能源轉(zhuǎn)型與碳中和背景下的地熱學教學體系建設

相比石油、煤炭等高排放的不可再生能源，地熱既屬于清潔能源，又屬于可再生能源，在未來的能源消耗中，地熱能有望占據(jù)重要地位［1-3］。目前，中共中央明確提出碳中和目標和包括地熱能在內(nèi)的新能源發(fā)展政策。在地熱資源研究的熱潮以及地熱能產(chǎn)業(yè)良好發(fā)展的時代背景下，能源類高校有必要對地熱學教育提高重視，加強地熱地質(zhì)專業(yè)化人才培養(yǎng)。作為能源類高校，有必要把握能源教育轉(zhuǎn)型的先機，制訂和完善相應的課程和人才培養(yǎng)計劃，走在新興能源專業(yè)教育的前沿［4-6］。依托地熱地質(zhì)學方面的科研、教學優(yōu)勢，及時把握新能源教育的發(fā)展機遇，在原有地熱學教學課程和教學資源的基礎(chǔ)上，從理論教學和教材建設、實踐教學體系建設、教師團隊和產(chǎn)學研一體化建設、課程思政教育等方面系統(tǒng)地建立地熱學教學體系，在國內(nèi)率先形成了完善的“地熱學”課程教學和人才培養(yǎng)體系，搶占了新能源教育的先機和高地，大力提升了中國石油大學（北京）地球科學學院在地熱學教學和科研領(lǐng)域的影響力。所取得的成果無疑為學校在新時代清潔能源專業(yè)人才教育方面的發(fā)展提供了開創(chuàng)性的支撐。能源類高校對地熱學教育開始提高重視，加強地熱地質(zhì)專業(yè)化人才培養(yǎng)，本文所取得的認識也可為能源類高校進行新能源教學體系建設提供參考。一、地熱學教學體系建設的實施途徑（一）理論課程和學科建設培養(yǎng)具有扎實理論知識和較強實踐能力的工程技術(shù)人才需要注重專業(yè)建設的綜合設計［7］。地球科學專業(yè)領(lǐng)域進行地熱學學科建設，首先是加強“地熱地質(zhì)學”的課程教育，其次是加強與地熱勘探開發(fā)單位的合作，產(chǎn)學研結(jié)合育人。本項目通過文獻調(diào)研、信息檢索、交流訪問等調(diào)查生產(chǎn)單位對地熱人才的需求情況和地熱教育機構(gòu)對地熱人才的教育培訓情況，從地熱人才的需求狀況、地熱教育的現(xiàn)狀和問題兩方面入手，提出我校地熱學理論課程和學科建設的方向并逐步具體實施。（二）教材建設項目系統(tǒng)調(diào)研了國內(nèi)外地熱學相關(guān)教材和專著的出版情況，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有教材無法滿足新時代的地熱學教學，主要存在以下缺點：（1）內(nèi)容覆蓋面窄，缺少對地熱學和地熱能的系統(tǒng)介紹。（2）僅針對地熱學的基礎(chǔ)理論進行介紹，或者僅介紹地熱能的地面開發(fā)利用技術(shù)，缺乏從地熱資源形成、分布及評價開發(fā)進行系統(tǒng)介紹。（3）內(nèi)容過于龐雜，包含了行星熱狀態(tài)、古氣候等與地熱資源無關(guān)的內(nèi)容，無法有效用于教學。本項目系統(tǒng)梳理現(xiàn)存教材或教學參考書的優(yōu)缺點，吸收經(jīng)典地熱學理論和最新的地熱開發(fā)利用技術(shù)，編撰了適用于當前我國地熱學理論課程的教材《沉積盆地地熱學》［8］5-6。（三）實踐教學平臺建設實驗和實訓教學是包括地熱地質(zhì)學在內(nèi)的能源、地質(zhì)類課程教學的重要環(huán)節(jié)［9］。本課題針對用人單位需求、專業(yè)培養(yǎng)要求、實踐能力培養(yǎng)等，對目前教學內(nèi)容進行優(yōu)化，吸收、利用國內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)單位和科研院所實驗室建設及工程實踐的先進經(jīng)驗與場地資源，有序推進我校地熱地質(zhì)學實踐教學平臺的建設。與校外單位聯(lián)合建立地熱學勘探開發(fā)和綜合利用等各環(huán)節(jié)的實踐基地，形成合理、成熟的地熱地質(zhì)學實踐教學體系。同時，依托正在進行的教學實踐平臺的硬件建設，編寫實習指導書，進行實踐教學體系和實驗教學平臺運行、管理方面的建設。（四）產(chǎn)學研一體化培養(yǎng)體系和教師團隊建設新時代的教學工作還需革新人才培養(yǎng)模式、加強教師團隊建設，建立產(chǎn)學研一體化的培養(yǎng)體系［10-11］。教師團隊建設中，建立以校內(nèi)教學、科研的學術(shù)帶頭人為負責人的校級教學團隊，理論教學以校內(nèi)帶頭人和青年教師為主，現(xiàn)場教學和案例教學以及前沿課程教學以中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所地熱研究中心、天津地熱勘查開發(fā)設計院和北京市地質(zhì)勘查技術(shù)院等從事地熱一線科研和開發(fā)的校外專家為主，通過集中備課、教學培訓等環(huán)節(jié)，不斷對教學方法進行改進，通過解決教學過程中碰到的各種問題，提高教師的教學水平，凝聚團隊協(xié)作精神，實現(xiàn)團隊的梯隊化建設，打造國內(nèi)領(lǐng)先的產(chǎn)學研一體化新能源領(lǐng)域的教學團隊。同時，依托生產(chǎn)單位和科研院所的生產(chǎn)案例、試驗和工程場地，進行校內(nèi)實驗平臺之外的實訓和案例教學。（五）課程思政建設結(jié)合課程內(nèi)容，向?qū)W生介紹地熱資源在碳達峰與碳中和“雙碳”形式下的興起背景以及在能源升級和可持續(xù)發(fā)展中的重要性，引入典型思想政治教育案例并結(jié)合國家重要倡議和發(fā)展規(guī)劃，達到思想政治教育目標：（1）激發(fā)學生能源報國情懷，提升學生的專業(yè)自豪感，鼓動學生熱愛能源專業(yè)，堅定為祖國發(fā)展奉獻能源的信念。（2）堅定學生專業(yè)創(chuàng)新?lián)數(shù)呢熑胃校ぐl(fā)學生為能源轉(zhuǎn)型勇于專業(yè)創(chuàng)新的熱情。（3）提升學生投身能源事業(yè)的參與感，幫助學生建立“我是能源事業(yè)的參與者和接班人”的主人翁意識，提升學生學習的主觀能動性。針對思政教學目標（1）開展的教學活動和教學改革包括：從能源的概念引入，講解不同工業(yè)化階段和社會發(fā)展過程中各類能源形式的變革，能源對國家工業(yè)發(fā)展和國家安全、人們生活的重要性。結(jié)合我國近現(xiàn)代能源史，以李四光、王進喜等英模人物始終以國家民族對能源的需求為個人奮斗方向的典型事跡，激發(fā)學生的能源報國情懷。針對思政教學目標（2）開展的教學活動和教學改革包括：以黨和國家領(lǐng)導人對新能源發(fā)現(xiàn)的工作指示和國家新出臺能源政策為素材，宣傳中央對新能源的推動精神，使學生在明確我國節(jié)能減排政策和中央精神的基礎(chǔ)上，深入理解地熱資源開發(fā)利用對環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的重要性，激發(fā)學生為能源轉(zhuǎn)型勇于專業(yè)創(chuàng)新的干勁。結(jié)合校級教改課題，進行國內(nèi)外地熱產(chǎn)業(yè)和地熱教育發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研，發(fā)表教改論文《我國地熱資源產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與地熱教育發(fā)展前景》。針對思政教學目標（3）開展的教學活動和教學改革包括：通過實際素材講解地熱資源對“一帶一路”、雄安新區(qū)、首都北京的重要性，通過專業(yè)實踐教改課題，在教學實驗室中增加思政元素（懸掛李四光等人的展板等），與實際參與雄安新區(qū)和京津冀地熱開發(fā)的單位組建產(chǎn)學研合作教學基地，帶領(lǐng)學生赴雄安、天津、北京的地熱單位參觀，邀請生產(chǎn)專家到校舉辦講座，帶領(lǐng)學生參與首都“雙百行動”的地熱調(diào)研等，提升學生的專業(yè)參與感。二、地熱學教學體系建設成果（一）理論課程和學科建設成果通過項目實施，在原有的1門研究生課程“含油氣盆地溫壓場”的基礎(chǔ)上，新開設3門與地熱相關(guān)的研究生課程“地熱學基礎(chǔ)”“地熱資源開發(fā)利用”“地熱資源開發(fā)應用前沿”以及1門本科生課程“地熱資源勘查”，上課的研究生、本科生平均每年已超200人次。除新增相關(guān)課程外，還對前期已有的研究生課程“含油氣盆地溫壓場”的課程體系進行了優(yōu)化，依托地溫場和熱年代學實驗平臺，不斷對課程知識體系進行調(diào)整，真正讓學生通過理論聯(lián)系實際、提高動手能力的角度開拓科學思維。近年來，依托團隊優(yōu)勢和實驗室平臺建設，執(zhí)行了“國內(nèi)外高等院校‘地熱學’相關(guān)課程開設情況調(diào)研”“地熱學系列課程理論及實踐教學體系建設”“地質(zhì)年代學和熱年代學”及“高精度地質(zhì)年代學”等課程教改項目，地熱學教學體系臻于完善。依托現(xiàn)有教學科研資源，在地質(zhì)資源與地質(zhì)工程學科新設立了“地熱資源評價”招生方向（現(xiàn)改為“新能源地質(zhì)與勘探”），該方向已持續(xù)5年（2017—2021年），招收碩士研究生、博士研究生30余名。與其他團隊共同組建了地熱研究中心。承擔地熱資源領(lǐng)域重點研發(fā)計劃的課題、子課題多項，大力完善了地熱學科建設。（二）教材建設成果本教學團隊負責人邱楠生主編的《沉積盆地熱體制研究的理論與應用》［12］是我國國內(nèi)第一部系統(tǒng)介紹沉積盆地熱體制研究的專著和地熱學專業(yè)參考書，在我校一直作為研究生課程“含油氣盆地溫壓場”的教學材料，并在國內(nèi)其他兄弟院校中作為教學參考書使用。針對近年來地熱學產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)需求，邱楠生教授領(lǐng)銜，與中國科學院大學胡圣標、何麗娟研究員共同主編出版了石油高等教育“十三五”規(guī)劃教材《沉積盆地地熱學》［8］5-6。該教材為國內(nèi)外第一部系統(tǒng)論述沉積盆地地熱學的教材，全面闡述了地熱學相關(guān)課程要求掌握的基本理論與知識。該教材已被中國石油大學（華東）、中國礦業(yè)大學、成都理工大學、中國科學院大學等多所高校采用為“地熱地質(zhì)學”“地熱資源概論”等課程的指定教材，以及“固體地球物理學”“地球動力學”“石油地質(zhì)學”“煤田地質(zhì)學”等相關(guān)課程的補充教材。該教材的出版發(fā)行對我國地熱地質(zhì)學相關(guān)領(lǐng)域的教學、科研工作起到了積極的推動作用。（三）實踐教學平臺建設成果已建成系統(tǒng)的熱年代學、地溫及巖石熱物性測試、地球化學分析、數(shù)值模擬平臺等多位一體的綜合性地熱學教學實驗室實踐教學平臺。1.熱年代學實驗平臺，包括裂變徑跡自動測試儀、氦提取測量儀、LA-ICP-MS等大型儀器設備，可開展裂變徑跡、（U-Th）/He、U-Pb等定年分析的實踐教學。2.巖石熱物性實驗平臺，包括HotDisk巖石熱物性測試系統(tǒng)、TCS巖石熱導率測試系統(tǒng)、便攜式熱導儀，可進行巖心、巖屑、流體的熱導率、熱擴散率、比熱容等熱物性的測量教學。3.地熱流體地球化學實驗平臺，包括流體離子色譜儀、流體熒光示蹤儀等設備，可進行流體成分分析和熱儲連通性及流體活動分析的實驗教學。4.地熱開發(fā)數(shù)值模擬實驗平臺，包括COMSOL、OGS、FEFLOW等數(shù)值模擬軟件，可進行地熱資源開發(fā)利用數(shù)值模擬的實操教學。（四）產(chǎn)學研一體化和教師團隊建設成果組建3個產(chǎn)學研教學團隊。“沉積盆地溫壓場”課程邀請中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所胡圣標研究員講授大地熱流測量的相關(guān)內(nèi)容；“地熱資源開發(fā)利用”課程由中國科學院地熱中心的孔彥龍、黃永輝博士進行地熱開發(fā)效率、優(yōu)化方案的案例教學，由天津地熱勘查設計院的徐明高工、北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院的雷曉東高工進行天津地區(qū)地熱開發(fā)和梯級利用以及北京市地熱資源利用的案例教學；在“地熱資源開發(fā)應用前沿”的教學團隊中，既有我校地熱地質(zhì)和開發(fā)領(lǐng)域的學術(shù)帶頭人，也有中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所胡圣標研究員等前沿科學家。教學團隊形成了產(chǎn)學研互補，老中青結(jié)合，教學團隊負責人獲得了2020年度中國產(chǎn)學研合作創(chuàng)新個人獎。（五）課程思政建設成果有效激發(fā)了學生對能源事業(yè)的熱情和信心，學生上課積極、學習效果好。選修該課程的20余名研究生通過學校、工作站提供的機會參與了我國第一個地熱資源方面的重點研發(fā)計劃項目“雄安新區(qū)深層地熱資源探測評價技術(shù)示范”的課題或子課題，其中多人在國內(nèi)外SCI期刊發(fā)表地熱資源相關(guān)的學術(shù)文章，在國內(nèi)一級學術(shù)會議上獲評優(yōu)秀報告。課程建設與學科建設、人才培養(yǎng)相結(jié)合，除完成課程教學、指導相關(guān)方向的研究生完成地熱學方向的論文外，積極依托教學實驗設備設立學生科技創(chuàng)新、科研零距離等育人活動。近3年依托地熱能開展的科技創(chuàng)新活動5項，地熱能方向4人獲校級優(yōu)秀學位論文，教學實驗室獲評學?！暗責豳Y源開發(fā)利用多學科聯(lián)合大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗室”。三、推廣應用在國內(nèi)率先探索并建立理論課程與實踐教學平臺、實訓基地相結(jié)合的地熱學教育體系，在碳中和的背景下，進一步提升了我校地熱資源教育方面的優(yōu)勢，也可為我校和其他院校新能源方向的課程和學科建設以及產(chǎn)學研一體化建設提供成功經(jīng)驗。緊跟地熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，與一線地熱資源開發(fā)利用企業(yè)和地熱科研機構(gòu)聯(lián)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，組建全方位科研和育人體系，建立了成熟的產(chǎn)學研一體化教學團隊，形成了全產(chǎn)業(yè)鏈專業(yè)教育的新模式，并在京津冀區(qū)域合作方面體現(xiàn)出了綜合優(yōu)勢。產(chǎn)學研教學團隊的多家合作單位共同參與了我國第一個地熱資源方面的重點研發(fā)計劃項目“雄安新區(qū)深層地熱資源探測評價技術(shù)示范”的課題1項和子課題2項。該項目的實施，進一步為產(chǎn)學研結(jié)合提供了條件。團隊通過建立研究生工作站、導師自主選派工作站聯(lián)合培養(yǎng)等方式共同培養(yǎng)地熱學方面的研究生10余人，其中多人在國內(nèi)外SCI期刊發(fā)表地熱資源相關(guān)的學術(shù)文章，在國內(nèi)一級學術(shù)會議上獲評優(yōu)秀報告。系統(tǒng)的教學體系以及產(chǎn)學研結(jié)合的育人模式有力提升了我校地熱教育方面的實力，課程教學和人才培養(yǎng)取得了突出效果，為學校相關(guān)學科影響力的提升貢獻了力量。團隊積極將科學研究、學科建設、課程建設與人才培養(yǎng)相結(jié)合，除指導相關(guān)方向的碩士研究生、博士研究生完成地熱學方向的論文外，還積極依托科研項目和實驗設備設立本科生畢業(yè)設計、大學生科技創(chuàng)新、科研零距離等人才培養(yǎng)活動。近年來，團隊培養(yǎng)的研究生中有9人的學位論文獲評校級以上優(yōu)秀論文。目前，我校在“聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標SDG7（經(jīng)濟適用的清潔能源）”的排名中位列中國高校第1位、全球第80位，地熱學被列入我?！笆奈濉卑l(fā)展規(guī)劃。包括地熱能在內(nèi)的清潔能源的教學科研和人才培養(yǎng)工作必將為學校在能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級與服務構(gòu)建現(xiàn)代能源體系方面的舉措提供支撐。教學團隊依托本學科建設成果積極服務社會。地熱學教學團隊青年教師主持的服務首都“四個中心”建設、“雙百行動”、“京津冀地熱開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在問題調(diào)研”等項目，為京津冀地區(qū)地熱資源開發(fā)利用工作提供了參考。該項目順利通過北京市教工委驗收，并獲評2019年“雙百行動”教師組優(yōu)秀團隊項目。結(jié)語“雙碳”背景下，本教學體系建設工作面向國家新能源人才培養(yǎng)工作的需求，進行了全面的理論課程、實踐平臺、教學團隊和思想政治教育方面的建設，在新能源教育特色、產(chǎn)業(yè)融合和產(chǎn)學研結(jié)合以及地域協(xié)助等方面取得了創(chuàng)新。（一）專業(yè)特色方面作為能源類高校專業(yè)改革的一部分，地熱學是一個活力