建设；实践教学；创新实验；课程思政

1引言

农业建筑环境与能源工程作为农业工程领域下辖的七个二级学科之一，是我国发展现代化农业产业、推进乡村振兴的基础学科。由于专业的针对性不强、农业产业发展缓慢以及一些学生对从事农业领域工作的偏见，因此该专业较少有高校开办且均由农业类大学设立。随着传统化石能源危机和全球范围的环境问题、温室效应越发突出，以及“双碳”背景下农业现代化、农村城镇化和现代新农村建设战略的实施，该专业将在低碳化农业及“新能源+新农村”的建设进程中发挥决定性作用[1]。太阳能作为一种清洁环保的可再生能源（5%的太阳能相当于世界能源需求的50倍），将其应用于社会发展的各个领域是缓解甚至解决人类面临的能源危机的根本途径[2]。近年来，结合我国能源产业结构改革，太阳能光伏发电和光热利用得到了广泛推广，从而推动了相关产业的快速发展。因此，农业建筑环境与能源工程作为农业工程领域中与能源利用紧密相关的专业，设立太阳能工程课程对确保整个专业课程体系构建的完整性、合理性和科学性具有重要意义。本文结合农业建筑环境与能源工程专业人才培养目标和河南农业大学（以下简称我校）在农业工程领域的学科特色，对太阳能工程课程的内容设置、课程思政建设、课堂教学改革、课后创新实验建设及考核方式多样化等环节进行探讨，从而实现对现有课程的改造与提升，满足新时代的人才培养需求。

2太阳能工程课程教学存在的问题

（1）教材针对性弱。由于太阳能工程技术涉及学科众多，因此太阳能工程课程的教材选择要具有较强的针对性。目前有关太阳能利用技术的教材较多。根据培养目标的不同，有些教材主要围绕光伏发电技术而展开，有些教材则是针对光热发电技术来阐述，但已有的教材主要集中于太阳能在工业及高端制造业领域的应用，偏离了农业类大学课程建设和人才培养目标，因此缺乏适用于农业建筑环境与能源工程专业的优质教材。（2）课程实验设备匮乏。完善的配套课程实验不仅可以激发学生的学习兴趣，而且能够帮助学生理解并掌握课堂理论知识，培养学生解决实际工程问题的能力[3]。目前尚没有企业开发针对太阳能光热转换和光伏发电的课堂配套实验设备，已有的实验平台存在体积大、可移动性和操作性弱等问题，导致实验教学不能有效融入课堂教学过程。（3）辅助教学资源较少。辅助教学资源是指可以丰富和强化教学过程的各类素材，如工程案例影视介绍、系统运行原理动态解析、复杂仪器的分解等教程。目前缺乏太阳能应用于农业工程领域的教学资源，从线上线下可以查阅搜集到的可用素材非常有限，且大部分素材为企业产品的宣传视频，不适用于课堂教学。教师只能采用文字描述或静态图片加文字注释的模式进行教学，不能有效激发学生的学习兴趣，课堂活跃度较低。（4）考核形式单一。在义务教育阶段，主要采用传统的考试方式，通过试题来考查学生对知识点的掌握程度，偏重于对理论知识的考核。到了大学后亦是如此，考试内容教材化、考试题型标准化、考核方式单一化以及考试前“临时抱佛脚”的现象凸显[4]。特别是大学生在脱离了家长和教师的约束后，容易出现迟到、旷课、逃学等问题，严重者甚至出现大面积挂科、拿不到学位证书的情况。

3太阳能工程的课程建设

培养目标和知识点之间的关系是影响课程内容设置的两个主要因素。在培养目标方面，要满足社会的需求且形成专业特色。我校农业建筑环境与能源工程专业立足于农业大省河南，历经了近四十年的发展，成为国家级特色专业，在农村清洁能源利用如农林废弃物资源化利用（制氢/沼气）、粮食干燥和太阳能利用等方面取得了一系列成果，开设的相关课程主要包括工程热力学、传热学、沼气工程、生物质能工程、节能原理、能源与环境、可再生能源、太阳能工程等。太阳能工程课程开设的目的是使学生理解太阳能利用对新农村建设和低碳农业生产的重要意义，用专业的理论和方法处理农村能源相关领域需求要素之间的关系，最终运用所学知识对农业工程领域太阳能利用工程进行合理科学的规划和设计，使学生成为绿色农业工程方面的建设者、低碳农业生产技术的开拓者，为我国新农村建设和“双碳”目标的实现贡献力量。在知识点之间的关系方面，由于太阳能工程课程涉及光学、传热学、热力学、材料学、电子学以及环境学、地理学等多种学科，因此需要科学合理地设计先导课程，使学生循序渐进地学习课程知识，避免教学过程出现知识点错乱穿插及重复讲授等问题。可以参考现有的太阳能利用相关优秀教材、专著以及结合我校农业建筑环境与能源工程专业特色，加工整理自编讲义。教学内容包含五部分：第一部分，对太阳能的概述。使学生了解太阳能的特点、资源分布、利用方式和现状、太阳辐射计算等，掌握太阳常数、大气质量和太阳辐照度等基本概念。第二部分，首先介绍太阳能光热转换原理，通过常见的太阳能集热系统，使学生掌握与太阳能有关的热传导问题如导热、对流换热和辐射换热等，然后介绍常见的集热器如平板式、真空管式、槽式、塔式集热器以及新型的菲涅尔式聚光集热器的结构和原理。第三部分，利用太阳能空调系统使学生掌握太阳能制冷的物理原理和常用方式，包括吸收式制冷、吸附式制冷及喷气压缩式制冷等，并能够通过工程热力学知识对常见的太阳能制冷系统进行优化设计及性能评价。第四部分，通过简单的太阳能光伏发电系统使学生掌握光伏发电系统的构成、原理以及光伏系统评价指标和评价方法，了解光伏发电系统的分类及制造。第五部分，介绍太阳能利用技术的具体应用实例，即太阳能复合系统在农村能源领域的应用，如农村家用太阳能光伏发电、供热与空调集合系统（光伏屋顶），农业建筑（新型太阳能生态农业大棚）一体化太阳能光伏光热技术系统[5]，太阳能光伏/光热耦合生物质的分布式能源系统等。结合具体的农业工程应用案例使学生了解太阳能热电冷联供系统的常用形式、系统设计方法和系统运行控制策略等。

4太阳能工程课程教学改革路径

4.1加强课程思政环节

2016年，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出，高校思想政治工作关系高校培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人这个根本问题。要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面[6]。高等教育是提高我国核心竞争力、实现中华民族伟大复兴的基础，其不仅致力于提高学生的知识水平，还肩负着培育学生的思想品德、引导学生树立正确的政治方向等职责。大学课堂是实施人才培养和落实立德树人的主战场，有效地把课堂知识讲授与思想政治工作有机结合起来是推动课程思政建设的关键[7-8]。太阳能工程作为新兴的可再生能源技术产业，与我国经济建设、社会发展、环境保护和资源可持续利用等息息相关。可以通过介绍行业内有着突出贡献的人物如获得2020年太阳能热利用科学技术杰出贡献奖的葛新石教授以及因发明渐变铝氮/铝太阳能选择性吸收涂层技术而取得太阳能热利用技术重大突破的殷志强教授，从而对学生进行爱国主义教育，培养学生的奉献精神。通过介绍光伏产业发展史上具有代表性的企业如隆基股份、天合光能和晶澳科技等突破国外技术封锁、实现“弯道超车”的故事，培养学生勇于挑战、攻坚克难的品质。合理挖掘各章节知识点所蕴含的思政元素，能够实现课堂知识能力和思政素养的双重培养。

4.2实施教学方法改革

太阳能工程作为一门工程类课程，是在学生掌握工程热力学、传热学、流体力学基本理论以及电工电子技术的基础上开展的。因此，太阳能工程课程不能像上述理论课程一样局限于书本，并过多地关注理论知识的讲解与推导，而应当更多地把多媒体教学和实验教学融入课堂教学中[9]。利用多媒体视频使学生了解国内外有关太阳能利用的工程案例，确保课堂声像俱佳，不仅可以激发学生的学习兴趣，而且可以有效帮助学生理解理论知识[10]。另外，太阳能技术发展迅速，特别是在光伏发电技术领域，因此可以结合最新的科研讲座视频开展相关的教学研究，使学生在习得知识的同时掌握最新的科研动态，从而激发学生的学习兴趣、拓展课堂教学的深度。虽然现有的太阳能工程课程设置了相应的实验环节，但是理论教学和实验教学基本上是分开的，即在学生在完成了相关理论知识的学习后，再进行统一的实验。因此，可以把简易的实验引入课堂教学中，或者把课堂教学搬到实验室进行，实现理论教学和实验教学的有效结合。

4.3更新实验装置及实验内容

实验教学是帮助学生将理论知识转化为实际应用的重要环节，对激发学生的学习兴趣、启发学生思考及解决实际应用问题、提高学生的创新实践能力具有重要意义[11]。一方面，可结合我校农业建筑环境与能源工程专业特色，搭建太阳能光伏光热耦合干燥器实验平台，通过光伏发电为整个干燥系统提供强制对流动力，提升干燥效率；另一方面，通过换热器对光伏板进行冷却，提升光伏发电效率，同时对进入干燥系统的冷风进行预热。通过该平台了解太阳入射角影响、太阳能电池板伏安特性、电池板温度与输出功率间的关系等[12]，并且可以实验探究太阳能电池板冷却特性如冷却介质、换热工况及换热器形式等因素的影响。筛选出对太阳能利用技术有浓厚兴趣的学生，指导其完成诸如新型太阳能生态农业大棚的设计、太阳能干燥系统与吸收式制冷系统耦合的限氧干燥装置设计、利用热管和相变储热技术的太阳能沼气发酵加热系统设计等农业工程领域的创新实验，鼓励学生参加全国大学生节能减排大赛、全国大学生农业建筑环境与能源工程相关专业创新创业竞赛，形成以研促学、以赛促学的创新教学模式。

4.4考核方式多样化

大学教育特别是工程类课程教学，应更加注重考核学生对课程知识的运用能力及实践能力，如此才能促使学生转变传统的理论学习方式[13-14]。太阳能工程课程考核可以分为课堂参与度考核、创新实验考核以及理论知识考核（期末考试）。在课堂参与度方面，依据学生在课堂上回答问题、参与课堂知识讲解时的表现对学生进行打分，从而调动学生课堂学习的积极性，打造互动式课堂、讨论式课堂。在创新实验方面，依据学生参与课程创新实验的表现、实验报告等对学生进行打分，计入综合成绩，从而鼓励学生参与创新实验，培养学生的动手能力和创新能力。考核方式的多样化，既能增加学生对学习的新鲜感，提升学生的学习兴趣，促进实践教学，又能降低期末考试的比重，使学生注重过程性学习，避免学生在考前“临时抱佛脚”。

作者:刘新新 青春耀 刘亮 焦有宙 贺超单位:河南农业大学机电工程学院 生物质能源河南省协同创新中心