“雙碳”戰略和新工科背景下多學科交叉人才培養與Chem-E-Car 競賽的融合實踐

劉君騰，杜樂，肖寧，鄒德勛

（北京化工大學化學工程學院，北京 100029）

“雙碳”是碳達峰與碳中和的簡稱。2020 年，我國提出力爭于2030 年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和[1]。“雙碳”目標已經成為國家性戰略，我國進入“雙碳”新時代。“雙碳”目標的提出，堅定了中國大力發展可再生能源、綠色低碳發展的決心，描繪了中國未來實現綠色低碳高質量發展的藍圖，展現了大國擔當[2]。高校是人才培養的主陣地，在“雙碳”戰略背景下，高校應加快培養具有科學素養和創新實踐能力的復合型人才[3]。

2022 年，教育部印發《加強碳達峰碳中和高等教育人才培養體系建設工作方案》，明確規劃和引導高等學校在發展服務國家“雙碳”目標下加快專業人才的培養，為實現“雙碳”戰略目標提供堅強的人才保障和科技支撐。在“雙碳”背景下，新工科建設的重要目標是建立適應“雙碳”產業和科技發展需求的人才培養體系，大力推進“雙碳”領域的科技創新、實踐創新人才培養[4]。新工科建設“以學生為中心”，具有多學科交叉的特點[5，6]。多學科交叉是高等學校提高教學、科研水平的重要支柱[7]。新工科背景下，多學科交叉與學科競賽相融合是加強“雙碳”人才培養的重要手段。

1 Chem-E-Car 競賽簡介

Chem-E-Car 競賽由美國密西根大學Scott Fogler教授創立、由美國化學工程師協會（AIChE）組織，是一項考察本科生運用化學工程技能的競賽[8]。Chem-ECar，即Chemical Engineering Car，譯為“化工車”，是一輛由化學反應提供動力、由化學反應精確控制行駛距離的車輛模型，要求競賽團隊運用化學工程技能并跨學科應用，設計、制造一輛可實際行駛的車輛模型。這項競賽結合了理論與創造力，為傳統沉悶的工程教育帶來了蓬勃生機[9]。

Chem-E-Car 競賽分為海報和性能競賽兩部分。海報競賽是各參賽隊伍以海報形式展示制作的化工車，介紹車輛模型的設計原理、安全和環保措施。海報競賽過程中，參賽隊伍接受責任評委的現場質疑和車輛檢查，確認制作的車輛模型符合競賽規則，方可進入性能競賽環節。性能競賽是考察參賽隊伍對車輛模型行駛距離的控制能力。比賽前1 h 由評委組宣布性能競賽的目標行駛距離（15.0～30.0 m），參賽隊伍依據目標距離計算車輛化學反應控制系統與動力系統所需的化學品濃度、用量等參數，現場稱量藥品、配制試劑、組裝調試。競賽中化工車須在2 min 內完成行駛，實際行駛距離與目標行駛距離偏差最小者獲得冠軍。國內性能競賽的冠亞軍和東道主隊伍可以參加當年在美國舉辦的全球Chem-E-Car 競賽。

Chem-E-Car 競賽經過近30 年的發展，吸引了全球眾多頂尖高校參與，已經成為一項化學工程領域的全球性賽事。

2 多學科交叉人才培養與Chem-E-Car競賽

“雙碳”戰略背景下，我國經濟社會發展將迎來重大變革和挑戰，需要持續的科研技術投入，多學科、多產業、多部門的深度融合[10]。學科交叉、思維交叉是創新的動力和源泉，多學科交叉使學科之間耦合互動、多向交流，提高知識創新的速度和密度。

以Chem-E-Car 國際競賽為紐帶，組建跨院系、跨專業、跨年級的學生競賽團隊，搭建教學、科研一體化創新實踐平臺，是一種多學科交叉融合的新工科“雙碳”人才培養模式。人才培養與Chem-E-Car 競賽相融合，有利于打破固有的專業領域界限，更多地運用學科交叉、思維路線的交叉方法，通過多學科交叉融合的方式，提高“雙碳”人才的科學素養和創新實踐能力。

Chem-E-Car 競賽的核心是考察本科生對化學工程知識的掌握和運用，但是競賽隊伍需要多個學院、多個專業的學生共同組成。化學工程學院學生負責設計化學反應驅動、控制車輛；機電工程學院學生負責3D建模，設計、制作車輛模型；信息科學與技術學院學生要解決化學反應信息如何轉變為電信號的問題。除了多個學院參與，各個專業也緊密配合。車輛由化工反應控制和驅動，需要化學工程與工藝專業、能源化學工程的學生負責。評估化學反應的安全性，以及廢氣、廢液排放對環境的影響，環境工程和安全工程專業必不可少。車輛的機械結構、傳動、外觀，以及零部件加工、裝配、調試，需要機械設計制造及其自動化、機械工程及自動化、工業設計專業參與。自動化、測控技術與儀器專業則負責設計各種傳感器監控反應過程、編制程序進行參數計算和判斷。

Chem-E-Car 競賽是多學科交叉培養“雙碳”人才的有益載體。將“雙碳”理念融入競賽全過程，各個學院、專業、年級的學生在競賽及培訓過程中瞄準循環經濟、節能減排、綠色能源等技術重點調研學習，強化綠色低碳意識，激發學生的學習興趣和主觀能動性，培養符合時代發展需要的“雙碳”科技創新人才。

3 “雙碳”人才培養與Chem-E-Car 競賽融合實踐方法

3.1 培養實踐創新能力

基于Chem-E-Car 競賽，整合各學科優勢資源，以多學科交叉融合為著力點，強化本科生實踐創新能力培養。以學生在競賽中遇到各種實際問題為切入點，利用學生對解決實際問題的渴望，調動學習積極性，從傳統的“填鴨式”被動學習轉變為獨立的主動學習，激發學生的創新精神和創造熱情，培養學生的創新意識、創造能力及工程實踐能力，注重學生綜合素質與能力培養，調動學生投身科技創新活動的積極性，營造濃厚的學術氛圍，推動大學生科技活動蓬勃發展，促進學習教學質量的全面提高。

3.2 擴展學生培養途徑

以Chem-E-Car 競賽為著眼點，通過作品研發、現場競賽、國際合作交流，拓展人才培養途徑。學科競賽是學校課堂教學的重要補充和延續，是培養新工科人才創新精神和實踐能力的必要手段。其輻射面廣，受益面大，可推廣性強，是有效的“雙碳”人才培養模式。建立由本科生構成、由學生自主管理的“美國化學工程師協會國際分會”（AIChE International Chapter）國際性學生社團組織。通過學生社團的自管、自治，對競賽隊員、團隊進行管理，組織學生進行內部交流學習，邀請各學科教師進行授課指導。為學生社團提供跨院系、跨學科、跨專業學習的機會，組織多種跨學科的基礎性、綜合性和設計性的工程科學技術實踐活動，改善傳統教學內容脫離實際、紙上談兵的狀況。作品原理設計要求緊密結合學校學科優勢，具有國際化意識，提升作品實用性、系統性、完整性和科技含量，努力培養一批高水平新工科“雙碳”人才。

3.3 完善競賽培訓體系

基于Chem-E-Car 競賽，深化多學科交叉融合的教學改革工作，學生針對實際問題進行分析設計，提高動手實踐能力及工程設計能力，提升新工科“雙碳”人才培養水平。以充分利用各學科教學、科研資源為著手點，重視競賽培訓體系完善，打造長期、有效的新工科人才培養模式。將Chem-E-Car 競賽中的具體任務與各學科的優勢科研方向有機融合，使學生了解多學科發展的動態和前沿，豐富專業知識，拓寬專業視野，營造良好的科技創新氛圍，讓學生在高起點參與科研創新活動。重視培訓體系完善以及培訓內容的研究性，體現各學科專業知識的銜接性和滲透性，設立多學科交叉綜合課程，與多維立體教學相呼應，激發學生實驗的興趣，提高思考能力和創新能力，真正使學生體會到學以致用的魅力。在教師指導上，耐心細致、多用啟發式教育；在成果總結上，鼓勵學生多思考、多反思、多借鑒和多學習。提高學生學業能力、學術能力、工程實踐能力培養水平，建立對學生全方位全員化的考核培養機制。

3.4 建設指導教師隊伍

以加強競賽指導教師團隊建設為落腳點，為持續培養高質量新工科“雙碳”人才提供保障。加強指導教師隊伍建設，鼓勵不同專業、不同學院教師組建多學科交叉的競賽指導教師團隊，既突出科研理論水平，又重視工程實踐能力。建立長期有效的激勵機制，調動教師科研、教學積極性，使教師的科研教學活動與Chem-E-Car 競賽緊密結合。通過優勢集成，組織多學科交叉、上下游結合的國際學術研究隊伍，實現指導教師培養及勵練，進而提高指導教師自身的學術水平和育人能力，形成指導教師培養特色。

4 結語

在“雙碳”重大戰略背景下，我國面臨產業升級轉型、增強國際競爭力等多重壓力，高校要適應新工科發展要求，加快培養“雙碳”領域工程科技人才。多學科交叉人才培養與Chem-E-Car 競賽相互融合，有助于打破學院、專業、年級限制，突破原有課程、培養體系邊界，創新教育理念，深化培養模式改革，面向課程交叉、工程實踐、團隊工作、系統思考和創新設計，構筑新工科背景下多學科交叉融合的“雙碳”人才培養模式，培養一批優秀的具有國際化視野的“雙碳”人才。