農業建筑環境工程課程建設探討
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摘要：太陽能工程是農業建筑環境與能源工程專業課程體系的重要組成部分，涉及多個學科領域，綜合性較強，在教學過程中存在教材針對性弱、課程實驗設備匱乏、輔助教學資源較少以及考核方式單一的問題。文章根據農業建筑環境與能源工程專業培養要求，提出了既體現學校自身的專業特色、又考慮人才市場需求和人才培養規律的太陽能工程課程建設方案。從課程內容設置、課程思政建設、課堂教學改革、課后創新實驗建設及考核方式多樣化等方面進行探討，并給出相應的建議，旨在滿足農業工程領域的太陽能工程應用人才培養需求。
關鍵詞：農業建筑環境與能源工程；太陽能工程；課程建設；實踐教學；創新實驗；課程思政
1引言
農業建筑環境與能源工程作為農業工程領域下轄的七個二級學科之一，是我國發展現代化農業產業、推進鄉村振興的基礎學科。由于專業的針對性不強、農業產業發展緩慢以及一些學生對從事農業領域工作的偏見，因此該專業較少有高校開辦且均由農業類大學設立。隨著傳統化石能源危機和全球范圍的環境問題、溫室效應越發突出，以及“雙碳”背景下農業現代化、農村城鎮化和現代新農村建設戰略的實施，該專業將在低碳化農業及“新能源+新農村”的建設進程中發揮決定性作用[1]。太陽能作為一種清潔環保的可再生能源（5%的太陽能相當于世界能源需求的50倍），將其應用于社會發展的各個領域是緩解甚至解決人類面臨的能源危機的根本途徑[2]。近年來，結合我國能源產業結構改革，太陽能光伏發電和光熱利用得到了廣泛推廣，從而推動了相關產業的快速發展。因此，農業建筑環境與能源工程作為農業工程領域中與能源利用緊密相關的專業，設立太陽能工程課程對確保整個專業課程體系構建的完整性、合理性和科學性具有重要意義。本文結合農業建筑環境與能源工程專業人才培養目標和河南農業大學（以下簡稱我校）在農業工程領域的學科特色，對太陽能工程課程的內容設置、課程思政建設、課堂教學改革、課后創新實驗建設及考核方式多樣化等環節進行探討，從而實現對現有課程的改造與提升，滿足新時代的人才培養需求。
2太陽能工程課程教學存在的問題
（1）教材針對性弱。由于太陽能工程技術涉及學科眾多，因此太陽能工程課程的教材選擇要具有較強的針對性。目前有關太陽能利用技術的教材較多。根據培養目標的不同，有些教材主要圍繞光伏發電技術而展開，有些教材則是針對光熱發電技術來闡述，但已有的教材主要集中于太陽能在工業及高端制造業領域的應用，偏離了農業類大學課程建設和人才培養目標，因此缺乏適用于農業建筑環境與能源工程專業的優質教材。（2）課程實驗設備匱乏。完善的配套課程實驗不僅可以激發學生的學習興趣，而且能夠幫助學生理解并掌握課堂理論知識，培養學生解決實際工程問題的能力[3]。目前尚沒有企業開發針對太陽能光熱轉換和光伏發電的課堂配套實驗設備，已有的實驗平臺存在體積大、可移動性和操作性弱等問題，導致實驗教學不能有效融入課堂教學過程。（3）輔助教學資源較少。輔助教學資源是指可以豐富和強化教學過程的各類素材，如工程案例影視介紹、系統運行原理動態解析、復雜儀器的分解等教程。目前缺乏太陽能應用于農業工程領域的教學資源，從線上線下可以查閱搜集到的可用素材非常有限，且大部分素材為企業產品的宣傳視頻，不適用于課堂教學。教師只能采用文字描述或靜態圖片加文字注釋的模式進行教學，不能有效激發學生的學習興趣，課堂活躍度較低。（4）考核形式單一。在義務教育階段，主要采用傳統的考試方式，通過試題來考查學生對知識點的掌握程度，偏重于對理論知識的考核。到了大學后亦是如此，考試內容教材化、考試題型標準化、考核方式單一化以及考試前“臨時抱佛腳”的現象凸顯[4]。特別是大學生在脫離了家長和教師的約束后，容易出現遲到、曠課、逃學等問題，嚴重者甚至出現大面積掛科、拿不到學位證書的情況。
3太陽能工程的課程建設
培養目標和知識點之間的關系是影響課程內容設置的兩個主要因素。在培養目標方面，要滿足社會的需求且形成專業特色。我校農業建筑環境與能源工程專業立足于農業大省河南，歷經了近四十年的發展，成為國家級特色專業，在農村清潔能源利用如農林廢棄物資源化利用（制氫/沼氣）、糧食干燥和太陽能利用等方面取得了一系列成果，開設的相關課程主要包括工程熱力學、傳熱學、沼氣工程、生物質能工程、節能原理、能源與環境、可再生能源、太陽能工程等。太陽能工程課程開設的目的是使學生理解太陽能利用對新農村建設和低碳農業生產的重要意義，用專業的理論和方法處理農村能源相關領域需求要素之間的關系，最終運用所學知識對農業工程領域太陽能利用工程進行合理科學的規劃和設計，使學生成為綠色農業工程方面的建設者、低碳農業生產技術的開拓者，為我國新農村建設和“雙碳”目標的實現貢獻力量。在知識點之間的關系方面，由于太陽能工程課程涉及光學、傳熱學、熱力學、材料學、電子學以及環境學、地理學等多種學科，因此需要科學合理地設計先導課程，使學生循序漸進地學習課程知識，避免教學過程出現知識點錯亂穿插及重復講授等問題。可以參考現有的太陽能利用相關優秀教材、專著以及結合我校農業建筑環境與能源工程專業特色，加工整理自編講義。教學內容包含五部分：第一部分，對太陽能的概述。使學生了解太陽能的特點、資源分布、利用方式和現狀、太陽輻射計算等，掌握太陽常數、大氣質量和太陽輻照度等基本概念。第二部分，首先介紹太陽能光熱轉換原理，通過常見的太陽能集熱系統，使學生掌握與太陽能有關的熱傳導問題如導熱、對流換熱和輻射換熱等，然后介紹常見的集熱器如平板式、真空管式、槽式、塔式集熱器以及新型的菲涅爾式聚光集熱器的結構和原理。第三部分，利用太陽能空調系統使學生掌握太陽能制冷的物理原理和常用方式，包括吸收式制冷、吸附式制冷及噴氣壓縮式制冷等，并能夠通過工程熱力學知識對常見的太陽能制冷系統進行優化設計及性能評價。第四部分，通過簡單的太陽能光伏發電系統使學生掌握光伏發電系統的構成、原理以及光伏系統評價指標和評價方法，了解光伏發電系統的分類及制造。第五部分，介紹太陽能利用技術的具體應用實例，即太陽能復合系統在農村能源領域的應用，如農村家用太陽能光伏發電、供熱與空調集合系統（光伏屋頂），農業建筑（新型太陽能生態農業大棚）一體化太陽能光伏光熱技術系統[5]，太陽能光伏/光熱耦合生物質的分布式能源系統等。結合具體的農業工程應用案例使學生了解太陽能熱電冷聯供系統的常用形式、系統設計方法和系統運行控制策略等。
4太陽能工程課程教學改革路徑
4.1加強課程思政環節
2016年，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上指出，高校思想政治工作關系高校培養什么樣的人、如何培養人以及為誰培養人這個根本問題。要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面[6]。高等教育是提高我國核心競爭力、實現中華民族偉大復興的基礎，其不僅致力于提高學生的知識水平，還肩負著培育學生的思想品德、引導學生樹立正確的政治方向等職責。大學課堂是實施人才培養和落實立德樹人的主戰場，有效地把課堂知識講授與思想政治工作有機結合起來是推動課程思政建設的關鍵[7-8]。太陽能工程作為新興的可再生能源技術產業，與我國經濟建設、社會發展、環境保護和資源可持續利用等息息相關。可以通過介紹行業內有著突出貢獻的人物如獲得2020年太陽能熱利用科學技術杰出貢獻獎的葛新石教授以及因發明漸變鋁氮/鋁太陽能選擇性吸收涂層技術而取得太陽能熱利用技術重大突破的殷志強教授，從而對學生進行愛國主義教育，培養學生的奉獻精神。通過介紹光伏產業發展史上具有代表性的企業如隆基股份、天合光能和晶澳科技等突破國外技術封鎖、實現“彎道超車”的故事，培養學生勇于挑戰、攻堅克難的品質。合理挖掘各章節知識點所蘊含的思政元素，能夠實現課堂知識能力和思政素養的雙重培養。
4.2實施教學方法改革
太陽能工程作為一門工程類課程，是在學生掌握工程熱力學、傳熱學、流體力學基本理論以及電工電子技術的基礎上開展的。因此，太陽能工程課程不能像上述理論課程一樣局限于書本，并過多地關注理論知識的講解與推導，而應當更多地把多媒體教學和實驗教學融入課堂教學中[9]。利用多媒體視頻使學生了解國內外有關太陽能利用的工程案例，確保課堂聲像俱佳，不僅可以激發學生的學習興趣，而且可以有效幫助學生理解理論知識[10]。另外，太陽能技術發展迅速，特別是在光伏發電技術領域，因此可以結合最新的科研講座視頻開展相關的教學研究，使學生在習得知識的同時掌握最新的科研動態，從而激發學生的學習興趣、拓展課堂教學的深度。雖然現有的太陽能工程課程設置了相應的實驗環節，但是理論教學和實驗教學基本上是分開的，即在學生在完成了相關理論知識的學習后，再進行統一的實驗。因此，可以把簡易的實驗引入課堂教學中，或者把課堂教學搬到實驗室進行，實現理論教學和實驗教學的有效結合。
4.3更新實驗裝置及實驗內容
實驗教學是幫助學生將理論知識轉化為實際應用的重要環節，對激發學生的學習興趣、啟發學生思考及解決實際應用問題、提高學生的創新實踐能力具有重要意義[11]。一方面，可結合我校農業建筑環境與能源工程專業特色，搭建太陽能光伏光熱耦合干燥器實驗平臺，通過光伏發電為整個干燥系統提供強制對流動力，提升干燥效率；另一方面，通過換熱器對光伏板進行冷卻，提升光伏發電效率，同時對進入干燥系統的冷風進行預熱。通過該平臺了解太陽入射角影響、太陽能電池板伏安特性、電池板溫度與輸出功率間的關系等[12]，并且可以實驗探究太陽能電池板冷卻特性如冷卻介質、換熱工況及換熱器形式等因素的影響。篩選出對太陽能利用技術有濃厚興趣的學生，指導其完成諸如新型太陽能生態農業大棚的設計、太陽能干燥系統與吸收式制冷系統耦合的限氧干燥裝置設計、利用熱管和相變儲熱技術的太陽能沼氣發酵加熱系統設計等農業工程領域的創新實驗，鼓勵學生參加全國大學生節能減排大賽、全國大學生農業建筑環境與能源工程相關專業創新創業競賽，形成以研促學、以賽促學的創新教學模式。
4.4考核方式多樣化
大學教育特別是工程類課程教學，應更加注重考核學生對課程知識的運用能力及實踐能力，如此才能促使學生轉變傳統的理論學習方式[13-14]。太陽能工程課程考核可以分為課堂參與度考核、創新實驗考核以及理論知識考核（期末考試）。在課堂參與度方面，依據學生在課堂上回答問題、參與課堂知識講解時的表現對學生進行打分，從而調動學生課堂學習的積極性，打造互動式課堂、討論式課堂。在創新實驗方面，依據學生參與課程創新實驗的表現、實驗報告等對學生進行打分，計入綜合成績，從而鼓勵學生參與創新實驗，培養學生的動手能力和創新能力。考核方式的多樣化，既能增加學生對學習的新鮮感，提升學生的學習興趣，促進實踐教學，又能降低期末考試的比重，使學生注重過程性學習，避免學生在考前“臨時抱佛腳”。
作者:劉新新 青春耀 劉亮 焦有宙 賀超單位:河南農業大學機電工程學院 生物質能源河南省協同創新中心
