《零碳能源原理与技术》课程教学大纲课程概况课程名称课程号零碳能源原理与技术105412029Fundamentalsof Zero-Carbon课程英文名称学时/学分36/2Energy课程性质必修适用专业新能源材料与器件祁菁课程负责人教学团队刘奇明选用教材及参考书目课程简介：本课程是新能源材料与器件专业本科生必修的专业核心课。随着科学技术的发展，国家人才培养目标愈来愈强调产学研协同育人，该课程的主要内容为零碳能源的基础。主要介绍零碳能源的基本原理和技术，涵盖太阳能、风能、水电和核能等主要能源来源，以及能源存储等新兴技术。课程目标（CourseObjectives,CO)了解零碳能源概念知识目标（CO1)掌握主要零碳能源类型学习零碳能源相关新兴技术具备分析和评估零碳能源技术的能力，理解其在实际应用中的操作和优化方法。通过实际案例和项目练习，培养解决零碳能源项目实际问题的能力，能力目标（CO2)提出可行的解决方案。能够有效地与团队成员和利益相关者沟通，合作完成零碳能源项目，并清晰地展示和报告研究成果。增强学生对环境保护和可持续发展的意识，理解零碳能源在减少碳排放和应对气候变化中的重要性。激发学生的社会责任感，鼓励其在未来职业生涯中推动绿色能源和可持续发展。培养学生在零碳能源领域的创新思维，激励其探索和开发新的技术和解决方案。增强学生对现有能源系统的批判性思考，培养其分析和解决能源问题素质、情感价值观目标（CO3)的能力。通过团队项目和合作学习，培养学生的团队合作精神和沟通能力。拓展学生的国际视野，了解全球零碳能源发展的动态和趋势，理解各国在能源转型中的经验和教训。加强学生的职业素养，培养其在零碳能源领域的专业态度和道德规范。鼓励学生在零碳能源领域持续学习和自我提升，保持对新知识和新技术的好奇心和探索欲。教学方式ZPMI讲授法教学时30%PM2研讨式学习学时20%(Pedagogical学Methods,PM)
1 《零碳能源原理与技术》课程教学大纲 一、课程概况 课程名称 零碳能源原理与技术 课程号 105412029 课程英文名称 Fundamentals of Zero-Carbon Energy 学时/学分 36/2 课程性质 必修 适用专业 新能源材料与器件 课程负责人 祁菁 教学团队 刘奇明 选用教材及 参考书目 课程简介： 本课程是新能源材料与器件专业本科生必修的专业核心课。随着科学技术的发展，国家人才培养目 标愈来愈强调产学研协同育人，该课程的主要内容为零碳能源的基础。主要介绍零碳能源的基本原理和 技术，涵盖太阳能、风能、水电和核能等主要能源来源，以及能源存储等新兴技术。 课程目标（Course Objectives, CO) 知识目标（CO1) 了解零碳能源概念 掌握主要零碳能源类型 学习零碳能源相关新兴技术 能力目标（CO2) 具备分析和评估零碳能源技术的能力，理解其在实际应用中的操作和 优化方法。 通过实际案例和项目练习，培养解决零碳能源项目实际问题的能力， 提出可行的解决方案。 能够有效地与团队成员和利益相关者沟通，合作完成零碳能源项目， 并清晰地展示和报告研究成果。 素质、情感价值观目标（CO3) 增强学生对环境保护和可持续发展的意识，理解零碳能源在减少碳排 放和应对气候变化中的重要性。 激发学生的社会责任感，鼓励其在未来职业生涯中推动绿色能源和可 持续发展。 培养学生在零碳能源领域的创新思维，激励其探索和开发新的技术和 解决方案。 增强学生对现有能源系统的批判性思考，培养其分析和解决能源问题 的能力。 通过团队项目和合作学习，培养学生的团队合作精神和沟通能力。 拓展学生的国际视野，了解全球零碳能源发展的动态和趋势，理解各 国在能源转型中的经验和教训。 加强学生的职业素养，培养其在零碳能源领域的专业态度和道德规范。 鼓励学生在零碳能源领域持续学习和自我提升，保持对新知识和新技 术的好奇心和探索欲。 教学方式 （Pedagogical Methods,PM） ☑PM1 讲授法教 学 学时 30% ☑PM2 研讨式学习 学时 20%
口PM3案例教学学时%PM4翻转课堂学时30%ZPM5混合式教学时20%口PM6体验式学习学时%教考口EMI课程作业%口EM2单元测试%口EM3课堂辩论%试课必EM6撰写论文%口EM4期中考试%口EM5期末考试%选/实验报告考ZEM3课堂辩ZEM1课程作业口EM2单元测试%30 %30 %考核方式查论课(Evaluation必ZEM5撰写论文/Methods,EM)DEM4期末考试%40%选实验报告口EM10课堂互动%口EM11实验%口EM12实训%E选%口EM13实践口EM14期末考试%
2 □PM3 案例教学 学时 % ☑PM4 翻转课堂 学时 30% ☑PM5 混合式教 学 学时 20 % □PM6 体验式学习 学时 % 考核方式 （Evaluation Methods,EM） 考 试 课 必 选 □EM1 课程作业 % □EM 2 单元测试 % □EM3 课堂辩论 % □EM4 期中考试 % □EM5 期末考试 % □EM6 撰写论文 /实验报告 % 考 查 课 必 选 ☑EM1 课程作业 30 % □EM 2 单元测试 % ☑EM3 课堂辩 论 30 % □EM4 期末考试 % ☑EM5 撰写论文/ 实验报告 40 % 自 选 □EM10 课堂互动 % □EM11 实验 % □EM12 实训 % □EM13 实践 % □EM14 期末考试 %
二、教学大纲的定位说明（一）课程教学目标与任务1.理解零碳能源的基本概念掌握零碳能源的定义及其在减少温室气体排放中的重要性。了解零碳能源与低碳能源、可再生能源等相关概念的区别。2.学习主要零碳能源的类型及原理掌握常见的零碳能源类型，如太阳能、凤能、水能、地热能、氢能和核能的工作原理及其特点。了解各类零碳能源的应用场景和能量转换效率。3.探索零碳能源的生产、储存与应用技术学习太阳能光伏、风力发电、氢能燃料电池等技术的原理及其在发电、储能和交通领域的应用。了解电力储存与电网技术，如电池储能系统、智能电网在促进零碳能源使用中的作用。4.分析零碳能源的经济性与环境效益评估零碳能源的成本效益，包括生产成本、基础设施建设、长期经济收益。探讨零碳能源对环境的积极影响，如减少碳排放、降低污染等。5.了解全球能源转型与零碳能源的政策支持探讨全球能源转型趋势，学习国际社会和各国在推动零碳能源发展的政策和法规，如碳交易、可再生能源激励政策等。3
3 二、教学大纲的定位说明 （一）课程教学目标与任务 1.理解零碳能源的基本概念 掌握零碳能源的定义及其在减少温室气体排放中的重要 性。 了解零碳能源与低碳能源、可再生能源等相关概念的区 别。 2.学习主要零碳能源的类型及原理 掌握常见的零碳能源类型，如太阳能、风能、水能、地 热能、氢能和核能的工作原理及其特点。 了解各类零碳能源的应用场景和能量转换效率。 3.探索零碳能源的生产、储存与应用技术 学习太阳能光伏、风力发电、氢能燃料电池等技术的原 理及其在发电、储能和交通领域的应用。 了解电力储存与电网技术，如电池储能系统、智能电网 在促进零碳能源使用中的作用。 4.分析零碳能源的经济性与环境效益 评估零碳能源的成本效益，包括生产成本、基础设施建 设、长期经济收益。 探讨零碳能源对环境的积极影响，如减少碳排放、降低 污染等。 5.了解全球能源转型与零碳能源的政策支持 探讨全球能源转型趋势，学习国际社会和各国在推动零 碳能源发展的政策和法规，如碳交易、可再生能源激励政策 等
认识《巴黎协定》等国际气候协议中零碳能源的角色。6.掌握零碳能源发展中的挑战与未来趋势分析零碳能源在推广过程中的技术、经济和社会挑战，如间歇性能源的稳定性问题、基础设施投资需求等。探讨零碳能源技术的未来发展方向，如新型储能技术、氢能和小型核反应堆（SMR）的前景。7.提高可持续能源意识与创新能力培养学生对可持续发展和能源转型的意识，理解个人及社会在实现零碳目标中的责任。鼓励学生思考创新解决方案，如如何优化现有零碳能源技术，提升能源效率等。通过本课程，学生将全面了解零碳能源的科学原理、技术应用、经济分析和社会意义，掌握推动未来能源转型的核心知识与技能。（二）课程教学目标与毕业要求的关系支撑强度课程目标支撑的毕业要求高知识目标（CO1)1-3、5、61、6、7、9、122、3、6、7、9、10、高能力目标（CO2)3、4、612素质、情感价值观目标7高8、12(CO3)（三）支撑课程目标的教学内容与方法讲授、引导学生自学、翻转课堂等相辅相成。（四）先修课程要求，与先修及后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接三年级新能源材料与器件专业必修。其他专业各年级本科生、研究生均可选修A
4 认识《巴黎协定》等国际气候协议中零碳能源的角色。 6.掌握零碳能源发展中的挑战与未来趋势 分析零碳能源在推广过程中的技术、经济和社会挑战， 如间歇性能源的稳定性问题、基础设施投资需求等。 探讨零碳能源技术的未来发展方向，如新型储能技术、 氢能和小型核反应堆（SMR）的前景。 7.提高可持续能源意识与创新能力 培养学生对可持续发展和能源转型的意识，理解个人及 社会在实现零碳目标中的责任。 鼓励学生思考创新解决方案，如如何优化现有零碳能源 技术，提升能源效率等。 通过本课程，学生将全面了解零碳能源的科学原理、技 术应用、经济分析和社会意义，掌握推动未来能源转型的核 心知识与技能。 （二）课程教学目标与毕业要求的关系 课程目标 支撑的毕业要求 支撑强度 知识目标（CO1) 1-3、5、6 1、6、7、9、12 高 能力目标（CO2) 3、4、6 2、3、6、7、9、10、 12 高 素质、情感价值观目标 （CO3) 7 8、12 高 （三）支撑课程目标的教学内容与方法 讲授、引导学生自学、翻转课堂等相辅相成。 （四）先修课程要求，与先修及后续相关课程之间的逻 辑关系和内容衔接 三年级新能源材料与器件专业必修。其他专业各年级本 科生、研究生均可选修
（五）检验课程目标达成度的考核方法和评分标准通过到课率、作业及课堂辩论了解学生课程学习的认真程度，通过课程论文和自学内容汇报了解学生对课程知识的掌握程度。课堂辩论、作业等占50%，课程论文及自学汇报占50%，总评成绩为百分制，60分及格。三、课程内容与安排第一章气候变化与碳中和（6学时）学习目标：1.了解气候变化的基本概念能够分析气候变化的原因、过程及其主要影响。能够阐述温室气体（如二氧化碳、甲烷等）如何加剧全球变暖。能够分析气候变化对生态系统、人类健康、经济发展和社会稳定的影响。2.认识碳中和的概念与目标能够阐述碳中和的定义，即通过减少排放和碳补偿，实现温室气体的“净零排放”。能够区分碳达峰和碳中和，能够阐述其关系。3.掌握应对气候变化的主要策略能够描述并通过案例应用减缓气候变化（如发展可再生能源、提高能效）的具体措施。可采用案例分析适应气候变化的策略（如建设气候适应型基础设施、农业调适等）。4.了解碳中和的技术与实践认识碳捕集与封存（CCS）、碳捕集与利用（CCU）等5
5 （五）检验课程目标达成度的考核方法和评分标准 通过到课率、作业及课堂辩论了解学生课程学习的认真 程度，通过课程论文和自学内容汇报了解学生对课程知识的 掌握程度。课堂辩论、作业等占 50%，课程论文及自学汇报 占 50%，总评成绩为百分制，60 分及格。 三、课程内容与安排 第一章 气候变化与碳中和（6 学时） 学习目标： 1.了解气候变化的基本概念 能够分析气候变化的原因、过程及其主要影响。 能够阐述温室气体（如二氧化碳、甲烷等）如何加剧全 球变暖。 能够分析气候变化对生态系统、人类健康、经济发展和 社会稳定的影响。 2.认识碳中和的概念与目标 能够阐述碳中和的定义，即通过减少排放和碳补偿，实 现温室气体的“净零排放”。 能够区分碳达峰和碳中和，能够阐述其关系。 3.掌握应对气候变化的主要策略 能够描述并通过案例应用减缓气候变化（如发展可再生 能源、提高能效）的具体措施。 可采用案例分析适应气候变化的策略（如建设气候适应 型基础设施、农业调适等）。 4.了解碳中和的技术与实践 认识碳捕集与封存（CCS）、碳捕集与利用（CCU）等
技术。掌握可持续发展与循环经济的基本原则，如资源高效利用、绿色设计等。5.培养全球视野与责任感理解全球应对气候变化的合作机制，如《巴黎协定》。认识各国在碳中和道路上的共同挑战与机遇。激发个人和社区参与环境保护、推动可持续发展的责任感。6.实践与行动通过案例研究，了解成功实施碳中和的企业、城市和国家。探讨如何在日常生活中减少碳足迹，如节能减排、绿色出行等。设计个人或社区的碳中和行动计划，并进行实践与评估。教学重点：1.气候变化的科学基础温室效应及其原理：阐述温室气体（如二氧化碳、甲烷）的来源，分析其对地球温度的影响，探讨人类活动如何加剧温室效应。气候变化的证据：学习全球气温上升、冰川融化、海平面上升、极端天气事件增加等现象背后的科学数据和观察结果。2.气候变化的影响生态系统的变化：探讨气候变化对生物多样性、物种分布、生态系统功能的影响
6 技术。 掌握可持续发展与循环经济的基本原则，如资源高效利 用、绿色设计等。 5.培养全球视野与责任感 理解全球应对气候变化的合作机制，如《巴黎协定》。 认识各国在碳中和道路上的共同挑战与机遇。 激发个人和社区参与环境保护、推动可持续发展的责任 感。 6.实践与行动 通过案例研究，了解成功实施碳中和的企业、城市和国 家。 探讨如何在日常生活中减少碳足迹，如节能减排、绿色 出行等。 设计个人或社区的碳中和行动计划，并进行实践与评估。 教学重点： 1.气候变化的科学基础 温室效应及其原理：阐述温室气体（如二氧化碳、甲烷） 的来源，分析其对地球温度的影响，探讨人类活动如何加剧 温室效应。 气候变化的证据：学习全球气温上升、冰川融化、海平 面上升、极端天气事件增加等现象背后的科学数据和观察结 果。 2.气候变化的影响 生态系统的变化：探讨气候变化对生物多样性、物种分 布、生态系统功能的影响
社会与经济的影响：分析气候变化对农业、渔业、健康、基础设施和全球经济的影响。3.碳中和的概念与目标碳中和的定义：阐述碳中和（NetZero）的概念，包括达到碳中和的途径，如减少碳排放、增加碳汇和碳捕集与封存技术。全球碳中和承诺：学习各国在国际气候协定（如《巴黎协定》）中的碳中和承诺及相关政策。4.实现碳中和的路径能源转型：分析清洁能源（如太阳能、凤能、氢能）在减少碳排放中的作用，以及传统能源向低碳或无碳能源的过渡。碳捕集与封存技术（CCS）：探讨碳捕集技术的发展及其在实现碳中和中的潜力和挑战。可持续农业与林业：分析如何通过可持续的农业和林业实践增加碳汇，减少碳排放。5.碳中和的经济与社会影响绿色经济转型：探讨如何在经济增长的同时减少碳排放，包括绿色金融、碳市场机制和企业的低碳转型。社会公平与气候正义：讨论气候变化对不同地区和人群的不平等影响，以及如何在碳中和进程中实现社会公平。教学难点：1.气候变化的复杂性与不确定性科学复杂性：气候变化涉及大气科学、海洋学、生物学等多学科交又，学生可能难以理解气候系统的复杂动态过程，7
7 社会与经济的影响：分析气候变化对农业、渔业、健康、 基础设施和全球经济的影响。 3.碳中和的概念与目标 碳中和的定义：阐述碳中和（Net Zero）的概念，包括达 到碳中和的途径，如减少碳排放、增加碳汇和碳捕集与封存 技术。 全球碳中和承诺：学习各国在国际气候协定（如《巴黎 协定》）中的碳中和承诺及相关政策。 4.实现碳中和的路径 能源转型：分析清洁能源（如太阳能、风能、氢能）在 减少碳排放中的作用，以及传统能源向低碳或无碳能源的过 渡。 碳捕集与封存技术（CCS）：探讨碳捕集技术的发展及 其在实现碳中和中的潜力和挑战。 可持续农业与林业：分析如何通过可持续的农业和林业 实践增加碳汇，减少碳排放。 5.碳中和的经济与社会影响 绿色经济转型：探讨如何在经济增长的同时减少碳排放， 包括绿色金融、碳市场机制和企业的低碳转型。 社会公平与气候正义：讨论气候变化对不同地区和人群 的不平等影响，以及如何在碳中和进程中实现社会公平。 教学难点： 1.气候变化的复杂性与不确定性 科学复杂性：气候变化涉及大气科学、海洋学、生物学 等多学科交叉，学生可能难以理解气候系统的复杂动态过程
如反馈机制、长期气候模型预测的不确定性。预测的不确定性：气候变化的预测模型中存在不确定性，学生理解和接受这些不确定性并应用在实际决策中可能具有挑战性。2.碳中和的路径与技术实现技术复杂性：实现碳中和的路径多样，包括清洁能源转型、碳捕集与封存、可持续发展技术等，这些技术背后涉及深厚的专业知识，学生可能难以全面掌握。政策与经济分析的难度：理解碳中和政策的设计、实施以及其经济影响需要跨学科的知识背景，包括经济学、环境政策和国际关系，这对于没有背景知识的学生来说是一个难点。3.全球与地方行动的协调政策实施的复杂性：全球气候变化需要各国协调行动，但各国国情不同，学生理解如何在全球合作框架下制定和执行气候政策，以及如何平衡经济发展与碳减排的关系，具有一定难度。社会公平性问题：气候变化对不同地区、经济体和社会群体的影响不平等，如何在推进碳中和过程中确保社会公平涉及复杂的伦理和政策讨论，学生在理解和讨论这些问题时可能遇到困难。4.公众意识与行为改变观念转变的挑战：推动社会在能源使用、消费习惯、生产方式等方面的变革需要深刻的观念转变，如何引导学生理解并参与其中是教学中的难点。8
8 如反馈机制、长期气候模型预测的不确定性。 预测的不确定性：气候变化的预测模型中存在不确定性， 学生理解和接受这些不确定性并应用在实际决策中可能具有 挑战性。 2.碳中和的路径与技术实现 技术复杂性：实现碳中和的路径多样，包括清洁能源转 型、碳捕集与封存、可持续发展技术等，这些技术背后涉及 深厚的专业知识，学生可能难以全面掌握。 政策与经济分析的难度：理解碳中和政策的设计、实施 以及其经济影响需要跨学科的知识背景，包括经济学、环境 政策和国际关系，这对于没有背景知识的学生来说是一个难 点。 3.全球与地方行动的协调 政策实施的复杂性：全球气候变化需要各国协调行动， 但各国国情不同，学生理解如何在全球合作框架下制定和执 行气候政策，以及如何平衡经济发展与碳减排的关系，具有 一定难度。 社会公平性问题：气候变化对不同地区、经济体和社会 群体的影响不平等，如何在推进碳中和过程中确保社会公平 涉及复杂的伦理和政策讨论，学生在理解和讨论这些问题时 可能遇到困难。 4.公众意识与行为改变 观念转变的挑战：推动社会在能源使用、消费习惯、生 产方式等方面的变革需要深刻的观念转变，如何引导学生理 解并参与其中是教学中的难点
行为与政策的结合：理解个人行为改变与政策推动之间的相互作用关系，并认识到自已在气候行动中的角色，对部分学生而言可能较为抽象和难以把握。通过案例分析和政策学习，学生可以更好地理解气候变化与碳中和的科学原理和社会影响，掌握应对气候变化的综合策略。教学方法：讲授+研讨第一节全球气候变化形势及危害第二节碳中和的由来和挑战第三节双碳的定义第四节碳中和的途径与措施第五节能量与能量转换第六节能源与零碳能源简介第二章太阳能（9学时）学习目标：1.理解太阳能的基本概念阐述太阳能的定义及其作为可再生能源的特点。分析太阳能的基本原理，如太阳辐射、光电效应等。2.学习太阳能技术的类型与应用认识太阳能热水系统、太阳能光伏系统、太阳能集中发电等主要技术。分析各类技术的工作原理、优势与局限性。探索太阳能在建筑、交通、农业等领域的具体应用。3.掌握太阳能系统的设计与安装学习太阳能系统的设计流程，包括需求评估、系统配置、9
9 行为与政策的结合：理解个人行为改变与政策推动之间 的相互作用关系，并认识到自己在气候行动中的角色，对部 分学生而言可能较为抽象和难以把握。 通过案例分析和政策学习，学生可以更好地理解气候变 化与碳中和的科学原理和社会影响，掌握应对气候变化的综 合策略。 教学方法：讲授+研讨 第一节 全球气候变化形势及危害 第二节 碳中和的由来和挑战 第三节 双碳的定义 第四节 碳中和的途径与措施 第五节 能量与能量转换 第六节 能源与零碳能源简介 第二章 太阳能（9 学时） 学习目标： 1.理解太阳能的基本概念 阐述太阳能的定义及其作为可再生能源的特点。 分析太阳能的基本原理，如太阳辐射、光电效应等。 2.学习太阳能技术的类型与应用 认识太阳能热水系统、太阳能光伏系统、太阳能集中发 电等主要技术。 分析各类技术的工作原理、优势与局限性。 探索太阳能在建筑、交通、农业等领域的具体应用。 3.掌握太阳能系统的设计与安装 学习太阳能系统的设计流程，包括需求评估、系统配置
设备选型等。记住安装和调试的关键步骤，确保系统高效运行。熟悉太阳能系统的维护与故障排除方法。4.认识太阳能发展趋势与挑战阐述太阳能技术的最新发展趋势和未来前景。探讨太阳能在全球能源结构中的角色和发展挑战，如效率提升、储能技术等。研究太阳能产业的市场动态与竞争格局。5.创新探索太阳能领域的创新技术和应用，如新型光伏材料、集成系统等。设计和实施个人或社区的太阳能解决方案，评估其效果与影响。教学重点：1.太阳能的基本原理太阳辐射的基本特性（如辐射强度、辐射谱）。太阳能的转换机制，如光伏效应（光电转换）和热能转换（光热转换）。2.太阳能技术类型太阳能光伏系统的组成与工作原理。太阳能热水系统的设计和运行机制。太阳能集中发电系统（如塔式、槽式、碟式）的工作原理和应用场景。3.系统设计与安装太阳能系统设计的关键要素（如太阳能资源评估、系统10
10 设备选型等。 记住安装和调试的关键步骤，确保系统高效运行。 熟悉太阳能系统的维护与故障排除方法。 4.认识太阳能发展趋势与挑战 阐述太阳能技术的最新发展趋势和未来前景。 探讨太阳能在全球能源结构中的角色和发展挑战，如效 率提升、储能技术等。 研究太阳能产业的市场动态与竞争格局。 5.创新 探索太阳能领域的创新技术和应用，如新型光伏材料、 集成系统等。 设计和实施个人或社区的太阳能解决方案，评估其效果 与影响。 教学重点： 1.太阳能的基本原理 太阳辐射的基本特性（如辐射强度、辐射谱）。 太阳能的转换机制，如光伏效应（光电转换）和热能转 换（光热转换）。 2.太阳能技术类型 太阳能光伏系统的组成与工作原理。 太阳能热水系统的设计和运行机制。 太阳能集中发电系统（如塔式、槽式、碟式）的工作原 理和应用场景。 3.系统设计与安装 太阳能系统设计的关键要素（如太阳能资源评估、系统