基于知識融合的智慧能源課程體系內涵與構建方法探索

摘 要：綜合能源時代，傳統能源與動力學科專業向“智能”“智慧”化方向發展融合成為必然趨勢。構建面向智慧能源的基礎、特色和實踐課程體系成為教學研究重點。該文擬圍繞面向智慧能源高端人才培養的能源動力類專業教育教學體系改革，探討智慧能源的基礎、特色和實踐課程構建原則、內涵與途徑。能源動力專業課程知識與大數據、人工智能、信息控制等學科知識遵循“模型構建-數據分析-控制優化”的融合原則，是建設智慧能源的理論課程重要方法。針對智慧能源的交叉融合特性，充分利用海量實際生產數據，開發突破場地、資源、設備和人員等限制，實現多功能教學目標的虛擬仿真實踐教學綜合課程，實現多維培養目標，是構建完善的智慧能源課程體系的重要一環。

關鍵詞：智慧能源；知識融合；課程體系；工程實踐；人才培養

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）30-0019-05

Abstract： In the era of comprehensive energy， mergence with the intelligent and smart technologies have been becoming an inexorable trend for the major of energy and power engineering. Establishing new fundamental， characteristic and practice curriculum systems for smart energy expertise is a key topic for teaching research. This paper explores the principles， connotation and strategies to develop fundamental， characteristic and practice curriculum for smart energy， focusing on education and teaching revolution ofthe major of energy and power engineering regarding to the cultivation of talents specially for smart energy era. The course knowledge of energy and power and the knowledge of big data， artificial intelligence， information control and other disciplines follow the integration principle of "model construction-data analysis-control optimization"， which is an important method for the construction of theoretical courses of smart energy. In view of the cross-integration characteristics of smart energy， making full use of massive actual production data， developing comprehensive virtual simulation practical teaching courses that break through the limitations of sites， resources， equipment and personnel to achieve multi-functional tYVIW4+TCu2qnZ9hRjIy30Qj6JqvwAREhjsIrGB01juQ=eaching goals， and realizing multi-dimensional training goals are an important part of building a sound smart energy curriculum system.

Keywords： smart energy; knowledge fusion; curriculum system; engineering practice; talent cultivation

基金項目：中國礦業大學研究生教育教學改革研究與實踐項目“基于工程教育導向的《高等燃燒學》課程教學模式改革研究”（2023YJSJ G034）；中國礦業大學教學研究項目重大課題“智慧能源高端人才知識、能力和素養圖譜構建與達成路徑”（2023ZDKT04）；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，碩士研究生導師。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。

能源領域是碳達峰、碳中和的主戰場，能源革命是實現碳達峰、碳中和的重要抓手。通過傳統能源新技術與數字技術、智能化技術的深度融合[1]，加快推動中國能源革命向縱深發展，實現能源行業由“質”到“智”的發展，建設清潔低碳、智慧高效、經濟安全的能源體系是中國式現代化的基礎。技術和產業的迅猛發展對智慧能源創新型人才的培養提出了緊迫要求。然而，隨著信息化、智能化技術與能源行業的深度融合發展[2]，傳統能源與動力類課程體系與實際需求的割裂愈來愈嚴重，已經難以支撐能源領域智慧化革命所需復合型、創新型人才的培養需求。

一 構建智慧能源課程體系的時代需求

（一） 智慧能源課程體系建設現狀

高校作為高端人才主要輸出端、知識發展傳播主陣地，開展面向智慧能源的教育教學改革研究迫在眉睫。其核心任務之一就是構建智慧能源方向知識體系[3]，主要載體即科學、完善的智慧能源課程體系建設。科學、合理、完善的課程體系和教學方法是保證智慧能源高端人才培養教育教學體系實施效果的關鍵。因此，傳統能源與動力學科專業向“智能”“智慧”化方向發展融合成為教育教學改革研究的熱點和重點。

國外高等教育一直注重傳統學科與新興學科的復合交叉，以建設滿足智慧能源工程教育的知識體系。歐盟最早開始智慧能源人才培養的教學體系改革，在其課程體系中，采用了人工智能技術來提高教學質量，并在各階段中融入了人工智能，高等教育的基礎課程是其中重要組成部分[4]。2004年普渡大學設置了工程教學系，促進人工智能、儲能、智能制造等多學科交叉應用，以培養適應包括智慧能源在內的新興產業的高端可塑性人才[5]。2016年麻省理工學院開始了新工程教育改革計劃（NEET計劃），其核心理念是高度強調人工智能時代工程人才培養的學科融合趨勢，更加突出以學生為中心的自主學習能力，面向未來新機器新系統設計的知識和能力需求，完成適應智能化時代的工程人才培養學科專業體系重構[6-7]。2017年，伊利諾伊大學香檳分校已經開始了綠色綜合能源系統的課程，主要關注了風能、太陽能、儲能電站和傳統電力的智能耦合，以及綠色能源的能源供給表現和經濟性分析[4]。日本格外注意能源的智慧化，與能源智慧化實踐相匹配，還構建了相應的培訓體系，該體系包含素養教育、應用基礎教育、專家培育等多個層次[8]。

國內多所高校已經提前布局智慧能源課程體系的建設和改革。2015年，華北電力大學整合校內外能源領域的優勢科研力量，組成由經濟管理、電氣、能源與動力、可再生能源、信息與通信和人文社科等多學科、跨專業團隊，研發了“綜合能源系統仿真平臺”；2020年，進一步依托其在智慧能源等相關領域優勢開設人工智能專業，著力于培養服務智能電力行業的專業技術人才。2022年，浙江大學依托工程師學院啟動智慧能源工程師項目[4]，通過動力工程、電氣工程、控制工程和信息技術等多學科交叉互補，產教融合、需求導向，培養智慧能源新技術、新模式、新業態所急需的應用型、復合型和高層次工程專業人才；項目的核心專業課程包括智慧能源系統工程、綜合能源系統集成優化、低碳能源系統理論與設計、智慧能源工程案例分析與實踐、新能源發電與變流技術和物聯網操作系統與邊緣計算等，課程內容涵蓋智慧能源系統體系架構、能源綜合梯級利用、低碳能源系統、多能流耦合調度控制、智慧環保裝置運行控制和能源系統建模仿真等。2022年，上海交通大學智慧能源工程專業正式招生，以上海交通大學-國家電投智慧能源創新學院產教融合為平臺，課程體系融合能源類和信息類課程，突出強調了電氣工程、動力工程、控制科學與工程、計算機科學與技術和材料科學與工程等多學科知識的交叉。清華大學、天津大學、華中科技大學將智慧能源方向設置在人工智能學院[4]。智慧能源專業的基礎課程設置呈現出跨領域跨學科的特點、知識融合與學科交叉的鮮明特征。

基于智慧能源領域的知識融合、學科交叉、智能信息化等內在特征，如何提高學生的知識掌握效率、持續學習能力和實踐創新素質亦成為智慧能源課程體系中的實踐創新教學解決的重要問題。教育部于2018年發布《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》中提出“建設1 000項左右國家虛擬仿真實驗教學項目，提高實驗教學質量和水平”，強調信息技術與教育教學深度融合。2018年7月，工信部印發了《工業互聯網平臺建設及推廣指南》，具備雙向通路的工業互聯網發展使數字孿生成為了有生命力的模型。法國達索公司基于數字孿生搭建3D EXPERIENCE數字化體驗平臺[4]，實現了針對產品從概念設計、生產執行到最終交付的全生命周期管理，有效地縮短了研發周期，通過模擬產品在加工過程中的狀態，合理分配與使用資源，從而提升生產效率。GE公司基于Predix平臺提供了設備虛實同步交付的新理念，通過采集現場實時數據，在虛擬孿生體上進行多方面分析，實現了數字孿生在設備產品故障檢測、壽命預測等方面的應用，充分體現了數字孿生的價值，強化企業核心競爭力[9]。

綜上所述，通過與信息、控制、計算機學科知識交叉融合，構建適應智能時代的智慧能源知識體系是能源與動力專業教學改革發展現狀的本質特征。但是，目前對于智慧能源知識體系內涵和構建方法尚在探索中，還存在諸多問題：能源與動力學科與人工智能、大數據、物聯網等學科的融合趨勢的未來形態會是怎樣的，融合的邊界如何確定？如何靈活應用信息化、現代化的先進教學方法，在有限課時內實現融合交叉知識的教與學？智慧能源覆蓋的專業理論知識和應用場景廣泛而復雜，如何在有限資源下構建開放性、包容性、可移植性高的實訓平臺？

（二） 智慧能源課程體系的發展趨勢

智慧能源系統是能源動力、電氣控制、可再生能源和信息技術等多學科的交叉領域，其重大特征是學科交叉、知識融合、技術集成。因此，智慧能源課程體系必須具有與之匹配的內核，其在人才培養、知識構建、實踐訓練等方面的改革趨勢如下。

1 人才培養內涵目標多維化

智慧能源系統的學科交叉、知識融合、技術集成特征決定了人才培養的目標是提高畢業生的綜合素質，包括知識復合、能力復合、思維復合等多方面素質。綜合我國當下培養人才的模式，通過開設多學科交叉復合課程，讓學生了解、學習、領會其他領域的知識，學會利用其他領域的知識來解決自己領域的難題；同時融會貫通，把專業知識創新性地運用到其他領域。

2 課程知識體系交叉融合化

信息化和智能化促進學科融合是未來高等教育發展的必然趨勢，是智慧能源課程體系構建必須遵守的首要原則。從能動類教育教學改革的視角來看，原有的以學科為單位的單學科或有限學科融合的課程體系，已不適應智慧能源時代的人才培養需要；剛性的學科邊界設置和固化的課程體系架構，已成為禁錮高端人才培養的主要障礙。

3 實訓平臺虛擬現實交互化

建設融合多個能源系統的綜合能源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。結合大數據挖掘和數字孿生方法，通過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到實踐教學中。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、應用。對信息技術和教育教學推進更深層教學融合，已經成為智能時代的必要實踐教學手段。

二 智慧能源課程體系建設內涵

（一） 智慧能源基礎課程

智慧能源基礎課程建設按照“模型構建-數據分析-智能控制”的知識能力培養規律[10]，以熱力系統及分析方法、能源與動力工程測試技術、熱工過程控制等能源與動力工程類專業核心專業課程為主線。同時，通過加強計算語言、人工智能、神經網絡和數據挖掘等智能工具的使用來重構上述主線課程內容；下游課程中突出發動機電控技術、單元機組集控運行、先進熱管理技術等與智能控制相關的應用性課程內容；上游課程中動力機械原理、鍋爐與燃燒原理、流體機械原理、制冷與低溫原理和儲能技術等專業基礎課突出對基本原理的分析、對典型案例的討論。與之對應的，需要構建與智慧能源相適應的信息化教學方法。主要以超星爾雅、雨課堂等平臺開展智慧教學；師生共同利用學習通App進行教學的課前自學、課堂導學、課后督學的多環節互動溝通。根據教學內容，綜合使用案例分析法、小組討論法、微課法和線上線下混合式教學法等。根據課程群建設需要，引進“產業專家進課堂”，探索遠程實景直播教學等教學新方式方法。基礎課程群建設中，師資隊伍是重要保障。擁有一支適應于跨領域、跨專業、學科交叉的師資隊伍，既是基礎課程群建設水平的體現，也是培養智慧能源高端創新人才的根本保障。

（二） 智慧能源特色課程

智慧能源特色課程主要圍繞能源與人工智能方法、能源動力工程項目管理兩大核心特色課程群建設。基于知識融合和多維能力培養目標，從能源監控與數據分析、能源智能決策、人工智能算法和智慧能源管理四個方面，培養學生靈活運用神經網絡和無監督學習等智能算法語言，掌握數據監測、采集、分析和挖掘的方法，具備能源系統建模、系統優化和辨識的能力，可以圍繞能源動力設備、裝置、流程進行專家系統診斷、決策。基于工程教育導向和行業特色耦合的原則，以目標教學為主導，從能源項目管理、可持續能源策略、典型案例教學和產教融合四個方面，圍繞能源動力系統和工程，比如智慧電力系統從煤炭采購與儲存、負荷預測調度、項目經濟性評價、碳排放和碳指標交易等，培養能源項目管理素質和可持續發展決策能力。

（三） 智慧能源實踐課程

智慧能源實踐課程主要圍繞智慧能源設備、過程、項目的機理、數據、知識模型化能力，多維度融合智慧能源虛擬現實仿真實驗平臺和多階段多層次實踐教學體系三部分，按照“模型-仿真-實踐”的素質形成規律進行建設。為了突破常規課時、產地、人員對實踐課程的限制，同時結合智慧能源課程的信息化特點，其實踐課程重點結合了數字孿生系統與工業三維虛擬場景教學方法。建立智慧能源工程設備模型庫，滿足智慧能源高端人才對工業設備特性可視化的特性需求，也為智慧能源工業三維虛擬場景搭建提供虛擬設備支持，實現新時代“模型-分析-構建”這一新工程范式的轉變。在綜合能源系統終端仿真機中通過三維虛擬現實場景組態化技術動態構建能源系統，推動學生理解智慧能源系統結構、機理、運行流程等信息。將能源工程實踐與人工智能相結合，充分開發利用數字孿生仿真實驗環道，結合建模、可視化、控制、優化、管理和診斷多學科融合形成層次化實踐課程，把不同階段貫穿各個層次實踐學習中，包括“認識、理解、運用、分析、綜合、評價”六個階段。

三 基于知識融合的智慧能源課程體系構建方法

（一） 基礎與特色課程構建方法

智慧能源理論課程主要包含基礎和特色特稱，其構建內涵主要涵蓋教學目標構建、課程內容融qzXBalkuWmUBnjWpiLvcog==合重構、教學方法創新及課程思政建設三個方面。

首先，采用文獻調查法、問卷調查法、專家調查法和案例分析法相結合的方式，運用能源行業發展、就業大數據分析技術，調研新時代智慧能源高端人才培養目標和專業內涵，形成和論證智慧能源課程體系建設方案可行性報告。基于“基礎拓展-倫理建設-通專融合-案例分析”的建設流程和方法，構建智慧能源基礎課程體系，助力學生構建智慧能源中智能控制、大數據、建模仿真和能源梯級利用的概念和知識。

其次，基于所明確的智慧能源課程內涵，在智慧能源基礎課程體系建設的基礎上，面向社會需求，通過學科專業的交叉融合和知識重組，圍繞智慧能源行業采用課程串編方式建立能源系統人工智能方法、能源動力工程項目管理等特色課程群，結合實踐實訓課程環節，實現知識、能力、人格和素質的多維培養目標，使學生理解掌握信息技術、人工智能、機器學習在能源與動力行業的應用方法，提升學生將物聯網、大數據技術等與能源與動力行業結合的能力。

（二） 實踐實訓課程構建方法

實踐實訓是促進能源與動力工程專業學生向智慧能源領域能力升級的重要環節。面向應用實踐與產業需求的重要性，根據“知識傳遞-方法構建-能力提升”的學習規律，圍繞知識、能力、人格和素質的多維培養目標，啟發和培養學生解決復雜工程問題的能力與自主學習的習慣，根據現場需求以及企業特色需求，以Simulink建模仿真訓練、綜合能源系統中終端仿真機以及工業大數據平臺協同，建設數字孿生仿真系統，在理論學習的基礎上進一步強化與本專業工程實際問題的聯系，強調以智慧能源工程應用為導向的解決實際工程問題的能力，構建基于數字孿生的智慧能源虛擬仿真實驗課程，推動學生理論與實踐融合，從而形成中長期產業適應能力。

首先，強化能源與動力工程建模能力的培養。以Simulink仿真訓練為基礎，探索學生“數值計算-人工智能-智慧能源”之間的新應用模式，將機理、數據的知識融合構建多模型深度融合能源工程設備模型庫。深入能源工程項目現場調研，總結相關工藝信息與獲取工業數據，并建立三類數字孿生模型：工藝流程級模型、生產效能級模型及企業運行級模型，作為數字孿生系統的數字孿生體模型微服務。通過深度推廣機理、數據、知識等多模型實踐應用，可以加深學生對數值計算、人工智能算法的理解，夯實基礎理論根基。

其次，利用能源系統終端仿真機中部署智慧能源虛擬仿真引擎。以分布式仿真架構作參考，采用虛擬化技術，將每個模型作為一個微服務，根據需求實例化出多項數字孿生服務；按照模塊化、通用化、靈活化的原則，采用統一微服務接口、通信協議、文件規約開發各項微服務，進而實現自定義模型、智能算法的微服務模塊化封裝。以OPC UA服務器作為數據共享中心，實現虛擬場景生產全要素互聯。基于邏輯組態或編程組態微服務的形式實現更加復雜、高級的數字孿生服務，即動態創建面向智慧能源的仿真場景，從而解決實踐教學成果與專業工程實踐需求匹配度不高的問題。促進能源與動力領域的智能化、信息化發展，為培養適用于智慧能源領域的智能算法應用和開發、系統管理與優化等專業技能提供實踐支撐。

最后，面向能源工程高端人才培養，基于數字孿生的仿真實踐課程，以結合工程實際為主、輔以基于案例的教學和實踐方法，結合課程的性質和任務，針對畢業要求的具體指標點，緊密聯系工程實際項目，解決復雜工程難題。為學生提供典型能源工程虛擬現實場景案例，利用模型庫與虛擬仿真引擎實現工業場景可視化搭建，運用提供案例代碼進行仿真多學科代碼仿真驗證，學生對系統每一學科仿真環節步驟進行分析總結，形成數字孿生仿真學習報告。以數字孿生仿真平臺為依托，構建相應的虛擬仿真場景，進而獲得物料與設備之間的互動方式以及傳感器的類型與特性；采用工業大數據平臺新技術——圖形化編程工具，使得學生所研究的建模方法能快速部署在大數據分析平臺，實現對海量工業運行信息的挖掘分析與綜合利用，根據大數據平臺可視化運行結果，對比分析不同算法對于解決該工程問題的優異性。

最終實現面向智慧能源的專業人才培養目標，使學生可以從一個嶄新的角度去看待現在的能源系統，589b51c022b0668fe323160c39daafdd02a9a62db79d59da2d98cde25b0ede06從宏觀系統的角度去找到高效利用各類能源的方法，以發展的眼光闡述未來能源系統的發展趨勢，為學生將來參與能源產業變革和轉型工作奠定基礎。

四 結束語

綜合智慧能源時代，能源與動力工程專業必須向智慧化、信息化轉型，以培養適應產業轉型、社會發展的人才。智慧能源課程建設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。以知識融合為主線，突出數字化、智能化學科知識與能源與動力學科知識的交叉，研究智慧能源基礎課程群內涵和與之適應的教學方法；以能源與動力行業為背景，緊扣工程教育本質，拓展和挖掘信息化、智能化技術在能動行業的應用途徑和案例，建設智慧能源特色課程群；對提高學生數字能力、持續學習和知識融匯等素養，適應能源行業智能化轉型趨勢意義重大。基于智慧能源方向交叉融合特征，以海量實際生產數據挖掘和數值孿生方法為內核，構建智慧能源綜合實踐訓練平臺和實訓內容，是強化學生智能信息化技能與傳統能動專業知識的綜合應用素質，培養解決智慧能源領域復雜工程問題能力的關鍵環節。

參考文獻：

[1] 陸王琳，陸啟亮，張志洪.碳中和背景下綜合智慧能源發展趨勢[J].動力工程學報，2022（42）：10-18.

[2] 陳玉民，史承靜，崔馨，等.面向綜合能演時代的動力機械原理課程建設與實踐改革探索[J].高教學刊，2023（23）：1-5.

[3] 朱嘉文，杜華，顧小清.愛思唯爾報告《人工智能：知識的創造、傳遞和應用-中國、歐洲和美國的趨勢》解讀[J].中國教育信息化，2022，28（6）：20-28.

[4] 郭卉，楊佳潤.歐洲工程教育研究發展：歷史于比較分析[J].高等工程教育，2022（70）：194-200.

[5] 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.

[6] 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.

[7] 劉進，呂文晶.人工智能時代應深化研究生課程的學科融合——基于對MIT新工程教育改革的借鑒[J].國內高等教育教學研究動態，2021（8）：40-45.

[8] 龔超，王翼.日本人工智能教育戰略的研究和分析[J].中國教育信息化，2022（6）：29-37.

[9] 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）：2-5.

[10] 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.