工程教育改革戰略CDIO在新能源專業人才培養中的應用

黃丹 司家勇 張立強 唐若晗

關鍵詞：新能源;CDIO工程教育;人才培養;教學改革

石油、天然氣、煤炭等燃料能源的逐日縮減使全球能源的供應捉襟見肘。而諸多能源發展的制約因素又促使太陽能、風能和核能等新能源在全球經濟發展中占據著重要地位。新能源技術消耗低，效率高，環境污染小，隨著我國對綠色節能環保要求越來越嚴格，大力發展新能源是未來的趨勢，國家也出臺了相應的鼓勵措施，新能源行業對人才的需求保持一個持續的增長。而培養社會急需的與新能源專業相關的高素質工程技術人才，是推動該專業發展的重要因素。

一、新能源產業現狀及存在的問題

我國新能源如太陽能、風能、生物質能等資源種類豐富且儲存量大，非常有利于開發利用。在國家政策的支持鼓勵下，新能源尤其是太陽能和風能的發展非常迅速，我國光伏和風電累計裝機容量逐年遞增，形成了一系列新能源產業鏈，到2016年，各種可再生能源產業的工作崗位高達980萬。

風力發電是技術較為成熟且增長最快的新能源。2016年，累計風電裝機容量和新增容量排名第一的均是中國，其次是美國和德國。風能的利用對環境污染很小，在某些地區，風能發電成本已低于其他發電機。但是風電行業棄風現象嚴重，2017年，全國風電棄風電量為419億千瓦時，同比減少78億千瓦時，棄風率有所好轉，同比下降了5.2%。

我國的太陽能資源從世界范圍來看是相當豐富的。目前，我國太陽能熱水器銷售量以及光伏電池產量均居世界首位。2005年以前，我國太陽能產業的原材料多晶硅幾乎完全依賴進口，到2017年，就占據了全球近50%市場份額，電子級多晶硅也實現小批量生產。電池片及組件生產規模連續10余年居全球首位。

水電是利用時間最長，技術相對簡單也最為成熟的一種可再生能源。無論是理論儲量還是可能開發的水資源量，我國均居世界首位。且水能發電與燃煤發電相比，二氧化碳的減排量是最高的。但目前我國水電開發利用程度遠低于發達國家水平，尤其是小容量水電的開發利用較為缺乏。

雖然我國新能源科學與工程技術經過多年的發展，有了長足的進步，但我國的整體水平與西方發達國家相比還有一定差距，對于先進的新能源裝置我國很少擁有自主知識產權。因此培養一批具有一定創新精神和較強實踐能力的新能源工程技術人才很有必要。

二、教學改革

同西方發達國家相比，我國在新能源人才培養方面的起步較晚。雖然培養的新能源專業人才在一定程度上緩解了新能源產業對人才的需求，但還不能滿足新能源產業的迅猛發展。尤其是工程技術人才實踐能力和創新能力的缺乏，制約了新能源產業的發展。為此我們需要對傳統的教學方式和理念進行改革，而借鑒CDIO教學模式不失為一種明智的方法。

（一）CDIO工程教育

CDIO是由著名的麻省理工學院（Massachusetts InstituteofTechnology，MIT）和瑞典皇家理工學院（Kungliga Tekniskah～gskolan，KTH）等四所大學經過四年的探索研究后創立的。CDIO是Conceive構思、Design設計、Implement實現和Operate運作等四個單詞縮寫而成。它是以工程項目從研發到運行的生命周期為載體，包括項目的產品、生產流程以及系統的構思、設計、實施和運行等。在CDIO教育理念中，學生通過主動的、實踐的和課程之間的有機聯系的方式學習和獲取工程能力，并在基礎知識、個人能力、人際團隊能力、工程系統能力四個方面達到預定目標。

（二）課堂教學方式改革

現有的課堂教學方式是教師直接向學生傳遞教學信息。存在的缺點是學生的主動性差，且較難培養學生的創新能力。要改變這種模式，教師就要充分發揮自身的主導作用，引導學生的學習興趣，調動學生積極性，注重與學生的互動。比如多運用多媒體和網絡資源，給學生動態展示各類新能源在實際中的應用，這樣學生的知識面會更廣，記憶也會更深刻。再比如通過實物模型的演示和各部件的講解，使學生對模型能夠有更清晰明了的理解，也更方便去理解比較抽象的東西。還可以將學生分組，以小組討論，上臺演講等方式，讓學生對工程實際系統進行深入的研究性學習。同時，在平時的教學中，適當增加技術實驗和實踐部分比重，讓學生在實驗和實踐中探索新知識，掌握新技能。

由于新能源科學與工程是工科專業，知識相對較為枯燥。因此在教學過程中宜多采用引入式或情景式教學。通過給出相關的知識圖片、視頻、動畫或實物模型等來引入課堂知識點，提出相關問題，引導學生思索，并自然而然地導入本節課的教學內容。比如在介紹新能源材料中的太陽能光伏電池時，與其直接給出太陽能電池的定義，不如先給出一個太陽能電池工作的動圖，從它的工作過程介紹每個部分，然后讓同學們思考什么樣的是太陽能電池，太陽能電池有什么優點等，最后再給出準確的太陽能電池定義。再比如在介紹氫能時，可以先通過圖片展示目前我國面臨的能源困局以及由于化石燃料燃燒造成大氣污染嚴重，然后提出問題，怎樣才能避免這種現象發生。接著講述，一方面化石能源不是清潔能源，因而造成污染嚴重，其次化石能源不是可持續能源，終將耗盡，因此發展可再生新能源刻不容緩。最后再引導學生思考哪些是可再生新能源，從而引入本課程的內容——氫能。通過引入式或情景式教學，可以使學生學習時更有積極性，并發揮想象力，讓學生通過思考來掌握課程知識。

傳統的教學模式為面對面教學，2020年教學模式發生改變，老師們普遍采用騰訊課堂，學習通等教學軟件以及慕課，愛課程等網絡資源進行線上教學。雖然線上教學存在一定的不足，如無法實時關注學生動態，師生的交流和互動存在一定的困難等，但從去年的線上教學體驗來看，線上教學依然是可取的，或者說混合式教學很有可能成為未來教學的主要手段。采用線上教學的模式，可以很方便地設置隨堂測試，批改作業，查看學生課前預習和復習情況，讓學生帶著疑問來學習課程知識，比面對面教學更有效率，并且能夠做到痕跡管理，所有的作業批改、測試、簽到等都可以下載存檔。