新工科背景下的新能源專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式探討

文 | 譚劍鋒，陳捷，薛慧芳，孫后環(huán)

高等教育發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。國(guó)家推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，實(shí)施“一帶一路”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大倡議和戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，同時(shí)也對(duì)工程科技人才提出更高要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新。高等學(xué)校需要采用先進(jìn)的工程教育理念，加強(qiáng)新工科背景下培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，更加重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。為此，南京工業(yè)大學(xué)新能源科學(xué)與工程專業(yè)從實(shí)踐教學(xué)課程規(guī)劃、課程體系設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容、授課形式、課外實(shí)踐活動(dòng)等多方面加強(qiáng)對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜工程能力的培養(yǎng)。

專業(yè)背景

南京工業(yè)大學(xué)具有百年辦學(xué)歷史，是首批入選國(guó)家“高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升計(jì)劃（2011計(jì)劃）”的14所高校之一，是國(guó)家首批深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革示范高校和全國(guó)高校實(shí)踐育人創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地。從辦學(xué)特色出發(fā)，經(jīng)過(guò)充分調(diào)查研究，基于資源共享、優(yōu)化匹配的原則，以本校機(jī)電控制工程學(xué)科群為依托，聯(lián)合化工機(jī)械、機(jī)械工程及自動(dòng)化等學(xué)科資源，從2008年開(kāi)設(shè)風(fēng)能與動(dòng)力工程專業(yè)方向。風(fēng)能與動(dòng)力工程本科專業(yè)于2010年申請(qǐng)獲批，2011年開(kāi)始招生。2013年，國(guó)家對(duì)專業(yè)目錄進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，專業(yè)名稱改為新能源科學(xué)與工程。經(jīng)過(guò)近幾年的大力投入和發(fā)展，以及對(duì)新能源領(lǐng)域人才需求的充分調(diào)研，更加明確培養(yǎng)目標(biāo)，并對(duì)培養(yǎng)方案不斷修訂完善，形成較為穩(wěn)定的課程體系。在新工科背景下，不斷地強(qiáng)化本專業(yè)的優(yōu)勢(shì)和特色，將教師科研成果恰當(dāng)?shù)厝谌氡究粕呐囵B(yǎng)中，更加注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，不斷探索實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)模式。

圖1 新能源科學(xué)與工程專業(yè)基本情況

實(shí)踐課程規(guī)劃思路和建設(shè)

一、實(shí)踐課程規(guī)劃思路

根據(jù)本校人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位，深入調(diào)研社會(huì)需求與學(xué)科發(fā)展，參考《高等學(xué)校理工科學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)性規(guī)范》和“工程教育專業(yè)認(rèn)證”通用標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)，確定培養(yǎng)從事清潔能源生產(chǎn)、新能源開(kāi)發(fā)利用、能源環(huán)境保護(hù)以及新能源裝備設(shè)計(jì)與制造的跨學(xué)科復(fù)合型人才。為此，于2015年修訂了南京工業(yè)大學(xué)新能源科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)方案和課程體系。本專業(yè)實(shí)踐類課程貫穿本科教學(xué)始終，加強(qiáng)在素質(zhì)教育、實(shí)踐創(chuàng)新方面的培養(yǎng)，促進(jìn)素質(zhì)、能力、知識(shí)協(xié)調(diào)發(fā)展。

二、實(shí)踐教學(xué)建設(shè)

1. 優(yōu)化課程關(guān)系，構(gòu)建遞進(jìn)式實(shí)踐課程體系

根據(jù)新能源科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，采用遞進(jìn)方式逐步提高學(xué)生在工程實(shí)踐方面的能力。為此，建立基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)的知識(shí)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，工程訓(xùn)練和生產(chǎn)實(shí)習(xí)的生產(chǎn)型實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)科基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)和專業(yè)課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)型實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以及新能源工程綜合實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)實(shí)習(xí)的綜合型實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，從而培養(yǎng)在問(wèn)題分析、設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)、團(tuán)隊(duì)溝通等方面的能力，形成從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)模式。

（1）知識(shí)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

知識(shí)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)包括基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)涵蓋自然科學(xué)和工程基礎(chǔ)類課程，如大學(xué)物理、材料力學(xué)等課程。通過(guò)此類課程實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論知識(shí)的理解。專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)涵蓋風(fēng)力發(fā)電原理、風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)與制造、太陽(yáng)能利用技術(shù)等專業(yè)課。通過(guò)此類課程實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)新能源技術(shù)的理解，同時(shí)通過(guò)增加綜合性實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。比如在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并搭建實(shí)驗(yàn)線路，測(cè)量發(fā)電功率，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能特性，提高學(xué)生對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的理解和實(shí)踐動(dòng)手能力。

（2）生產(chǎn)型實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

生產(chǎn)型實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)涵蓋工程訓(xùn)練和生產(chǎn)實(shí)習(xí)。通過(guò)工程訓(xùn)練讓學(xué)生掌握新能源裝備涉及的機(jī)械零部件加工流程和工藝，如增速器的主軸加工流程和工藝要求等。工程訓(xùn)練要求任課教師根據(jù)教學(xué)大綱的要求，先講授相應(yīng)的理論課，再安排學(xué)生進(jìn)入“現(xiàn)代裝備制造大學(xué)生工程訓(xùn)練中心”進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)。工程訓(xùn)練的目的在于增強(qiáng)學(xué)生在機(jī)械制造領(lǐng)域的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)其求知與創(chuàng)新欲望，培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械零件工程實(shí)踐能力，為后續(xù)新能源裝備理論課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

圖2 實(shí)踐教學(xué)課程體系

圖3 風(fēng)力發(fā)電原理課程實(shí)驗(yàn)

生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)中創(chuàng)造性地構(gòu)建企業(yè)高級(jí)工程師進(jìn)校講解與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)指導(dǎo)相結(jié)合機(jī)制，提高學(xué)生對(duì)新能源裝備制造主流技術(shù)的理解和掌握程度，更好地在實(shí)習(xí)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，激發(fā)在工程技術(shù)和工程實(shí)踐方面的創(chuàng)新點(diǎn)，讓學(xué)生更全面了解新能源裝備領(lǐng)域的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、安裝與檢測(cè)等過(guò)程，為后續(xù)新能源裝備設(shè)計(jì)類課程奠定機(jī)械制造領(lǐng)域的知識(shí)體系。如在齒輪箱制造實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，通過(guò)高級(jí)工程師講解齒輪箱的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)流程和加工工藝要求，并現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)從基本材料到齒輪機(jī)加工和熱處理等加工工藝、再到齒輪箱整體裝配與檢測(cè)等全流程，更深入掌握實(shí)際齒輪箱的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、安裝與檢測(cè)流程。

（3）設(shè)計(jì)型實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

設(shè)計(jì)型實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)涵蓋學(xué)科基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)和專業(yè)課程設(shè)計(jì)，如機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)、風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)課程設(shè)計(jì)、風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)與制造課程設(shè)計(jì)等。通過(guò)課程設(shè)計(jì)讓學(xué)生綜合使用理論課知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生在新能源領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的分析與研究、設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案、信息檢索等方面的能力。以此三門(mén)課程設(shè)計(jì)為平臺(tái)，加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中機(jī)械部件設(shè)計(jì)、風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部件設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行一次較全面的模擬設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

（4）綜合型實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

綜合型實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)包括新能源工程綜合實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)實(shí)習(xí)。新能源工程綜合實(shí)訓(xùn)在各新能源企業(yè)進(jìn)行，通過(guò)在生產(chǎn)一線實(shí)際鍛煉，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)新能源裝備的理解和對(duì)復(fù)雜工程實(shí)際問(wèn)題的分析能力。比如由企業(yè)工程師講授風(fēng)電機(jī)組裝配流程和工藝要求，并按照風(fēng)電機(jī)組總裝車(chē)間作息時(shí)間，在工程技術(shù)人員的指導(dǎo)下，全程跟蹤風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總裝，從而更加深入理解變槳距系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、剎車(chē)系統(tǒng)等的安裝與調(diào)試等環(huán)節(jié)。隨后深入風(fēng)電場(chǎng)，通過(guò)工程師的現(xiàn)場(chǎng)講解和討論，學(xué)習(xí)風(fēng)電場(chǎng)日常運(yùn)行、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、保養(yǎng)與維護(hù)等方面的知識(shí)，了解風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行與管理模式。

圖4 實(shí)踐課程指導(dǎo)書(shū)

畢業(yè)實(shí)習(xí)則在新能源企業(yè)和校內(nèi)同時(shí)開(kāi)展。校內(nèi)實(shí)習(xí)內(nèi)容包括風(fēng)電機(jī)組主要部件的拆裝，幫助解答畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中有關(guān)風(fēng)電機(jī)組的疑問(wèn)。校外實(shí)習(xí)依托實(shí)踐教學(xué)基地進(jìn)行，每個(gè)同學(xué)記錄畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中碰到的新能源裝備工程問(wèn)題，通過(guò)與企業(yè)工程師現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溝通，加深對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的解決措施理解，從而讓畢業(yè)設(shè)計(jì)更加符合新能源裝備的實(shí)際要求。

2. 加強(qiáng)實(shí)踐能力培養(yǎng)，優(yōu)化實(shí)踐課程授課方式

理論替代不了實(shí)踐，但實(shí)踐可以完善理論，因此，本專業(yè)適當(dāng)減少理論課的學(xué)時(shí)，調(diào)整部分課程內(nèi)容的授課方式，將部分純理論的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)新能源裝備增加感性認(rèn)識(shí)。比如在風(fēng)力發(fā)電組原理課程中，將部分風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)轉(zhuǎn)為在新能源科學(xué)與工程綜合實(shí)驗(yàn)室的大型變槳距風(fēng)電機(jī)組模擬試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行授課，通過(guò)對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)講解，讓學(xué)生更加直觀理解大型水平軸風(fēng)電機(jī)組基本結(jié)構(gòu)和動(dòng)力傳遞路徑，從而把枯燥的理論課程轉(zhuǎn)化為生動(dòng)活躍的實(shí)踐課程。

此外，還提高了綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)所占的比重，鼓勵(lì)教師將一些成熟的研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，以開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練。比如基于教師承當(dāng)?shù)娘L(fēng)電機(jī)組回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，將項(xiàng)目中復(fù)雜的內(nèi)容簡(jiǎn)化為適合于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)與控制實(shí)驗(yàn)，分析偏航系統(tǒng)控制目標(biāo)，讓學(xué)生分組設(shè)計(jì)偏航控制流程，利用PLC語(yǔ)言編寫(xiě)偏航控制編碼，并導(dǎo)入到大型變槳距風(fēng)電機(jī)組模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)際操作驗(yàn)證，從而讓學(xué)生更直觀理解風(fēng)電機(jī)組的控制，鍛煉學(xué)生在解決風(fēng)電機(jī)組復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力。

3. 豐富實(shí)踐教學(xué)形式，開(kāi)展優(yōu)秀本科生導(dǎo)師制

圖5 新能源綜合實(shí)踐教學(xué)

開(kāi)展第二課堂和創(chuàng)新活動(dòng)，增設(shè)菁英人才班，進(jìn)行素質(zhì)拓展與創(chuàng)新培養(yǎng)，鼓勵(lì)學(xué)生按照個(gè)性發(fā)展，以多樣化的實(shí)踐教學(xué)形式培養(yǎng)學(xué)生在工程實(shí)踐方面的能力。素質(zhì)拓展途徑包括參加科技創(chuàng)新及競(jìng)賽、開(kāi)展社會(huì)調(diào)查、參與教師科研工作等多個(gè)方面。為充分挖掘優(yōu)秀本科生的發(fā)展?jié)摿Γ瑢?shí)施“優(yōu)秀學(xué)生導(dǎo)師制”措施。從大學(xué)二年級(jí)開(kāi)始，鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生加入各新能源科研團(tuán)隊(duì)，為他們配備專業(yè)指導(dǎo)教師，指導(dǎo)開(kāi)展各種形式的實(shí)踐研究活動(dòng)。比如部分新能源專業(yè)的學(xué)生利用課余時(shí)間學(xué)習(xí)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)，在專業(yè)教師的指導(dǎo)下開(kāi)展基于LabView的風(fēng)電系統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的檢測(cè)。

圖6 大型變槳距風(fēng)電機(jī)組模擬試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

圖7 風(fēng)電系統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái)

此外，大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目和大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的設(shè)立，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的積極性，創(chuàng)新項(xiàng)目的申請(qǐng)、評(píng)審、考核和鑒定與科研課題運(yùn)作模式一致，由新能源專業(yè)導(dǎo)師指導(dǎo)學(xué)生撰寫(xiě)申請(qǐng)書(shū)，開(kāi)展相應(yīng)創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)業(yè)精神。

總結(jié)

根據(jù)新工科背景下對(duì)新能源領(lǐng)域的人才要求，建立與之匹配的培養(yǎng)目標(biāo)，確定實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)的支撐關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生在解決新能源領(lǐng)域復(fù)雜工程方面的能力。通過(guò)從知識(shí)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)、生產(chǎn)型實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，到設(shè)計(jì)型實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，再到專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，以遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)體系培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)授課方式，開(kāi)展優(yōu)秀本科生導(dǎo)師制度，加強(qiáng)實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為評(píng)價(jià)實(shí)踐教學(xué)效果以及對(duì)各實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的持續(xù)改進(jìn)，將逐步開(kāi)展基于OBE評(píng)價(jià)體系的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)各教學(xué)環(huán)節(jié)質(zhì)量監(jiān)控和評(píng)價(jià)，并反饋與各實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，努力提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的工程實(shí)踐能力。