試議能源可持續發(fā)展公選課授課實(shí)踐及其拓展

論文摘要：能源的合理開(kāi)發(fā)利用、可持續發(fā)展對世界經(jīng)濟和人類(lèi)社會(huì )發(fā)展具有重要意義。公共選修課是高校課程體系的重要組成部分，如何加強本科生節能與環(huán)保意識的培養是高等教育的一個(gè)重要任務(wù)。結合所在學(xué)校開(kāi)設并講授能源與可持續發(fā)展公選課的實(shí)踐和創(chuàng )新體會(huì )，摸索出一套行之有效的方法，如引入最新科技成果、新概念引發(fā)學(xué)生思考；加強學(xué)生的社會(huì )、生產(chǎn)實(shí)踐，培養工程的觀(guān)念；針對學(xué)生的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，逐年加大了素質(zhì)教育的內容，加強對中國傳統文化的了解。實(shí)踐證明，以上新的舉措取得了較好的效果。

論文關(guān)鍵詞：教育；能源與環(huán)境；公共選修課

“能源”與“環(huán)境”是當今世界發(fā)展的兩大主題。能源是人類(lèi)社會(huì )賴(lài)以生存的重要物質(zhì)基礎，是工業(yè)的食糧、社會(huì )經(jīng)濟的命脈。隨著(zhù)社會(huì )生產(chǎn)力的發(fā)展，人類(lèi)對能源的需求量日益增大。但是，當今世界所使用的能源絕大多數仍取自地球，隨著(zhù)不斷地開(kāi)采和利用，各種能源資源日漸枯竭，能否滿(mǎn)足未來(lái)世界不斷增加的能源需求是人類(lèi)共同面臨的問(wèn)題。 為適應上述形勢需要和公選課要求，蘇州大學(xué)于2006年面向全校非動(dòng)力機械與工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設能源可持續發(fā)展公選課。公共選修課是高校課程體系的重要組成部分，是學(xué)生擴展橫向知識、培養自學(xué)和動(dòng)手能力的最佳平臺。多年來(lái)，學(xué)校在加強全校本科生能源與環(huán)境意識的培養上不斷探索與創(chuàng )新，逐步摸索出一套行之有效的方法。由于其他專(zhuān)業(yè)的學(xué)生不具備相關(guān)的專(zhuān)業(yè)基礎，因此，在授課過(guò)程中講授能源與環(huán)境的基本概念、國內、國際能源使用現狀與嚴峻形勢、能源與世界政治、經(jīng)濟的關(guān)系、新能源的開(kāi)發(fā)與使用、世界環(huán)境現狀、環(huán)境與人類(lèi)的生存以及各種環(huán)境保護的一般方法等科普性的知識，以使學(xué)生易于理解和接受。 這門(mén)課程主要講授以下內容：當代科學(xué)技術(shù)發(fā)展趨勢及我國科技發(fā)展的戰略部署；熱工基礎（熱力學(xué)、傳熱學(xué)及流體力學(xué)和燃燒學(xué)基礎部分）；工程熱物理學(xué)科的發(fā)展戰略；能源基礎知識；可持續發(fā)展；能源科技發(fā)展及可再生能源發(fā)展狀況（生物能、太陽(yáng)能、地熱能、風(fēng)能、潮汐能、氫能和燃料電池）和開(kāi)發(fā)利用技術(shù)；火力發(fā)電廠(chǎng)基本知識；核能發(fā)電；大氣環(huán)境保護原理基礎；潔凈煤技術(shù)概論；潔凈煤技術(shù)（SOx）產(chǎn)生機理及控制技術(shù)；潔凈煤技術(shù)（NOx）的產(chǎn)生機理及排放控制技術(shù)；節能原理簡(jiǎn)介及相關(guān)技術(shù)（能量系統的分析方法、工業(yè)過(guò)程節能的途徑與方法）；針對當下能源與環(huán)境中的熱點(diǎn)問(wèn)題和新技術(shù)進(jìn)行專(zhuān)題討論。 在近些年的“能源與可持續發(fā)展”教學(xué)摸索與實(shí)踐中，學(xué)生反映良好，筆者總結出一些方法和經(jīng)驗，以下就較為典型的幾個(gè)突出問(wèn)題談?wù)勛约旱恼J識與實(shí)踐。

一、與時(shí)俱進(jìn)引入新概念，引發(fā)學(xué)生思考

科研為教學(xué)創(chuàng )設一種學(xué)術(shù)氛圍和探索研究的環(huán)境，將新的科學(xué)技術(shù)成就和成果及時(shí)引入教學(xué)，則能使課程教學(xué)更具現實(shí)性、前沿性，提高教學(xué)質(zhì)量和水平。能源利用基礎部分涉及到熱學(xué)知識，筆者引入了過(guò)增元院士提出的熱學(xué)新概念，但是并不深入介紹，而是介紹現有概念來(lái)龍去脈，引起學(xué)生思考，感受大師的思維方法。 先從日常生活中的熱現象著(zhù)手，介紹熱學(xué)基本概念。 其次從熱的本質(zhì)講其發(fā)展簡(jiǎn)史，引經(jīng)據典，如介紹南北朝成書(shū)的《關(guān)尹子》、東漢王充的著(zhù)作《論衡·寒溫篇》、漢代《淮南萬(wàn)畢術(shù)》、《武林舊事》等熱現象記載，講述古希臘科學(xué)家對熱的認識，引出兩種觀(guān)點(diǎn)即熱質(zhì)說(shuō)和熱動(dòng)說(shuō)。熱質(zhì)說(shuō)認為熱是一種沒(méi)有質(zhì)量的特殊物質(zhì)，熱動(dòng)說(shuō)認為熱是物質(zhì)粒子的微觀(guān)運動(dòng)。這兩種思想相互碰撞、辯論了好幾個(gè)世紀，但是這兩種思想并不是鮮明的對立，很多思想中都包含著(zhù)兩種思想的影子。 再就現有傳熱學(xué)面臨的挑戰引發(fā)同學(xué)思考，如： 其一，經(jīng)典的傳熱規律面臨極端條件下傳熱現象的巨大挑戰。例如以激光的利用為代表的超快速加熱，如激光武器和激光加工技術(shù)，激光脈沖寬度可達到飛秒量級，如何預測激光加熱過(guò)程是傳統熱學(xué)原理遇到的問(wèn)題。 其二，經(jīng)典熱學(xué)中還沒(méi)有以提高能源利用率為目的的傳熱過(guò)程的優(yōu)化理論和技術(shù)。當前面臨世界性的能源短缺問(wèn)題，我國面臨的節能減排的形勢更為嚴峻。因此，提高能源利用效率更為重要。然而，傳熱學(xué)中只有熱量傳遞速率而沒(méi)有熱量傳遞效率的概念，所以只有傳熱過(guò)程的強化而無(wú)傳熱過(guò)程優(yōu)化的理論和技術(shù)。 其三，傅立葉導熱定律導致熱傳播速度為無(wú)窮大的缺陷還沒(méi)有很好地解決。早在1822 年，法國的數學(xué)家、物理學(xué)家傅利葉就提出了著(zhù)名的傅立葉導熱定律，即熱流與溫度梯度成正比。盡管作為實(shí)驗定律的傅利葉導熱定律已為大量的工程實(shí)踐所證實(shí)，并獲得了廣泛的應用。然而，用傅利葉導熱定律描述瞬態(tài)導熱過(guò)程時(shí)，由于所得到的熱傳導方程是拋物型的。這隱含著(zhù)熱是以擴散的方式傳播，因此出現了熱擾動(dòng)傳播速度無(wú)窮大的佯謬。傅立葉定律的這一缺陷表明，它只是一個(gè)唯象的近似定律，在物理上是不完善的。 其四，傳熱學(xué)缺乏同物理其他分支學(xué)科之間共性的量和規律。傅立葉在他的熱學(xué)專(zhuān)著(zhù)《熱的解析理論》中指出“……無(wú)論力學(xué)理論的研究范圍如何，它們都不能應用于熱效應。這些熱效應構成一個(gè)特殊的現象類(lèi)，它們不能用運動(dòng)和平衡的原理來(lái)解釋……自然哲學(xué)的這一部分不可能與動(dòng)力學(xué)的理論有關(guān)，它有它本身特有的原理?！?與物理學(xué)的其他分支學(xué)科相比，熱學(xué)沒(méi)有的概念有：質(zhì)量、力、速度、動(dòng)量；波、振動(dòng)等。熱學(xué)獨有的概念有：熵、可用能、狀態(tài)量和過(guò)程量等。 由于學(xué)生們是學(xué)過(guò)大學(xué)物理學(xué)的，對物理學(xué)內容的構架有基本認識。通過(guò)以上縱向比較，同學(xué)們一致認為對物理學(xué)有了更深刻的認識，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習興趣，收到了良好效果。

社會(huì )實(shí)踐、調研是本科生教學(xué)的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節，是學(xué)生接觸社會(huì )、工程或生產(chǎn)實(shí)際的一個(gè)基本手段。同時(shí)，教學(xué)中實(shí)際例題分析是最具說(shuō)服力的，對學(xué)生知識認知、理解和分析幫助很大，他們也比較感興趣。 例如筆者結合實(shí)際項目介紹：在分布式能源系統中，讓學(xué)生實(shí)踐調研華東地區氣候條件，統計華東四省一市主要城市月度氣溫，調查華東四省一市或華東地區主要城市天然氣資源、華東四省一市或華東地區主要城市電價(jià)及華東地區醫院、酒店、商業(yè)、娛樂(lè )設施、辦公、機場(chǎng)、學(xué)校、居民等用戶(hù)的冷負荷、熱負荷和電負荷需求、持續時(shí)間。同學(xué)們利用假期在所在地區積極調研，得出華東地區民用電價(jià)平均值為0.5645元/度，燃氣銷(xiāo)售價(jià)格2.2元/立方米，工業(yè)電價(jià)平均值為0.9元/度，燃氣銷(xiāo)售價(jià)格3.5元/立方米。通過(guò)調查，同學(xué)們得到華東地區空調供應時(shí)間一般是：制冷100～150天，采暖90～100天，過(guò)渡期110～170天，制冷和采暖的需求時(shí)間相對比較長(cháng)些。這些是華東地區發(fā)展天然氣分布式能源系統的有利條件和基礎。而學(xué)生實(shí)踐也為筆者豐富了教學(xué)內容，使筆者感受到教學(xué)的樂(lè )趣，實(shí)現了教學(xué)相長(cháng)。 筆者結合具體設計案例引發(fā)學(xué)生思考，如：賓館的主樓建筑面積27000m2，裙房建筑面積約3000m2。賓館用電量較高，同時(shí)也有夏季冷負荷、冬季熱負荷和全年熱水的需求。本賓館分布式能源系統主要由1臺內燃機發(fā)電機組和2臺溴化鋰吸收式冷溫水機組組成。系統的總發(fā)電量、制冷量、制熱量、制熱水量分別為600kW、3000kW、2400kW、7.7t，分布式能源系統設計年運行天數330天（扣除檢修時(shí)間）。本項目為全年運行，其中供冷期主要為夏季年運行120天左右，供熱期主要為冬季年運行105天左右，熱水供應全年運行330天左右（扣除檢修）。 系統配置從原理上進(jìn)行科普性介紹，而不詳細展開(kāi)，如本分布式能源系統所用發(fā)電機組選用曼海姆的TCG2016V12C。選用的兩臺遠大溴化鋰吸收式冷溫水機組分別為1臺BZHEY125XD 一體化煙氣熱水直燃機和1臺 BZY125XD 一體化直燃機。 分布式能源系統注重技術(shù)與經(jīng)濟的結合，結合本案例分析氣價(jià)、電價(jià)對系統影響，指出技術(shù)上合理還要經(jīng)濟上合算的工程經(jīng)濟學(xué)思想，介紹最簡(jiǎn)單的投資回收年限的概念。本案例中主要取決于投資成本和收益額的大小。其中，投資成本是指購買(mǎi)設備所需要的費用，主要指新設備的初投資、收益額表示系統年收益（輸出的冷、熱、電）減去系統運行及維護費用。 理論方法與生產(chǎn)和生活實(shí)際相結合，調動(dòng)學(xué)生學(xué)習的積極性，通過(guò)案例分析使學(xué)生初步掌握工程思想，并學(xué)會(huì )用所學(xué)知識解決實(shí)際問(wèn)題。

三、可持續發(fā)展與古代樸素的人與自然的基本關(guān)系

鑒于公選課從內容到教學(xué)形式相對自由一些，針對學(xué)生的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)逐年加大了素質(zhì)教育的內容。 “可持續發(fā)展”一詞是在1980年的《世界自然保護大綱》中首次作為術(shù)語(yǔ)提出的。在此期間還提出了“可持續性”和“持續發(fā)展”等概念?！翱沙掷m性”是指社會(huì )系統、生態(tài)系統或任何其他不斷發(fā)展中的系統繼續正常運轉到無(wú)限將來(lái)而不會(huì )由于耗盡關(guān)鍵資源而被迫衰弱的一種能力。1987年，挪威首相布倫特蘭夫人主持世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì )，在長(cháng)篇專(zhuān)題報告《我們共同的未來(lái)》中第一次明確提出了可持續發(fā)展的定義?！翱沙掷m發(fā)展”概念應該是“可持續性”和“持續發(fā)展”的結合，既要考慮發(fā)展也要考慮環(huán)境、資源、社會(huì )等各方面保持一定水平。 但是講到這些，強調可持續發(fā)展的思想其實(shí)在中國源遠流長(cháng)，下面列舉如下例子以引發(fā)人們對中國傳統文化的崇尚：“為人君而不能謹守其山林菹澤草萊，不可以立為天下王”；“斬伐養長(cháng)，不失其時(shí)，故山林不童，而百姓有余材也”；“竭澤而漁，豈不得魚(yú)，而明年無(wú)魚(yú)；焚藪而田，豈不獲得，而明年無(wú)獸”?？鬃诱f(shuō)：“斷一樹(shù)，殺一獸，不以其時(shí)，非孝也?！彼€說(shuō)：“啟螫不殺則順人道，方長(cháng)不折則恕仁也?！笨鬃釉谒约旱纳顚?shí)踐中一向是“釣而不網(wǎng)，戈不射宿”。 中國傳統文化的“天人合一”思想即把人類(lèi)放在大自然生態(tài)環(huán)境中加以考慮，主張人與大自然息息相通，和諧一致，天、地、人一體化?？鬃诱f(shuō)：“大哉，堯之為君也，巍巍乎，唯天為人，唯堯則之?！笨鬃涌隙颂熘蓜t，即肯定了自然的可則、人與自然具有統一性?！吨杏埂分杏小叭f(wàn)物并育而不相害，道并行而不相?！?，把人與自然的發(fā)展變化看作是相輔相成的和諧、平衡運動(dòng)。人與大自然的關(guān)系不是對抗的而是協(xié)和共存的，不應把天、地、人孤立起來(lái)考慮，而應把三者放在一個(gè)大系統中作整體的把握，強調天人的協(xié)調、和諧，人與自然的協(xié)調、和諧?！疤烊撕弦弧笔侵袊鴤鹘y文化對于人與自然關(guān)系的最基本的信念。人是大自然中的一群生命體，是屬于大自然的一個(gè)組成部分，人不應該隨心所欲地征服自然、統治自然、支配自然。人必須學(xué)會(huì )尊重自然，愛(ài)惜自然。人與大自然的關(guān)系是一種相互依存的關(guān)系。 解決生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的根本就集中在如何看待人與自然的關(guān)系上。對此，可以從博大精深的中國傳統文化（孔教學(xué)說(shuō)）所蘊含的生態(tài)環(huán)境理念中去汲取營(yíng)養?？捉躺鷳B(tài)環(huán)境理念能夠引導人們正確認識和處理人與自然、局部利益與全局利益、眼前利益和長(cháng)遠利益的關(guān)系，使全社會(huì )的生態(tài)意識、環(huán)境意識得到增強，從而達到可持續發(fā)展的目的。 通過(guò)上述內容引入，使同學(xué)們深入了解中華傳統文化的博大精深。中華傳統文化不僅對中國的經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展發(fā)揮著(zhù)巨大影響，也為中國人的世界觀(guān)和行為方式的形成奠定了基礎。它的影響一直延續至今。課堂中引入和加強對中國傳統文化的了解，同學(xué)們反映良好。

四、結束語(yǔ)

在課程最后的調查中，學(xué)生們一致反映這門(mén)課程聯(lián)系實(shí)際，很有收益。他們專(zhuān)業(yè)的知識面拓寬了，興趣也提高了。 教學(xué)方法隨課程類(lèi)別和教師授課風(fēng)格之不同而千差萬(wàn)別。這里僅是按照筆者自己的想法進(jìn)行了一點(diǎn)嘗試，微不足道，僅以此文作為對這門(mén)課教學(xué)的總結。