碳中和及新工科背景下新能源專業的教學改革探索

肖 媛，崔國民，陳家星，應 芝

（上海理工大學能源與動力工程學院 新能源科學與工程研究所，上海 200093）

在2020年9月22日的第七十五屆聯合國大會一般性辯論上，習近平總書記提出了“2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和”的目標，這兩個目標不僅是我國實現可持續發展、實現美麗中國目標的重要抓手，也是我國履行大國責任、推動構建人類命運共同體的責任擔當。2021年，中共中央國務院提出了關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見，指出應加快構建清潔低碳安全高效能源體系，積極發展非化石能源，堅持集中式與分布式并舉，優先推動風能、太陽能就地就近開發利用，構建以新能源為主體的新型電力系統，提高電網對高比例可再生能源的消納和調控能力。因此，高等院校如何最快地適應國家新能源產業的發展需求，保障新能源專業人才能夠滿足新能源領域的持續發展具有重要的意義。

1 新能源專業的人才培養模式

為主動應對碳達峰、碳中和目標下的科技革命和產業變革，高等院校正積極探索相關本科專業的教學新模式[1]，以新工科建設[2]為抓手，培養多元化、創新型卓越工程人才[3]。上海理工大學以建設特色顯著的國內一流理工科大學為目標定位，以建設成為引領產業技術進步的創新型大學為發展愿景。在新工科建設背景下，發展新能源科學與工程特色專業，培養適應國家發展戰略的卓越工程人才，是實現學校目標定位和發展愿景的有效途徑之一。新能源科學與工程專業是2010年經教育部批準設立的全國首批高等學校戰略性新興產業相關本科專業，依托在能源與動力工程領域堅實的研究基礎，已在太陽能、生物質能、天然氣水合物、氫能、海洋風能等新能源的開發利用、系統集成方面形成了獨特的人才培養優勢。

在國家推進實現碳中和目標的背景下，以新工科建設要求為抓手，以學生為中心[4]，改革教學方法和考核方式，不斷提升新能源科學與工程學生的實踐能力、綜合素質、探索精神、科學思維和創新能力[5]，對實現新能源領域創新型人才培養目標具有重要意義。目前專業開設的與新能源開發利用和系統集成相關的課程包括：必修課程《新能源理論基礎》《新能源裝備系統集成技術》《熱力設備及系統優化》《風力機原理與設計》《核反應堆工程》《氫能與新型能源動力系統》《太陽能光熱光電利用技術》；選修課程《泵與風機》《生物質能轉化與利用》《熱力發電廠》；以及《新能源專業實驗》《專業課程設計》等工程實踐類課程及畢業設計。其中，《新能源理論基礎》《新能源裝備系統集成技術》《專業課程設計》是掌握新能源科學與工程的基礎理論、專業技能和工程實踐能力的關鍵課程，以這三門課程為例，探索碳中和目標下的教學內容及考核方式的改革，對探索新能源專業的教學改革具有重要的參考價值。

2 新能源專業課程教學內容的改革

從教學內容上，專業核心課程應緊跟國家發展戰略需求，將實現碳中和目標的意義、技術難點、實現途徑融入課程教學環節，在與其相關的理論基礎、裝備系統集成、工程實踐、系統設計等課程中加入與碳達峰、碳中和相聯系的內容，使新能源科學與工程專業的學生能夠掌握新能源科學與工程的科學前沿、發展狀況與趨勢，系統地掌握本專業的基礎理論、專業技能和工程實踐能力，具備本專業領域相關裝備與系統的創新設計能力。

2.1 《新能源理論基礎》

《新能源理論基礎》概述了新能源基本概論以及主要的新能源形式（太陽能、風能、核能、生物質能、天然氣水合物、氫能利用技術、地熱能與海洋能）利用技術，其教學內容改革可分為以下兩點：

（1）在新能源基本概論中介紹新能源對于實現碳達峰、碳中和的重要意義，使學生認識到碳達峰、碳中和的必要性及可實現途徑，了解新能源開發利用與國家社會、經濟發展的關聯，明確作為新能源專業學生的使命，努力成為新能源科學與工程領域工程型、應用型、創新型高級人才。

（2）增加分布式能源系統的介紹，學生可自主選擇新能源形式，通過《新能源理論基礎》課程的學習能夠構建新能源系統的基本流程和實現方案，為后續專業類課程的深入學習奠定基礎。

2.2 《新能源裝備系統集成技術》

《新能源裝備系統集成技術》基于前期學習的太陽能熱/光伏發電、風力發電、氫能制備與利用等新能源系統的設計優化，使學生掌握系統優化方法及新能源系統集成的基本知識，理解經典系統優化方法，能夠熟練運用于新能源系統設計優化過程。在碳中和背景下，新能源裝備系統集成技術是提升能源利用率、提高能源系統效率的必然途徑之一，其教學內容改革可從以下兩個方面入手：

（1）優化教學內容配比，合理分配最優化方法、新能源系統設計與優化以及分布式能源系統設計與優化的課時，協調前兩部內容和其他課程的重合部分，使學生能夠真正全面地掌握分布式能源系統的設計和優化。

（2）增加新能源系統與傳統能源系統（熱力發電廠、冷熱電三聯供）的結合分析，使學生能夠真正地將所學知識與工程實踐相聯系，為學生將來從事能源系統改造或新能源系統工程方面的工作奠定基礎。

2.3 《專業綜合課程設計》

《專業綜合課程設計》旨在培養學生的新能源裝備設計能力，使學生掌握各類新能源裝備設計的基本方法和步驟，具備創造性地設計新能源專業設備的理論和實踐基礎。近三年新能源科學與工程專業的綜合課程設計主要包括：管殼式煤油冷卻器的設計、固定床生物質氣化系統的設計、夾套式天然氣水合物反應器的設計、核反應堆熱工設計這4類，尚未涉及多能互補的新能源系統的設計及集成。

因此，增設多能互補的新能源系統的設計和集成，使學生能夠獨立地設計風光儲一體化的分布式供能系統，掌握計算、模擬、優化的基本方法，培養具備新能源科學與工程專業創新實踐能力的高素質、創新型人才。

3 新能源專業課程考核方式的改革

為了進一步適應碳中和目標下新能源科學與技術卓越人才的培養需求，從考核指標、考核方式上應更注重對學生掌握新能源系統的整體設計及優化的考核，使學生能夠獨立完成新能源裝備系統的設計和集成。

課程的考核方式應更加多元化，除了考試之外可增加與學生的互動，例如學習報告、作品展示或翻轉課堂，實時了解學生對新能源領域科學與技術的理解程度，使學生在掌握新能源領域基本概念、基本理論、基本計算的基礎上，訓練提高思維能力、創新能力、自主學習能力及實踐和解決問題能力。

對于《新能源裝備系統集成技術》，前期課程的考核要點主要包括：（1）系統集成、新能源裝備和最優化等基本概念及優化問題剖析，占比35%；（2）經典最優化方法理論及其運用于新能源系統設計優化，占比50%；（3）優化方法在分布式能源系統設計優化中的運用，占比15%。課程的考核內容仍比較偏重于系統集成理論和方法，對于系統集成技術在新能源系統的應用考察不夠充分；在對新能源裝備系統集成的考核中，更加側重學生對于新能源系統的基本概念的認識和理解，尚未正式考察分布式能源系統的設計與優化過程。因此，從考核方式上，新能源裝備系統集成技術應更加側重學生對新能源系統設計能力的考察，使學生具備分布式能源系統設計、模擬、優化的實操能力，能夠掌握新能源裝備的基本原理、類型特點、設計計算、基本優化。

4 結論

本文探索了碳中和及新工科背景下新能源專業的教學改革，為新能源專業的人才培養提供了教學內容、考核方式方面的參考。通過在新能源專業課程中針對性地闡述“碳達峰”“碳中和”與新能源專業的關系，激發學生的學習興趣，提升學生的使命感；在專業課程及課程設計中增設分布式能源系統的設計和優化，能夠使學生在理論和實踐層面深入地掌握新能源系統的基礎理論知識，提升實際動手能力和創新設計能力。總之，應該從課程設置、考核內容、考核方式等方面關注學生對于新能源系統的實際理解和設計能力，不斷提升新能源學生的專業素養，從而適應社會節能減碳對于新能源專業人才的需求。