面向綜合能源時代的動力機械原理課程建設與實踐改革探索

陳玉民 史承靜 崔鑫 任燕燕 周懷春

摘? 要：綜合能源時代動力機械系統的重大特征是多元化、智能化和低碳化，人才培養需求強調學科交叉融合和工程實踐導向。圍繞當前動力機械原理課程的知識體系滯后于實際需求、工程實踐教育內涵與實踐不突出、產教研協同育人融合途徑缺乏等問題，該文結合教學團隊的實踐經驗，借鑒國內外同領域高等院校先進措施，探討面向綜合能源時代的動力機械原理課程與實踐改革方案。通過課程內容重構和教學方法融合、基于數字孿生的綜合動力系統實訓平臺建設、產業專家進課堂深度廣度拓展等協同，打造適應綜合能源時代需求的新型精品工程教育課程，拓寬學生知識體系，提高工程實踐素養，培養繼續學習能力，支撐能源動力機械行業的人才培養需求。

關鍵詞：動力機械原理;綜合能源;專業課程建設;工程實踐;人才培養

中圖分類號：G640? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）23-0001-05

Abstract： Diversification， intelligence and low-carbon were the major features of power devices in the comprehensive energy era， which draw more emphasis of interdisciplinary integration and engineering practice orientation on the professional education. Concerning the problems facing by Principles of Power Machinery course， including the lagging of course knowledge behind industrial demands， the targets of engineering practice education is not outstanding， and praxis of industry-education-research collaboration is absent， this paper investigate and discuss the strategy to rebuild the knowledge system and practice scheme of the power device source. Through coordination of methods including the reconstruction of course content and the integration of teaching methods， the construction of comprehensive training platform based on digital twin methods， invitation of industrial experts into the classroom， a new high-quality engineering education course that fulfill development of power device in the comprehensive energy era would be constructed. The improvement in the power device course aims to broaden the knowledge system of students， improve the engineering practice capacity， and cultivate continue-learning ability， so talent demand from the power devices industry would be responded satisfactorily.

Keywords： Principles of Power Machinery; comprehensive energy; professional curriculum construction; engineering practice; talent cultivation

多能源網絡互聯已成為現代能源系統的發展趨勢。綜合能源系統作為分布式電源、儲能、氫能等的復合載體，能滿足多能源、多行業的需求，是實現“雙碳”目標的關鍵支撐。《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》明確了綜合智慧能源系統的構建，能源動力類專業響應綜合智慧能源發展趨勢，開展專業課程改革勢在必行[1]。動力機械原理課程作為能動類起重要支撐作用的專業基礎課程，承擔了面向綜合能源時代培養創新性、復合型卓越工程人才的重要任務[2-3]，是能源動力類專業改革的重要內容。

一綜合能源時代動力機械原理課程改革需求

（一）綜合能源時代動力機械產業發展趨勢

以燃燒為能量來源的內燃機等燃燒動力裝置未來一段時間內將仍然是交通、物流、電力行業的主流動力系統。同時，在國家“雙碳”政策引導下和新能源技術刺激下，綜合能源系統中可再生電力、氫能等融合比例穩步提升，以動力電池和燃料電池為能量來源的電驅動力設備在交通領域的應用比例越來越高。以汽車行業為例，2012—2021年，國內汽車保有量從0.93億輛增加至3.021億輛，增幅超過300%;新能源汽車從1.25萬輛增加至784萬輛，增幅更是超過700%[4]，如圖1所示。據公安部發布的統計數據顯示，截至2022年6月底，全國汽車保有量為3.10億輛，新能源汽車達到1 001萬輛，占汽車總量的3.23%。其中純電動汽車保有量為810.4萬輛，占新能源汽車總量的80.93%[4-5]。可見，以汽車產業為背景的動力機械行業，其發展趨勢具有以下特點：①內燃機等燃燒動力系統需求保持基本主導地位，但是增長速度逐步放緩;②電驅動力系統需求增長旺盛，且暫時以純電動系統為帶動龍頭。因此，綜合能源時代，動力機械向電動化、多元化發展是必然趨勢。

（二）面向綜合能源的動力機械產業人才需求

技術發展和社會需求帶動產業的變革，進一步推動人才需求導向的變化。國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》明確指出：堅持電動化、網聯化、智能化發展方向，推動我國新能源汽車產業高質量可持續發展。我國每年從事新能源汽車相關的企業注冊數從2012年的0.32萬家迅速增加到2021年的16.70萬家，同比增長51.2倍，如圖2所示。以電驅動力系統為核心的新能源汽車行業人才吸納能力將呈現爆發式增長。

內燃機將在長途、重型商用車領域繼續保持穩定發展勢頭，未來重點發展方向也很明確：①電氣化，通過先進控制技術提高熱效率和環保性;②新能源，采用氫、氨、生物燃油等低碳能源以降低碳排放。2019年，上汽集團和博世集團分別發布了2.0 T的缸內直噴增壓氫內燃機;2021年，豐田汽車公司的氫內燃機汽車在日本富士賽道進行了24 h拉力賽;國內的中國一汽、廣汽集團、長城汽車等公司也分別推出不同型號的缸內直噴增壓氫氣發動機樣品[6]。內燃機行業需要掌握信息控制、先進材料、智能制造等交叉鄰域知識的復合型人才，以支撐產業的持續穩定發展。

同時，隨著新能源技術、信息控制技術的迭代更新，動力機械與互聯網、人工智能、物聯網等行業的深度融合，對人才素質、能力、可塑性及交叉性等要求也愈來愈高。動力機械專業領域學生不宜再局限于對單一動力機械系統知識的了解與學習，還要對耦合動力系統，和支撐不同動力裝置的能源互聯網，以及綜合動力裝置動力系統衍生的交通物聯網有全面認知。如何培養符合綜合能源時代需求，能夠適應產業發展趨勢、推動技術進步、協調整合知識的新型動力機械專業人才刻不容緩。

（三）? 動力機械原理課程內涵與教學改革需求

動力機械原理是能源與動力工程專業的核心專業課[7]。但是，綜合能源時代，原有的動力機械原理課程內容難以支撐社會、產業和技術發展，造成了教學內容、方式與社會、產業實際需求的嚴重割裂。由于新能源汽車技術的發展革新，不斷有理論、工程難題被攻克和出現，課程知識尤其是實踐應用知識迭代速度快[8]。目前存在的以下主要問題。

1? 課程知識體系滯后于實際需求

目前的動力機械原理課程大多還以內燃機等燃燒動力裝置為單一核心內容，從系統部件、熱力循環、性能指標、工作過程、污染物控制及運行特性等方面設置教學內容;而面向電驅動力系統，如驅動電機系統、動力電池系統、燃料電池系統和混合動力系統的內容嚴重缺乏，知識體系不完善。

2? 工程實踐教育內涵與實踐不突出

動力機械專業涉及機械工程、燃燒學、工程熱力學和材料學等多學科知識，現在進一步與計算機技術、信息控制技術、環境科學技術等專業領域交叉融合，是一門典型的綜合性、前沿性和應用型的工程專業課程。隨著新能源技術的迅猛發展，動力機械進一步與清潔能源、人工智能、綜合能源系統深度交叉。

3? 產教研協同育人融合途徑缺乏

校企協同育人，僅僅注重了對學校創新型人才的培養，而忽略了對企業的科技創新提升和人才培育的反哺功能[9];校企協同育人，真正參與高校工程教育過程的高級研發人員、高級工程師不足，導致工程教育人才培養體系和方案建設、教學體系不夠健全。校企協同育人，高校層面的教師教學評價制度有待改革，教師層面缺乏有效激勵。

綜上所述，基于燃燒驅動和電驅動動力機械系統協同發展的趨勢，需要根據社會產業需求、技術發展趨勢和國家政策定位，對動力機械原理課程體系進行符合變革需求的完善和重構，并通過有效的實踐課程開發，推動符合綜合能源時代需求的人才培養。因此，開展動力機械原理課程內涵與教學改革需求迫切。

二? 動力機械原理課程改革途徑

（一）? 動力機械原理課程內容重構

1? 線下線上混合教學

結合信息化技術，在多學科交叉、復合知識融合背景和有限課時條件下，采用多元教學方式，合理實現教學課堂學時分配，實現教（教師教學）學（學生學習）進度的協同。充分利用“慕課”“微課”“雨課堂”等線上教學平臺，結合虛擬仿真教學平臺[10]，通過自主學習、線上拆裝等方式，開展內燃機結構方面知識的學習與教授，包括內燃機整體結構、機體組與曲柄連桿機構、進排氣系統、燃油供給系統、潤滑與冷卻系統和起動與點火系統等。

2? 課程內容專寬并重

內燃機動力系統原理涵蓋的課程內容包括：內燃機工作過程、內燃機工作指標與影響因素、內燃機工作循環與能量平衡、內燃機換氣過程與進氣充量、內燃機混合氣形成與燃燒過程分析、內燃機排放特性與控制技術及內燃機運行特性與工況匹配等。

電驅動力系統原理涵蓋的課程內容包括：電驅動力系統結構與應用、驅動電機系統工作原理、動力電池工作系統、燃料電池系統工作原理和混合動力系統工作原理。將最新科研成果，通過課堂講授、實際操作等方式反哺動力機械原理課程的教授與學習，促使學生掌握新能源動力系統技術的前沿成果，加深對課堂教學知識的理解與進一步拓展升華。

3? 教學方法突出融合

課程教授整體框架設計中，強調燃燒動力系統與電驅動力系統對比分析的主線，促進學生對綜合能源時代不同動力機械結構特性、工作原理、運行特性、應用范圍等知識的掌握和應用。充分融合自動控制原理、熱工過程控制、動力電池熱管理、節能原理和燃燒污染物控制等課程原理性知識，為分析動力系統設計所面臨問題提供方法參考。

4? 教學團隊復合交叉

課程教學科研隊伍構建中，突破以往相同學科或專業老師組建單一教研室或教學團隊的方法，突出強化面向綜合能源時代的動力機械原理課程是一門綜合性、多學科課程的新內涵，聚集機械、電控、電池和化學等領域學科專家教師，打造多學科交叉融合的新工科教學科研團隊以適應綜合能源時代發展需求。

（二）? 動力機械原理實踐教學建設

動力機械原理是能源與動力工程專業的基礎課程，其首要導向為面向工程教育，以提升學生靈活運用所學知識發現、分析和解決實際工程問題為主要目的。因此，實踐教學是強化動力機械原理課程教學效果，實現課程培養目標的重要保障。然而，由于受場地、資源、設備、人員和課時等多因素限制，以往的試驗教學環節已經滯后于理論教學環節，嚴重制約了高素質人才的培養。綜合能源時代，動力機械系統呈現燃燒動力裝置、電驅動力裝置并行的發展態勢，而且動力系統與信息技術、智能控制的集成程度更高，對實踐教學環節的內容完整性、方法先進性、平臺集約性、維護簡便性、用戶交互性等提出了更高的要求[11]。因此，為了與課程教學內容協同，適應綜合能源時代的動力機械人才培養需求，加強動力機械原理實踐教學的創新和升級迫在眉睫。突出強調工程教育導向，緊扣動力機械行業背景，結合虛擬現實交互、大數據分析、人工智能等先進技術手段，從構建基于數字孿生的開放性虛擬仿真總成動力系統實踐平臺、教學-訓練-實踐-研發貫通融合的實踐教學體制兩方面著手，建設了面向綜合能源時代的動力機械原理實踐教學平臺和方法。

1? 基于數字孿生的綜合動力系統實踐教學平臺建設

建設融合多個動力系統的綜合動力系統實驗室耗資巨大，且牽涉設備繁多，結構復雜，實驗設備維護難度大，造成綜合實踐教學開展困難[12-13]。結合數字孿生方法、大數據挖掘技術和開放交互式遠程實踐教學，建設虛擬仿真實驗課程能夠有效降低實驗、實踐教學成本，且可將實踐生產過程以數據為紐帶引入實踐教學中、通過虛擬現實交互方式增強學生對課程知識的直觀理解、通過開放式接口和數據分析系統提高學生的系統分析和設計能力。基于先進計算機網絡技術和數字孿生平臺，建設“綜合動力系統虛擬實踐教學平臺”包含以下三大模塊。

1）燃燒動力虛擬仿真綜合實驗平臺。基于遠程虛擬實踐方法和線上教學資源、開發內燃機虛擬拆裝實驗環節，提高學生對內燃機構造和工作原理的直觀認知。利用Ansys Fluent、CAE、Simulink等仿真計算平臺，開展內燃機燃燒、噴油與物化、冷卻系統設計和污染物脫除的仿真訓練課程，加深對內燃機供油、換氣、燃燒、污染物生成與控制技術等知識的認知。結合數字孿生平臺，建設內燃機虛擬仿真實驗課程，開展以下虛擬仿真實驗：內燃機性能測試、發動機燃燒光學在線測試與分析、內燃機振動噪聲測試、內燃機供油系統設計優化、內燃機進排氣系統設計、內燃機高壓噴霧過程模擬，以促進課堂理論知識的融合與實踐應用。通過信息技術和教育教學推進更深層教學融合，對在線開放課程進行建設和推廣應用，已經成為智能時代的必要實踐教學手段。

2）電驅動力系統虛擬綜合仿真實踐平臺。為了滿足電驅動力裝置（動力電池+驅動/能量回收電機+雙離合動力耦合裝置+主減差速器）及其智能控制系統的教學和研發需求，建設電驅動力與傳動系統綜合仿真試驗平臺。通過實時映射和交互結合CAE技術，設計三維虛擬組態化方法，將主流配置的電動動力系統映射到虛擬仿真實踐平臺，以其為基礎開發搭建一個完整的車用電驅動力系統虛擬實踐教學平臺。系統可以模塊化組裝，且能夠進行360°VR展示，以達到直觀演示和講解電驅動力系統結構、工作原理。實驗實踐教學目標主要涵蓋：①直觀展示動力電池內部結構組成，演示動力電池系統工作過程;②通過上位機演示動力電池狀態監控，電池系統控制指令發送、執行;③將Matlab與數值計算分析、機械控制理論融合，使理論學習實踐、軟件編程算法與實物驅動三者有機結合。培養學生對電驅動力系統控制算法、提升電驅動力系統多應用場景體驗、加強對控制系統驅動展望應用，實現面向新工科需求的實踐應用能力提升。

3）運行大數據挖掘與分析實踐訓練平臺。面向綜合能源時代的動力機械涵括關聯多個生產行業，海量實際生產、運行數據未被挖掘利用。虛擬教學平臺可以將復雜結構實體化展現、把復雜過程原理細節化演示，有助于強化學生對課程知識的理解、掌握和應用。利用實時大數據分析平臺，以自動控制、優化決策、知識融合為特征，構建工業軟測量建模、數據可視化、過程控制、企業優化調度、生產管理及故障診斷為一體的多層次課程體系。探索如何強化學生對數字孿生仿真系統和能源工程工藝的認識、促進對實踐存在問題及解決方法的理解、提高智慧能源算法運用、以討論答辯+報告撰寫的形式培養學生綜合能力，及時對學生的各實踐環節進行評價，鼓勵學生自主探索學習，從而激發學生對新知識、新技術、新理論的求知欲，培養其樹立自主學習與終身學習的價值觀。

2以學生為中心的試驗-實踐-研究貫通制實踐教學方法

工程實踐教育從傳統的教師單向傳授、示范、指導的被動式學習，向以學生為中心、強調自主探索、突出多樣性和創新性的教學方法轉變已經成為被廣泛認可的教學理念[9]。但是，受限于課時、人員和空間，一直難以大規模推廣。通過所構建的綜合虛擬仿真實踐平臺，可以將學生的實踐訓練時間從課堂時間拓展至課外，提高實踐教學的覆蓋度和操作靈活性;把同步教學單元從班級精確至小組甚至個人，而同時在線教學規模可拓展至多個班級甚至全年級，提高實踐教學覆蓋規模;給予學生圍繞實踐目的自主設計實驗方法方案的自由發揮空間，突出個人差異性和過程考核。

從教學單位做好頂層設計，開展有組織的階梯式、融合式實踐教學，促進試驗-訓練-實踐-研究緊密結合。針對綜合能源背景下動力機械學科的交叉融合特征，促進學生與專業老師科研工作的深度融合;建設以項目制為內核，充分發掘先進科研實驗設備和平臺在本科生、研究生試驗教學的應用潛力;通過專業和科研訓練，激發學生主動學習動力機械關聯的專業基礎和工程應用知識，加深對難點、重點知識點的理解。實踐中發現，通過將燃燒可視化診斷試驗、等離子體助燃試驗等科研探索結合到動力機械原理實踐教學課程中，學生對于柴油機、汽油機混合氣形成，燃燒過程，單階段、多階段著火方式等課程教學重點，有了更清晰和形象的理解;通過動力電池熱管理系統性能測試、燃料電池封裝、電極制備等科研訓練，學生對動力電池結構、工作原理有了更直觀的了解。針對動力機械原理課程的工程教育背景和動力機械應用特征，通過參與節能減排、挑戰杯、“互聯網+”等創新創業競賽，和國家級、省級、校級的創新訓練[14]，激發學生將課程知識與產業發展結合，把抽象的知識原理轉換為實際可行的產品，進一步促進試驗-實踐-研發的有序融合;同時提高學生溝通協作、宣傳講解、設計分析能力，通過實踐教學達到面向綜合能源時代的多維度育人目標。

可見，通過以學生為中心的試驗-訓練-實踐-研究貫通制實踐教學，能夠增強學生對動力機械原理知識的理解和掌握，強化學生學習自主性和差異化發展，提升解決實際工程問題的能力，又可以培養學生獨立探索、繼續學習興趣。為學生以后從事動力機械相關產品的設計、開發和研究等方面的工作奠定必要的基礎。

（三）產教研融合協同育人模式拓展

產教融合、科教融合、協同育人是推進教育綜合改革、加強創新性人才培養、提升國家戰略的重要舉措[15]。推動產-教-研融合，形成“技、創、工、學、輔”五位一體育人模式，是培養面向綜合能源時代、滿足動力機械行業發展趨勢和多維素質需求人才的重要途徑。

科學研究與課程教學結合遵循了知識演變的科學途徑[16]。實踐問題是知識產生的源頭，而科學研究正是通過探索、分析、解決實踐問題，進而發現、總結、提升問題背后科學知識的工具。因此，沒有科學研究的進步，就沒有知識體系的更新;如果課程不和科研結合，課程知識就會與產業發展割裂。科學研究與課堂教學結合，促進了知識轉化和能力提升。通過參與導師科研項目或創新創業科技活動，能夠有效促進學生將眼光從課堂拓展至社會，從教材拓展到未來，強化運用知識解決實際問題的能力和自主思考的能動性，符合問題認知-能力訓練-知識應用-科學創新的成長邏輯。

1強調動力機械原理課程和關聯課程與產業的聯系，進一步推進“產業專家進課堂”產-教融合模式的融合深度和廣度

一方面，邀請動力機械行業及與之密切關聯產業（如綜合能源系統、智能控制、物流網等）具有豐富生產、設計、運行經驗的一線專家以遠程或課堂教學的方式，每學期按規定課時為學生授課，促進動力機械原理課程內容的豐富。另一方面，學校或者教學單位向企業開放課程內容設置方案的咨詢渠道，鼓勵行業龍頭企業通過捐贈、基金、項目等形式，把企業相關研發或者人才培養需求體現在動力機械原理課程體系中，進一步加強教學與產業的結合，促進協同創新和交叉融合。麻省理工學院在開展新工程教育轉型中采用此課程體系內容該方法，有效突出了學生學習與工程實踐的緊密聯系[9]。

2教學組織頂層設計方面，通過教學工作量、教學績效考評、職稱評定條件等多渠道激勵教師參與產教研融合育人模式的推廣

中國礦業大學低碳能源與動力工程學院在實踐過程中，對于邀請產業專家進課堂教學的課程教師，在課程額定學時外再核實增加規定課時量;同時對于聘請產業專家也落實了課程內容審核，實現教學內容實踐性、科學性的有效協同。教師團隊組建方面，由于面向綜合能源的動力機械原理課程涉及機械、燃燒、控制、電機、電池、化學和管理等多學科領域，必須進一步打破以往以研究方向、教學經歷、專業領域為標準的教學團隊組建模式，由不同專業背景教師切實協作，結合產業教師的聘任，才能將課程打造為適應綜合能源時代需求的新型精品工程教育課程。

三結束語

綜合智慧能源時代，動力機械原理課程與燃燒理論、機械原理、智能控制、動力電池、電機拖動和能源管理等多學科知識交叉融合，成為能動專業理論性強、綜合性強和工程性強的一門重要專業基礎課，是能動類專業面向智慧化、低碳化、智能化發展趨勢開展課程改革的重要著力點。課程內容構建中，要注重基礎知識與實際發展結合緊密，堅持傳統能源與新能源的協同，更強調與多專業、多學科創新融合，突出教師隊伍的交叉復合性;實踐教學過程中，注重與數字孿生、大數據分析、虛擬現實交互等技術的結合，推動實踐教學平臺的開放性、包容性和可交互性;人才培養過程中，從產教研結合方式創新、教學評價標準方案改進、教學組織頂層設計改革，推動注重產教研的深度融合。未來在教學工作中需不斷開拓探索和積累總結，真正使動力機械課程成為面向綜合能源時代培養從事動力機械生產、運行或科學研究高端人才的基石。

參考文獻

[1] 孫志堅，俞自濤，鄭夢蓮，等.學科交叉復合的“智慧能源系統理論與應用”課程建設研究[J].高等工程教育研究，2019（S1）：153-155.

[2] 謝翌，李偉，阮登芳，等.“內燃機原理”的教學創新與綜合培養方法[J].教育教學論壇，2020（50）：139-141.

[3] 尚正陽，徐凱佳，潘家保，等.面向新時代教育教學改革的工科授課方法探討——以《內燃機原理》課程為例[J].教育教學論壇，2020（12）：138-139.

[4] 陳柳欽.中國新能源汽車政策盤點[J].汽車工業研究，2012（3）：14-21.

[5] 陳娟，鮑大同.中國新能源汽車產業發展現狀分析[J].產業創新研究，2022（3）：8-10.

[6] 祝勇，黃翔，陳昊，等.氫內燃機發展狀況及展望[J].當代化工研究，2021（24）：5-7.

[7] 崔馨，嚴煌，陳玉民，等.面向工程教育專業認證的《內燃機原理實驗》多層次教學體系構建[J].內燃機與配件，2019（15）：272-274.

[8] 張佩，顏伏伍，候獻軍，等.新工科背景下新能源汽車專業方向課程體系改革[J].高教學刊，2021（33）：125-128.

[9] 劉進，王璐瑤.麻省理工學院新工程教育轉型：源起、框架與啟示[J].高等工程教育研究，2019（6）：162-171.

[10] 何旭，張衛正，楊清.基于虛擬仿真的“內燃機原理”實驗慕課探索與實踐[J].課堂教學，2021（11）：129-130.

[11] 鄭坤，陳誠信，楊家豪.現代能源系統虛擬仿真實驗教學平臺設計[J].能源與節能，2019（11）：1-5.

[12] 郭世永，尹菲.電動汽車教學實驗學習模式與學習環境設計的構建與應用探索[J].教育現代化，2019（6）：70-72.

[13] 焦冰，楊正林.電動汽車電機驅動系統教學實驗平臺設計[J].中國教育技術裝備，2016（20）：50-52.

[14] 王富強，張傳新，余秋紅，等.“能源與動力工程專業”階梯式科教融合的教學方法對創新人才培養的探討[J].教育教學論壇，2020（15）：226-228.

[15] 王峰.新工科背景下的科研反哺教學模式探索-以電動汽車系統分析課程為例[J].課堂教學，2019（31）：118-119.

[16] 成曉北，黃榮華，葉曉明，等.動力機械學科設計型創新型實驗教學方法探討[J].科教文匯，2010（5）：82-83.

基金項目：中國礦業大學教學研究項目“教-學-用融合的《內燃機原理》創新實踐教學平臺構建與應用”（2020YB69）;國家自然科學基金重大科研儀器研制項目“燃燒火焰自由基、顆粒物、主要氣態產物光譜/成像檢測系統”（51827808）;江蘇省高等學校教育技術研究會2019年高校教育信息化研究課題“基于超星系統的線上線下混合式信息化教學改革與實踐”（2019JSETKT074）

第一作者簡介：陳玉民（1986-），男，漢族，湖南衡陽人，工學博士，副教授。研究方向為氫能，智慧能源。

*通信作者：周懷春（1965-），男，漢族，湖北仙桃人，工學博士，教授。研究方向為智慧能源，熱輻射分析及燃燒監控。