能動類新工科人才實踐教學體系的改革探索

周永利 王國強 楊晨 李俊 曾理 包健 李友榮 石萬元 卞煜

摘要：新時代下經濟的飛速發展急切需要新工科人才的支撐，國內外高校迫切需要面向未來輸送具有創新能力的復合型新工科人才。本文以現階段科技發展的熱點為切入點，探討新工科背景下的能動類專業實踐教學現狀與要求，探索了能動類新工科人才的實踐教學體系。

關鍵詞：新工科；實踐教學；能動類

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）17-0092-04

當前新時代經濟的快速發展迫切需要新工科人才的支撐，新工科的建設已成為當前高等工程教育改革的熱點，并引起廣泛的關注：在2017年2月高等工程教育發展戰略研討會上達成了“新工科建設復旦共識”[1]；2017年4月，教育部在天津大學召開新工科建設研討會，會上提出“天大行動”[2]；2017年6月9日，教育部審議通過了《新工科研究與實踐項目指南》，其規劃出的新工科研究與實踐項目包含新理念、新結構、新模式、新質量和新體系等5個部分，合計24個選題方向[3]。目前有些院校針對新工科的實踐模式作了一定的探索研究：周靜等提出了理工科專業“四層次四方位”實踐教學體系模式[4]，戴亞虹開展了電子信息類工程人才培養模式的探索，提出了“學踐研創”四位一體實踐教學體系[5]，顧菊平等對電氣類創新型人才培養的路徑選擇進行了探討[6]，馮丹艷等探討了機械設計制造及其自動化專業人才培養模式[7]。這些研究主要針對專業培養模式層次性、創新性、協同性及融合性進行探索。在新時代國家推進高等教育改革的新戰略的時代背景下，能動類學科致力于各種能源的開發及運用，既包括煤、石油、天然氣等傳統能源，也包括太陽能、核能、風能等新興能源，對于現階段能源動力類學科的發展而言，面臨著諸多國內外因數影響，掌握當前形式下能動類學科的核心技術及培育出熟悉運用該技術的復合創新型人才是發展的關鍵。本文以現階段第四工業革命為切入點，結合能源互聯網的發展要求，探討新工科背景下的能動類專業實踐教學現狀，探索了能動類新工科人才的實踐教學體系。

一、能動類學科面臨的新環境

1.第四次工業革命的加速推進。人類社會過去幾百年的高速發展，很大程度上是工業革命推動的結果。每一次的工業革命無一不是一次生產力的巨大革新，而每一次生產力的革新背后幾乎都會伴隨著能源領域的技術變革。第一次工業革命大約18世紀60年代到19世紀中葉，其標志是蒸汽機的發明帶動了工業發展機械化，蒸汽機將熱能轉化為機械能，標志著從工場手工作業向機器大工業的過渡。第二次工業革命大約19世紀下半葉到20世紀初，其標志是電力和內燃機的發明及應用，第二次工業革命極大的推動了生產力的發展，對人類社會的經濟、政治、文化和軍事產生了深遠的影響，標志著人類進入了“電氣時代”，大規模電能運用使得人類的生產生活可以在晚上進行，促進了物質財富的累積。第三次工業革命從20世紀四五十年代到現在，是以計算機為代表的信息技術革命，使傳統工業更加自動化和信息化，徹底改變了整個社會的運作模式。能源的利用逐步向智能化、信息化和集成化方向發展。人類史上的三次工業革命使得人類進入了越來越繁榮的時代，但三次工業革命也導致了很大的問題：一是造成巨大的能源及資源消耗；二是導致了巨大的環境及生態破壞。因為21世紀人類面臨著空前的能源危機、資源危機和生態危機，因而下一次工業革命迫切需要解決這些問題。而目前，基于信息物理系統（Cyber-Physical System，CPS）的智能化，人類將步入第四次工業革命，也稱之為綠色工業革命，其包含兩大主題：“智能工廠”和“智能生產”，但主體在智能，而不是工廠和生產，不再以資源過度消耗及環境污染為代價，而是遵循人類社會及自然界的發展規律，逐步解決前面遺留下的問題。正因為如此以智能化為導向推動能動類學科的發展剛好是解決這一問題的核心，在新工科的背景下，能動類學科的發展必須符合第四次工業的要求，力爭解決生態環境的惡化、自然資源和能源的過度消耗等問題。

2.能源互聯網的發展。能源互聯網是以原主力電力網為基礎，利用互聯網技術，融合可再生能源、天然氣網、氫能網等多能源網，形成多種能源利用和多元主體參與的能源互聯共享網絡[8]。其內涵是以互聯網理念構建新型能源融合的電網，以常規大電網為主電網，以小型微網為局域網，統一信息架構，實現能源雙向按需傳輸和動態平衡使用。能源互聯網具備五個特點：（1）可再生能源是能源互聯網的主要能量供應來源。（2）每個分布式微型能源網絡構成能源互聯網的一個節點。（3）整個能源互聯網需要各微網聯起來進行能量交換才能實現能量平衡與需求。（4）系統具有開放性，發電裝置、儲能裝置和負載能夠“即插即用”。（5）原來大電網中融入了微型能源網絡，構成新型的大范圍分布式能源共享互聯網絡[9]。不難發現，微網是能源互聯網組成的基本要素，原大電網是能源互聯網的主干網，因此能動類學科發展必須滿足能源互聯網的發展趨勢。

二、能動類實踐體系現狀分析

目前，我校能源與動力工程大類專業現有的專業實驗課大部分屬于“課夾實驗”，實驗項目大多停留在驗證性階段，專業基礎課程實驗與后續的應用性和技術性的專業課程實驗隔離，沒有形成系統的實驗框架和體系。而且學生實驗時照本宣科，得不到基本的試驗技能訓練，更談不上與研究性和創新性的“專業創新實驗”和“科研訓練實驗”產生聯系，沒有形成系統的實驗框架和體系，學生很難建立一整套關于能源利用的知識結構。顯然，這種實驗方式只能有限度的幫助學生對專業理論的理解，而對培養學生的分析問題和解決問題的能力作用不大，更談不上對新工科學生綜合素質的提高，培養學生創新思維和創新能力。并且實驗體系多數強調課本知識的學習及操作能力的培養，對學生綜合素質，尤其是在社會責任方面的意識培養方面存在不足，工程綜合素質培養需加強。

在新工科背景下，現有的實踐教學的教學理念及體系等方面還存在諸多不足，不利于新工科創新復合型人才的培養。各門實驗教學課程大多是按照理論課程設置，并根據自身的需要開設各實驗。這種實驗教學體系最大的問題就在于實驗內容跟不上新時代實踐教學的發展，沒有與時俱進，不利于新工科背景下學科、課程的交叉融合和學生綜合能力、創新能力的培養。

由此可見，目前的能動類專業實驗教學水平尚不能支撐新工科培養方案提出的人才培養目標和培養規格的實現，同時也很難滿足學科建設和國家經濟快速發展對人才培養的要求，也很難適應現代新工科高等教育對實驗教學的要求。開展以現代智慧能源利用系統為主線的系列實驗課程建設已成為現實的迫切要求。通過系統化的實踐教學培養高素質、能力強的學生，使學生不但能適應當前工程教育認證大環境與國際實質等效的專業認同理念，又能提高自身的能力、開拓視野，緊跟第四工業革命步伐，切實發展能源互聯網。

三、能動類新工科人才實踐教學體系的初探

1.新工科人才實踐體系的建設思路。在第四次工業革命即將爆發的今天，在能源互聯網高速發展的當下，能動類學科以分布式能源系統為切入點構建能動類新工科人才培養體系是一種行之有效的方法。課程體系建設必須體現強化知識的交叉融合，拓寬現有能動類知識領域，突出工程實踐與人文社科的融合，基于此能動類新工科實驗教學體系建設總體框如圖1所示：通過以分布式能源熱電冷三聯供系統為基礎，進行模塊化系統搭建，同時輔以微藻能源、生物質能、太陽能、風能、蓄冷蓄熱等多種節能減排手段，如圖構建低碳綠色、低碳節能的能源實驗體系。該體系主要是以分布式微網為探索方向，學生通過遞進式系統學習，將全面掌握各模塊知識，并系統構建能動類知識體系。該體系對能動類新工科人才培養起著顯著的支撐作用。

2.能動類實踐教學體系的探索。新工科人才的實踐教學體系的建立首先要構建能源動力領域的理論知識體系，學生運用相關領域理論和能源應用方面相關知識，系統掌握能源高效利用及節能技術，能源動力領域的理論知識課程體系如下。

基于上述理論課程體系構建了能動類實踐教學體系，構架圖如圖2所示。分為四個實驗體系：（1）能源轉換實驗體系：在該體系中包含各種燃料的制備及合成、可燃物質的氣化及熱解和微藻產生生物燃油等。在能源轉換過程中主要包含化學能轉換為熱能、熱能轉換為機械能及機械能轉換為電能等。（2）能源利用實驗體系：能源的高效利用要求消耗同樣的能源獲得較多的效益，因而能源的梯級利用顯得尤為重要，通過按質用能和逐級多次利用兩個方面進行，從而提高了整個系統的能源利用效率。基于此設計了多個實踐項目：太陽能、風能、燃料電池和熱電冷三聯供系統試驗；微型燃氣輪機系統特性試驗；熱電冷聯產和余熱回收試驗等。（3）能源儲存實驗體系：能源儲存及輸配是相互依存的，對大多數能量轉換或利用系統而言，獲得的能量和需求的能量常常是不一致的，為了使能量利用的過程能連續地進行，就需要采用能量儲存措施或專門設置一些儲能設備，主要有熱能及電能、化學儲能的儲存等。（4）系統監視與控制及工程倫理實驗體系，該模塊主要強調培養計算機模擬工程實際的能力和培養新工科學生工程倫理素養，有效地激發了學生對相關工程問題的道德敏感性，培養具備專業素質和人文精神的新工科工程師，為國家建設和發展提供應用型創新人才。總之四個實驗體系，層次分明，逐級遞增。

四、結語

在第四次工業革命即將高速發展的當下，人才短缺是一個必須解決的問題，本文以能源互聯網為切入點，對新工業革命體系下能動類人才培養體系進行了探索，對分布式能源微網進行了探討，初步構建了能動類實踐教學體系，根據學生掌握知識面的程度，對實驗教學體系和內容進行了遞進式的探索，為能動類新工科人才實踐體系提供了一種可能方案。

參考文獻：

[1]教育部.“新工科”建設復旦共識[J].高等工程教育研究，2017，15（1）：10-11.

[2]教育部.“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[J].高等工程教育研究，2017，（2）：24-25.

[3]林健.深入扎實推進新工科建設——新工科研究與實踐項目的組織和實施[J].高等工程教育研究，2017，（5）：18-31.

[4]周靜，劉全菊，張青.新工科背景下實踐教學模式的改革與構建[J].實驗技術與管理，2018，3（35）：165-168.

[5]戴亞虹，李宏，鄔楊波，陳芬.新工科背景下“學踐研創”四位一體實踐教學體系改革[J].實驗技術與管理，2017，12（34）：189-195.

[6]顧菊平，堵俊，華亮.新工科視域下綜合性大學電氣類創新型人才培養的路徑選擇[J].中國大學教學，2018，（1）：56-60.

[7]馮丹艷，莫玉梅.新工科理念下機械設計制造及其自動化專業人才培養模式探討[J].山東工業技術，2017，（22）：231-231.

[8]田世明，欒文鵬，張東霞，梁才浩，孫耀杰.能源互聯網技術形態與關鍵技術[J].中國電機工程學報，2015，35（14）：3482-3493.

[9]查亞兵，張濤，譚樹人，黃卓，王文廣.關于能源互聯網的認識與思考[J].國防科技，2012，33（5）：1-6.