孫恒 (中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程研究中心/石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

1 能源轉(zhuǎn)型對(duì)傳統(tǒng)課程的沖擊

天然氣凈化處理后在低溫下冷凝為液體，即為液化天然氣(LNG)，其密度約為常壓天然氣的600 多倍。LNG 因?yàn)樵诃h(huán)境適應(yīng)性和靈活性上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而在天然氣儲(chǔ)運(yùn)中扮演關(guān)鍵角色，同時(shí)因?yàn)閮艋^(guò)程去除了絕大多數(shù)雜質(zhì)，LNG 是當(dāng)今最潔凈的化石燃料，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)十分重要的地位。LNG 不僅可滿足我國(guó)對(duì)清潔能源的需求，也是開(kāi)發(fā)利用邊遠(yuǎn)、零散、非常規(guī)及海上氣田的重要技術(shù)手段，并且有助于形成多源互補(bǔ)的供氣格局，提高城市供氣的調(diào)峰能力和可靠性。

2006 年廣東深圳大鵬液化天然氣接收站建成投產(chǎn)，此后我國(guó)LNG 產(chǎn)業(yè)迎來(lái)持續(xù)高速發(fā)展的黃金時(shí)期，不僅LNG 進(jìn)口量可以與管道氣相提并論，國(guó)內(nèi)LNG 年產(chǎn)量也在2021 年達(dá)到了1 300 萬(wàn)噸以上，這也催生了對(duì)LNG 技術(shù)人才的需求[1-2]。為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)LNG 產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，我校油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)2006 年在國(guó)內(nèi)石油類高校中率先開(kāi)設(shè)了液化天然氣技術(shù)課程，并逐漸將選課范圍擴(kuò)展到能源動(dòng)力等相鄰專業(yè)[3]。在此期間，液化天然氣技術(shù)課程一直深受學(xué)生歡迎并不斷更新教學(xué)內(nèi)容，在向能源動(dòng)力專業(yè)授課時(shí)又根據(jù)學(xué)生的知識(shí)背景差異對(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，在專業(yè)人才培養(yǎng)上取得了成功。

最近幾年，隨著能源轉(zhuǎn)型在全球范圍內(nèi)已成為不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)，可再生能源和綠色能源的概念逐步深入人心，這固然是大勢(shì)所趨，但在短期內(nèi)卻對(duì)傳統(tǒng)能源行業(yè)的教學(xué)造成了沖擊。事實(shí)上，能源轉(zhuǎn)型不僅僅是從一種燃料的轉(zhuǎn)變，它涉及世界生產(chǎn)體系的一次深刻的深層次變革，這一變革不可能一蹴而就，必然要經(jīng)歷一個(gè)長(zhǎng)時(shí)期的演變[4-5]。在此期間傳統(tǒng)能源與新能源將并行不悖，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，不可偏廢。在此情景下傳統(tǒng)能源教育應(yīng)該何去何從？這是一個(gè)必須深思熟慮的問(wèn)題。首先，面對(duì)時(shí)代的變革卻固步自封是不可取的。但另一方面，也不能采取“躺平”的態(tài)度，放任教育質(zhì)量下滑而不采取措施。為此作者基于本門(mén)課程的教學(xué)實(shí)踐，深入分析了能源轉(zhuǎn)型對(duì)液化天然氣技術(shù)課程教學(xué)的沖擊，并歸納為以下4 點(diǎn)：

(1)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣明顯下降

“學(xué)以致用”是工科類專業(yè)的共同點(diǎn)，也是最能引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的地方。在能源轉(zhuǎn)型的時(shí)代，由于學(xué)生知識(shí)面的局限性，很難準(zhǔn)確理解能源轉(zhuǎn)型的合理進(jìn)程，從而容易產(chǎn)生“傳統(tǒng)能源已無(wú)用武之地”“所學(xué)知識(shí)已經(jīng)過(guò)時(shí)”的認(rèn)識(shí)偏差，從而失去學(xué)習(xí)的興趣。而“興趣是最好的老師”，僅僅為了學(xué)分的學(xué)習(xí)無(wú)法產(chǎn)生強(qiáng)大的學(xué)習(xí)動(dòng)力，必然導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下，而學(xué)習(xí)效率下降又會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生挫折感，從而破壞學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，形成學(xué)習(xí)效果不斷下降的負(fù)循環(huán)。

(2)現(xiàn)有知識(shí)結(jié)構(gòu)不能完全滿足需求

無(wú)庸諱言，新能源革命同時(shí)也是能源科學(xué)與技術(shù)的一次全新飛躍，傳統(tǒng)能源行業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)并不能滿足未來(lái)能源行業(yè)對(duì)人才的需求。以儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)為例，傳統(tǒng)的培養(yǎng)計(jì)劃側(cè)重于石油儲(chǔ)運(yùn)，并以油品為核心構(gòu)建了專業(yè)的課程體系，但對(duì)新能源所需知識(shí)鮮有涉及。為此我校儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)基于新能源技術(shù)需求對(duì)課程體系進(jìn)行重構(gòu)，并要求各門(mén)專業(yè)課程均應(yīng)適當(dāng)增加與新能源相關(guān)的知識(shí)，因此液化天然氣技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容也要相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整和升級(jí)。

(3)工程和創(chuàng)新能力有待加強(qiáng)

與傳統(tǒng)能源技術(shù)相比，新能源技術(shù)的發(fā)展對(duì)專業(yè)人員的工程和創(chuàng)新能力提出了不同的要求。從工程能力來(lái)講，油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)著重關(guān)注油氣行業(yè)的工程實(shí)踐能力，而新能源技術(shù)則要求從業(yè)人員具備更廣泛學(xué)科知識(shí)，涉及更多材料、機(jī)械、化工等領(lǐng)域的工程實(shí)踐能力。從創(chuàng)新能力來(lái)講，傳統(tǒng)油氣行業(yè)更強(qiáng)調(diào)應(yīng)用創(chuàng)新，而在新能源技術(shù)中不同學(xué)科之間的集成創(chuàng)新則具有更重要的地位。因此如何在液化天然氣技術(shù)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生具有更廣泛工程和創(chuàng)新能力是一個(gè)亟待解決的教學(xué)挑戰(zhàn)。

(4)影響招生和就業(yè)

2020 年9 月中國(guó)明確提出2030 年“碳達(dá)峰”與2060 年“碳中和”目標(biāo)，這稱為“雙碳目標(biāo)”。這對(duì)油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)的招生產(chǎn)生了“立竿見(jiàn)影”的效果，當(dāng)年招生分?jǐn)?shù)線有明顯下降，盡管此后分?jǐn)?shù)線有所反彈，但是新能源的發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)招生的沖擊是顯而易見(jiàn)的。從就業(yè)來(lái)說(shuō)，盡管影響相對(duì)較小，但潛在的影響不容小覷，盡管國(guó)企對(duì)畢業(yè)生的吸引力一如既往，但學(xué)生對(duì)非國(guó)有油氣企業(yè)的疑慮顯而易見(jiàn)。如何化解這一不利影響，提高傳統(tǒng)能源專業(yè)就業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力也是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

2 液化天然氣課程的教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

2.1 剖析能源轉(zhuǎn)型的長(zhǎng)期性

如前所述，能源轉(zhuǎn)型是一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)期才能完成的體系變革，具有長(zhǎng)期性、復(fù)雜性和艱巨性，并必然導(dǎo)致存在一個(gè)傳統(tǒng)能源與新能源互補(bǔ)共生的階段。為了幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)這一歷史進(jìn)程，以歐洲當(dāng)前面臨的能源“囧”狀為例進(jìn)行分析是一種有效的教學(xué)方法。歐洲過(guò)去幾年多次制定了過(guò)于宏大而不切實(shí)際的綠色能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)，但無(wú)論是太陽(yáng)能、水電還是風(fēng)電，都無(wú)法完全滿足歐洲對(duì)于能源消費(fèi)的實(shí)際需求。當(dāng)歐洲將天然氣貿(mào)易作為政治武器用于對(duì)外施壓時(shí)，能源供需失衡對(duì)歐洲經(jīng)濟(jì)和人民生活造成了反噬。這迫使歐盟重啟燃煤電廠，對(duì)全球減排進(jìn)程造成了嚴(yán)重倒退。與之相反，中國(guó)一直秉承“做得多，說(shuō)得少”的實(shí)干精神，在減排降碳取得的成就是舉世矚目的[6-7]。通過(guò)這個(gè)生動(dòng)案例，可以幫助學(xué)生用辯證的觀點(diǎn)看待能源問(wèn)題，對(duì)能源轉(zhuǎn)型問(wèn)題建立全面正確的認(rèn)識(shí)。

2.2 增加氫能相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容

氫是一種清潔、低碳而且高效的能源，在新一輪能源轉(zhuǎn)型中扮演替代者、促進(jìn)者和整合者的角色，具有不可替代的重要作用。氫能具有高能量密度、高轉(zhuǎn)化效率和清潔性的優(yōu)點(diǎn)，而且可儲(chǔ)存性優(yōu)于電，有望在低碳社會(huì)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。氫氣與天然氣也有較多相似之處，因而增加氫能相關(guān)知識(shí)就成為教學(xué)內(nèi)容調(diào)整的首選。從氫能儲(chǔ)運(yùn)來(lái)說(shuō)，同樣與天然氣相似，氫也能以低溫液態(tài)的形式進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)。與其他形式相比，液氫在質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度上優(yōu)勢(shì)明顯，而且液氫同樣也是氫能跨洋運(yùn)輸?shù)奈ㄒ豢尚屑夹g(shù)。從知識(shí)體系來(lái)說(shuō)，LNG 與液氫最為接近，兩者同屬低溫領(lǐng)域，在學(xué)科知識(shí)上有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，因而增加液氫相關(guān)知識(shí)就成為液化天然氣技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容調(diào)整的主要方向。

2.3 強(qiáng)化LNG 冷能回收的知識(shí)

因?yàn)長(zhǎng)NG 溫度約為-162 ℃，遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，因而LNG 在汽化過(guò)程中就會(huì)有大量低溫冷能釋放出來(lái)，通常來(lái)說(shuō)1 噸LNG 會(huì)釋放大約900 MJ 的冷量，如果這部分冷量以100%的熱力學(xué)效率發(fā)電的話，則可以產(chǎn)生240～280 kW·h 的電力。如果這一部分冷能直接釋放到環(huán)境中去，則是能量的巨大浪費(fèi)。此前在LNG 技術(shù)課程的教學(xué)中，也包括LNG 冷能回收及利用方面的知識(shí)，但重視程度不夠。考慮節(jié)能減排對(duì)于能源轉(zhuǎn)型同樣具有積極意義，因此著重強(qiáng)化了LNG冷能回收利用這方面的知識(shí)和內(nèi)容，對(duì)于利用LNG冷能的發(fā)電、空分、碳捕集、輕烴回收和海水淡化等技術(shù)均針對(duì)回收原理、工藝流程、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用等展開(kāi)詳細(xì)講解，并通過(guò)課堂提問(wèn)、分組討論以及課后作業(yè)等形式予以鞏固，顯著改善了這部分內(nèi)容的教學(xué)效果。

3 液化天然氣課程應(yīng)對(duì)能源轉(zhuǎn)型的思考

面對(duì)新能源問(wèn)題的挑戰(zhàn)，一種固有的思維就是一直做“加法”，即不斷增加課程和教學(xué)內(nèi)容，這一做法看上去 “面面俱到”，但無(wú)限提高教學(xué)要求其實(shí)已經(jīng)脫離了“實(shí)事求是”的核心思想。因而正確的作法應(yīng)該是一方面利用現(xiàn)代教育成果盡可能提高效率，另一方面也要適當(dāng)做一點(diǎn)“減法”，在多項(xiàng)教學(xué)要求之間取得良好平衡，使綜合成效最優(yōu)，合理解決傳統(tǒng)能源教學(xué)當(dāng)前面臨的問(wèn)題。以下從三個(gè)方面分析“加法“和”減法“之間的平衡問(wèn)題。

3.1 在傳統(tǒng)能源和新能源之間取得平衡

根據(jù)教學(xué)調(diào)整思路，在液化天然氣技術(shù)課程中應(yīng)增加液氫相關(guān)知識(shí)，即氫氣預(yù)處理、氫液化和液氫儲(chǔ)運(yùn)?？紤]到其內(nèi)容較多，在課時(shí)不變條件下，如果面面俱到會(huì)對(duì)LNG 教學(xué)時(shí)長(zhǎng)造成壓縮，而如果維持LNG部分不變則液氫相關(guān)教學(xué)時(shí)長(zhǎng)不足。另外液氫是單設(shè)一章還是分散到LNG 相關(guān)各章，也是一個(gè)需要權(quán)衡的問(wèn)題。經(jīng)慎重考慮，決定采用將液氫知識(shí)分散到LNG 相關(guān)各章的方式，這樣主要優(yōu)點(diǎn)有：

(1)將技術(shù)原理相同的內(nèi)容，例如氫氣預(yù)處理與天然氣預(yù)處理，氫氣液化與天然氣液化以及液氫和LNG 儲(chǔ)運(yùn)放在一起，符合知識(shí)本身的內(nèi)在規(guī)律，更為合理；

(2)教學(xué)效率提高，同類知識(shí)放在一起，有助于學(xué)生觸類旁通，舉一反三，從而提高效率；

(3) 節(jié)約教學(xué)時(shí)長(zhǎng)，相同的技術(shù)原理內(nèi)容不需重復(fù)，只要強(qiáng)調(diào)氫和天然氣的分別應(yīng)用和各自特點(diǎn)即可。

3.2 在知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)之間取得平衡

傳統(tǒng)教學(xué)模式偏重知識(shí)傳授，強(qiáng)調(diào)畢業(yè)生走上工作崗位后能夠直接接手崗位工作，但改革開(kāi)放以來(lái)專業(yè)知識(shí)數(shù)量快速增加，就業(yè)體制改革導(dǎo)致?lián)駱I(yè)多樣化，單純積累知識(shí)無(wú)法滿足企業(yè)要求，因此強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng)的教學(xué)模式就應(yīng)運(yùn)而生。然而知識(shí)易教易學(xué)易考，而能力培養(yǎng)則難以度量。液氫相關(guān)知識(shí)的加入，恰恰提供了一個(gè)良好契機(jī)，可以將技術(shù)原理在液氫領(lǐng)域的應(yīng)用，作為對(duì)學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力進(jìn)行評(píng)價(jià)的依據(jù)。

3.3 在寬口徑和深應(yīng)用之間取得平衡

寬口徑是指人才培養(yǎng)目標(biāo)面向?qū)拸V范圍內(nèi)多個(gè)行業(yè)的多種崗位職位，而非面向特定行業(yè)的少數(shù)崗位職位，所學(xué)知識(shí)應(yīng)具有基礎(chǔ)性和通用性，能夠?yàn)槎鄠€(gè)行業(yè)多種崗位職位服務(wù)，而深應(yīng)用是指培養(yǎng)在某一應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)具有精深專業(yè)知識(shí)和技能，能夠勝任高要求技術(shù)職位的專業(yè)人才。從表面上來(lái)看，二者之間的關(guān)系是相互矛盾的，很難兼得。然而如果考慮到不同學(xué)科不同門(mén)類的知識(shí)內(nèi)在的相通性，就可以很好的在兩者之間取得平衡。具體到液化天然氣技術(shù)課程而言，就是通過(guò)液化天然氣專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，深入掌握低溫技術(shù)的原理和方法，從而既可以在液化天然氣技術(shù)崗位上游刃有余，又能夠通過(guò)將低溫技術(shù)延伸應(yīng)用于液氫，從而具有適應(yīng)新能源職位的能力。

4 液化天然氣課程的教學(xué)方法改革

4.1 將液氫作為案例組織討論

考慮到在知識(shí)和能力、寬口徑和深應(yīng)用之間取得平衡的需要，在教學(xué)設(shè)計(jì)中LNG 和液氫分工的定位如下：LNG 教學(xué)側(cè)重知識(shí)傳授，體現(xiàn)深應(yīng)用，而液氫部分側(cè)重能力培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)寬口徑。為實(shí)現(xiàn)上述分工，具體作法是在相關(guān)章節(jié)，先將主要教學(xué)時(shí)長(zhǎng)用于LNG知識(shí)的教學(xué)，教學(xué)形式以講授為主，之后利用剩余時(shí)長(zhǎng)將液氫作為低溫技術(shù)應(yīng)用的案例，以分組討論為主的形式進(jìn)行探究分析，最后以總結(jié)和答疑的形式，引導(dǎo)學(xué)生掌握液氫相關(guān)知識(shí)的要點(diǎn)。與此相適應(yīng)，還對(duì)本門(mén)課程的考核方式進(jìn)行了微調(diào)，即在平時(shí)成績(jī)的考核中納入了關(guān)于液氫的教學(xué)討論，其在總成績(jī)中占10% 左右分值，從而有效激勵(lì)學(xué)生積極參與教學(xué)討論，也能考核教學(xué)討論的效果。

4.2 適當(dāng)嘗試翻轉(zhuǎn)課堂法

翻轉(zhuǎn)課堂法，是指學(xué)生在課前或課外觀看教師提供的教學(xué)資料自學(xué)，教師不再占用課堂時(shí)間來(lái)講授知識(shí)，將利用課堂教學(xué)時(shí)間充分開(kāi)展老師學(xué)生之間和學(xué)生相互之間互動(dòng)，包括答疑解惑、合作探究、完成學(xué)業(yè)等，從而達(dá)到更好的教育效果。盡管一個(gè)時(shí)期以來(lái)，翻轉(zhuǎn)課堂法得到了廣泛贊譽(yù)，但作者在本門(mén)課程教學(xué)中此前的嘗試，效果并不完全理想。主要問(wèn)題在于選課學(xué)生處于大三大四年級(jí)，課程多、課業(yè)負(fù)擔(dān)重，其他事項(xiàng)也多，很難保證抽出時(shí)間利用教學(xué)資料自學(xué)。然而筆者將翻轉(zhuǎn)課堂法偶爾用于液氫內(nèi)容的教學(xué)，效果卻相對(duì)較好。這是因?yàn)楣P者一向認(rèn)同孔子“學(xué)而時(shí)習(xí)之”的理念，習(xí)慣于每節(jié)課開(kāi)始花5 min 左右時(shí)間進(jìn)行復(fù)習(xí)。現(xiàn)在采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法，上一節(jié)課將液氫知識(shí)的自學(xué)作為作業(yè)布置下去，并將原有的復(fù)習(xí)時(shí)間用于相關(guān)知識(shí)的解疑、討論和探究，即避免了教學(xué)時(shí)長(zhǎng)增加，還鍛煉了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)、分析解決工程問(wèn)題的能力，取得了“一舉兩得”的效果。

4.3 應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

由于低溫的危險(xiǎn)性和高成本，實(shí)驗(yàn)一直是本門(mén)課程相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)[8-9]，此外儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)的實(shí)習(xí)安排中也沒(méi)有與LNG 相關(guān)的環(huán)節(jié)，因此如何提升學(xué)生低溫工程實(shí)踐能力是有待解決的一個(gè)重要問(wèn)題。在本門(mén)課程此前教學(xué)過(guò)程中，已經(jīng)建立了LNG 接收站和液化工廠的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并在教學(xué)實(shí)踐中獲得了良好的效果。顯而易見(jiàn)在氫液化工藝教學(xué)中也可以采用同樣的方法。為此正在開(kāi)發(fā)氫液化工藝的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，其不僅重點(diǎn)展示氫液化的工藝流程，而且可以演示液氫的儲(chǔ)存以及氫能轉(zhuǎn)化等知識(shí)，并具有動(dòng)畫(huà)演示、講解、操作和考核等豐富的功能，希望能盡快用于液氫相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)中。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)在液化天然氣技術(shù)課程中，通過(guò)增加能源轉(zhuǎn)型剖析和液氫技術(shù)知識(shí)，并強(qiáng)化LNG 冷能回收的內(nèi)容，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，完善了學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，而且提升了這門(mén)課程對(duì)學(xué)生的吸引力，取得了良好的效果。

(2) 通過(guò)課程改革，不僅豐富了學(xué)生的知識(shí)面，而且提升了學(xué)生解決新工程問(wèn)題的能力，拓寬了就業(yè)面，有助于學(xué)生更好的適應(yīng)能源轉(zhuǎn)型，為國(guó)家的能源安全作出更多貢獻(xiàn)。

(3) “LNG 為本，液氫為用”的教學(xué)設(shè)計(jì)思路，很好地在知識(shí)和能力、寬口徑和深應(yīng)用之間取得了平衡，并在課堂教學(xué)實(shí)踐中取得了良好效果。

(4)液化天然氣技術(shù)適應(yīng)新能源技術(shù)發(fā)展所采取的教學(xué)改革內(nèi)容和思路，尤其是教學(xué)內(nèi)容調(diào)整和教學(xué)設(shè)計(jì)思路，對(duì)傳統(tǒng)能源行業(yè)的同類課程也有很好的借鑒意義。