融合虛擬仿真技術構建儲能科學與工程專業創新教學體系

［摘 要］文章深入分析了儲能科學與工程專業教學的現狀及存在的問題，揭示了虛擬仿真技術在該專業教學中的應用價值，并提出具體實踐策略與建議，為儲能科學與工程專業教學的創新發展提供了融合虛擬仿真技術的可行路徑。

［關鍵詞］儲能科學與工程；虛擬仿真技術；應用價值；教學實踐

［中圖分類號］G642.0 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2025）02-0037-04

在全球能源轉型的大背景下，儲能科學與工程的重要性日益凸顯。隨著可再生能源滲透率的不斷提升，儲能技術作為平衡電力供需、提高電網穩定性、促進能源結構優化的關鍵手段，其研發與應用已成為各國能源戰略的重要組成部分[1-3]。在此背景下，培養既具備豐富的儲能理論知識，又擁有熟練的實驗技能和跨學科創新能力的專業人才，對于推動儲能產業的快速發展具有重要意義。

虛擬仿真技術作為一種先進的工具，在高等教育領域展現出巨大的應用價值。虛擬仿真技術利用計算機技術模擬真實環境與過程，為學習者提供沉浸式、交互式的體驗，有助于突破傳統教學模式在時空、資源、安全等方面的限制，實現理論知識的直觀展示、復雜實驗的高效模擬、跨學科知識的有機融合以及個性化學習路徑的靈活定制[4-6]。近年來，虛擬仿真技術已在諸多工科專業中得到廣泛應用，并取得了顯著的教學效果。

本文旨在探討如何將虛擬仿真技術有效融入儲能科學與工程專業的教學實踐中，構建跨學科教學創新體系，以應對傳統教學模式下理論與實踐脫節、實驗設施有限、安全風險大以及跨學科教育實施困難等問題。具體研究目的有三個：一是實現理論與實踐融合。借助虛擬仿真技術，將抽象復雜的儲能理論知識轉化為形象生動的視覺模型與互動場景，幫助學生深入理解并牢固掌握專業知識，同時通過模擬實驗環境，讓學生在無風險、低成本的條件下反復操作訓練，提升其實驗技能。二是實現跨學科整合。利用虛擬仿真平臺，打破學科壁壘，設計涵蓋多學科知識的虛擬項目與任務，鼓勵學生運用所學知識解決實際儲能系統設計、優化與運維中的復雜問題，培養其跨學科思維與協同創新能力。三是幫助學生實現個性化學習。依托虛擬仿真系統的靈活性與可定制性，為學生提供個性化的學習路徑與資源，滿足學生多樣化的學習需求，激發學生的學習興趣，提升學生的學習效果。

通過上述改革，預期能夠顯著提升儲能科學與工程專業教學的質量與效率，培養出既有專業知識，又擁有跨學科視野與實踐能力的復合型人才，以滿足能源行業對儲能技術人才的迫切需求。此外，這一教學改革實踐也將為在高等教育領域推廣虛擬仿真技術、推進教育信息化進程提供有價值的參考案例。

一、儲能科學與工程專業教學的現狀及存在的問題分析

儲能科學與工程專業是一個新興的、跨學科的本科專業，旨在培養能夠適應國家能源戰略發展需求，特別是適應“碳達峰、碳中和”目標對新型儲能技術的迫切需求的專業人才。該專業綜合應用化學、物理學、材料科學、電氣工程、熱能工程等多個學科的知識，專注于能源的儲存、轉換與管理技術的研究與應用，解決能源供需在時間和空間上的不匹配問題。儲能科學與工程的核心在于探索和發展高效、安全、經濟且環境友好的儲能技術，這些技術包括但不限于電化學儲能（如鋰離子電池、鈉離子電池、液流電池等）、熱儲能、機械儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能）、超級電容器以及其他新型儲能方式。通過這些技術，可以有效地儲存太陽能、風能等間歇性可再生能源產生的電能，確保能源系統的穩定性和可靠性。該專業課程設置廣泛，涵蓋儲能原理與技術課程、電化學原理課程、能源材料與器件課程、工程熱力學課程、電工電子學課程、控制理論課程等基礎和專業課程，旨在幫助學生構建扎實的理論基礎并錘煉出色的實踐技能。學生畢業后，能夠在儲能技術的研發、系統設計、工程實施、性能評估、項目管理等領域發揮重要作用，廣泛服務于能源、電力、交通、環保、材料等多個戰略性新興產業，為推動這些領域的可持續發展貢獻自己的力量。

自西安交通大學2020年獲批首個儲能科學與工程本科專業以來，開設該專業的高校已達84所[7]。盡管儲能科學與工程專業的教學體系已基本成熟和完善，但由于專業開設時間較短，仍存在一些局限性：一是理論教學方面。理論教學以課堂講授為主，輔以課后閱讀、作業練習與討論。由于儲能科學與工程專業涉及的知識面廣、概念抽象，傳統的授課方式難以幫助學生直觀、深入地理解復雜的儲能系統。此外，由于課堂時間有限，難以組織學生展開深入的討論與互動，從而影響了學生對專業問題的深入思考。二是實驗實訓方面。實驗實訓作為儲能科學與工程專業教學的重要環節，受到實驗室設施、經費、安全等方面的制約。例如，實驗項目數量有限，且多為驗證性實驗，缺乏設計性、綜合性實驗，這不利于培養學生的創新思維與動手能力。加之部分實驗設備昂貴、操作復雜，學生實際操作的機會較少，這進一步阻礙了學生實驗技能的提升。此外，實驗過程中可能存在的安全隱患，如電池爆炸、有毒有害物質泄漏等，也對教學環境構成威脅。三是實踐環節方面。雖然許多高校設置了與儲能相關的課程設計、畢業設計、實習等實踐環節，但由于缺乏與實際產業緊密對接的項目，學生對儲能技術的實際應用了解不足，難以將所學知識應用于解決實際問題。此外，由于儲能領域涉及多學科知識，跨學科合作在實踐中往往難以有效組織與協調，這也為學生的全面發展帶來了一定的挑戰。

二、虛擬仿真技術在儲能科學與工程教學中的應用價值

虛擬仿真技術是一種利用計算機技術構建模擬環境的技術，能夠復現真實世界或設想情境下的物理、化學過程，使學習者能夠在虛擬環境中進行觀察、操作和實驗。近年來，隨著信息技術的不斷發展，虛擬仿真技術在工程領域的應用日益廣泛，特別是在能源、航空航天、生物醫藥等行業展現出巨大的潛力。在儲能領域，虛擬仿真技術已被應用于電池材料設計、儲能系統建模與優化、安全評估等方面，為科研工作者提供了高效、低成本的實驗平臺。將這些技術引入教育領域，可以構建起一套理論與實踐緊密結合的教學體系，幫助學生深入理解儲能原理、掌握系統設計與運維技能。

面對儲能系統設計、運行管理及故障診斷等復雜多變的實際問題，傳統的教學模式已難以滿足培養高技能、創新型人才的需求。因此，在教學中引入虛擬仿真技術，成為提升儲能科學與工程專業教學質量與效率的重要途徑。具體而言：一是可以實現理論知識可視化。虛擬仿真技術能夠將抽象復雜的儲能理論知識轉化為形象生動的三維模型、動畫演示和互動場景，幫助學生直觀地理解儲能系統的結構、工作原理及性能特性等，增強理論知識的直觀性與趣味性，進而促進學生深度學習。二是可以提升實驗實訓的安全性與效率。通過搭建儲能設備虛擬實驗室，可以讓學生在無風險、低成本的環境下進行實驗操作，這不僅能避免實際實驗中可能存在的安全隱患，而且不受時間和地點的限制，可以隨時進行、反復操作，從而極大地提高實驗教學的效率。三是可以促進學生跨學科知識的整合與創新能力的培養。虛擬仿真平臺能夠設計涵蓋多學科知識的綜合實驗項目與任務，如儲能系統的設計與優化、故障診斷與處理等，鼓勵學生運用所學知識解決實際問題，培養他們的跨學科思維與協同創新能力。

三、虛擬仿真技術在儲能科學與工程專業教學中的實踐策略與建議

虛擬仿真技術在儲能科學與工程專業的教學中發揮著重要作用。通過構建高度仿真的模擬環境，能夠為學生提供一個既安全又經濟高效的實驗與學習平臺。在教學過程中，教師應注重課程內容的整合與優化，設計涵蓋電池工作原理、儲能系統設計、安全操作規程等多維度的虛擬仿真模塊。同時，采用互動式學習策略，鼓勵學生通過模擬實驗自主探索不同材料、結構對儲能性能的影響，從而激發學生的學習興趣和主動性。此外，教師可以分析學生在學習過程中的行為數據，以精準評估學習成效，為個性化教學提供依據。通過建立校企合作機制，引入行業實際案例，使虛擬仿真項目與產業需求緊密對接，提升學生的問題解決能力和就業競爭力。

（一）課程體系與教學內容改革

1.融合虛擬仿真技術的課程設計

將儲能科學與工程專業課程劃分為多個模塊，每個模塊圍繞特定的主題，如電池材料科學、能量轉換效率、儲能系統集成與控制等。通過虛擬仿真軟件模擬真實的場景，如鋰離子電池內部的反應機理、太陽能電池板的能量轉換過程、風力發電站的儲能系統設計等，幫助學生理解復雜的過程。以“鋰離子電池組熱管理系統設計”為例，學生可以在虛擬仿真環境中進行熱流模擬，預測不同散熱策略對電池溫度分布的影響，從而優化電池組的設計，這既能節省昂貴的物理原型制作成本，又能在安全的環境中反復試驗并糾正錯誤。在“智能電網儲能系統優化”項目中，學生需運用虛擬仿真工具模擬儲能系統的運行，深入探究儲能系統在智能電網中的關鍵作用，如實現頻率調節、削峰填谷等功能，以提升電網的穩定性和效率。通過模擬不同儲能技術（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能）在電網中的運行表現，學生可以比較其經濟性和效率，從而作出合理的技術選型決策。

2.開發儲能系統虛擬仿真教材

編寫結合虛擬仿真資源的教材或教學指南，提供配套的虛擬仿真模型、經典案例及操作說明，便于師生在課堂內外進行同步學習與實踐。

3.跨學科知識整合

在儲能科學與工程專業教學中，整合電化學、電力電子、控制工程、經濟管理等多個學科知識。通過虛擬仿真，可讓學生探索電池反應機理、電力變換控制、系統優化設計及經濟成本分析，培養跨學科綜合能力，為儲能領域培養復合型人才。

（二）教學方法與模式創新

1.混合式教學模式

采用“線上虛擬仿真+線下討論輔導”的混合式教學模式，線上提供豐富的虛擬仿真資源供學生自主學習，如鋰離子電池電化學過程仿真平臺，學生可在此平臺上進行虛擬電池組裝、電化學反應模擬、性能測試等一系列實驗操作，并通過AI輔助學習系統獲取即時反饋和指導，提升學習效率；線下則通過小組研討讓學生深化對鋰離子電池電化學過程的理解，分享各自在線上學習中的發現與疑問，同時由教師進行針對性答疑，幫助學生解決實踐操作中的難點和困惑，進一步鞏固所學知識。

2.項目驅動與案例教學

以儲能工程項目或典型應用場景為背景，引導學生利用虛擬仿真技術進行系統設計、性能評估及故障診斷等實踐活動，旨在強化其理論聯系實際的能力。以“微電網儲能系統設計與優化”項目為例，該項目要求學生在虛擬仿真環境中構建一個包含光伏板、風力發電機、儲能電池和負載管理等組件的微型電網儲能系統。學生需分析該系統在不同天氣條件下的穩定性和效率，模擬不同天氣狀況對系統供電的影響。此外，還可以引入“電動汽車快充站儲能系統”案例，引導學生分析快充站的負荷特性，并設計相應的儲能系統以緩解電網壓力。學生需通過虛擬仿真驗證所設計方案的有效性，實現電池SOC（荷電狀態）的動態監控和優化算法的應用。

（三）軟硬件設施與平臺建設

1.虛擬仿真實驗室建設

投資建設專用的儲能系統虛擬仿真實驗室，配備高性能計算設備、專業仿真軟件及VR（虛擬現實）/AR（增強現實）設備等，為高質量的虛擬仿真教學提供堅實的硬件支撐。實驗室可購置搭載最新一代服務器集群的高性能計算設備，以支持深度學習和大規模并行計算任務。例如，在模擬鋰離子電池的電化學反應過程中，這些高性能計算設備可以加速計算速度，有效縮短仿真周期。

2.云平臺與資源共享

構建儲能科學與工程專業虛擬仿真教學云平臺，整合各類優質虛擬仿真資源，實現校內校外、線上線下資源的共享，打破時空的限制，擴大教學受益面。通過建立一個包含各種虛擬仿真模型、案例研究、教學視頻、實驗指導手冊的資源庫，涵蓋從基礎的電池單元設計到復雜的電網儲能系統集成，如“100 MW/200 MWh電網側儲能系統虛擬設計與運維”項目，供學生下載學習和教師備課使用。

（四）教學效果評估與持續改進

1.多元化評價體系構建

為全面評估教學效果，需構建多元化評價體系，涵蓋學習成果、教學質量、資源利用及平臺性能。特別關注學生在虛擬仿真操作中的實踐能力與創新能力，確保評價體系的科學性與實用性，以支持教學的持續改進與優化。

2.教學反饋與調整

定期收集學生對虛擬仿真教學的反饋意見，了解他們仿真模擬操作的熟練度、對學習內容的掌握情況以及對教學效果的滿意度，據此調整教學策略和內容，優化虛擬仿真環境，以提升教學質量和學生實踐能力。

通過上述實踐策略與建議的實施，可以有力推動虛擬仿真技術在儲能科學與工程專業教學中的深度應用，構建跨學科教育創新體系，培養符合時代需求的儲能領域高素質人才。

四、結語

本文系統探討了儲能科學與工程專業融合虛擬仿真的教學改革，通過對儲能科學與工程專業教學現狀的分析，指出了傳統教學模式在理論與實踐結合、實驗實訓條件、實踐環節等方面存在的問題，并構建了一套基于虛擬仿真的儲能科學與工程跨學科教學創新體系。未來，虛擬仿真技術在儲能科學與工程教學中的應用有望進一步深化，具體體現在以下兩個方面：一是技術升級與創新應用。隨著虛擬現實、增強現實、混合現實等前沿技術的不斷成熟，虛擬仿真教學將變得更加逼真，交互性也將進一步增強，從而為學生提供更為沉浸式的學習體驗。二是跨學科融合與項目導向。儲能科學與工程專業教學將繼續強化跨學科整合，虛擬仿真平臺將成為跨學科知識融合與實踐的重要載體，通過設計綜合性虛擬項目，可以有效提升學生解決復雜儲能系統問題的能力。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 李巾錠，樊林浩，張壽行，等.“1+N+X”產教融合協同育人模式在儲能專業人才培養中的探索與實踐[J].儲能科學與技術，2024，13（6）：2099-2106.

[2］ 周磊，王軍鋒，喬芬.雙碳目標下儲能科學與工程專業建設探討[J].內江科技，2023，44（12）：83-84.

[3］ 巨星，徐超，沈國清，等.儲能科學與工程新工科本科培養模式探討[J].儲能科學與技術，2022，11（12）：4084-4091.

[4］ 卞靖懿.基于虛擬仿真技術的高校思政課數字化教學平臺構建研究[J].情報科學，2023，41（12）：91-98.

[5］ 白云，金文聞，朱圓敏，等.基于柔性虛擬仿真技術的智慧實驗教學平臺建設[J].實驗科學與技術，2023，21（4）：132-136.

[6］ 王小丹，劉齊壽，唐上朝，等.應用于能源動力類專業的虛擬仿真實驗建設及教學內容設計[J].高等工程教育研究，2023（增刊1）：159-162.

[7］ 黃國勇，王春霞，溫嘉瑋，等.儲能學科專業人才培養體系建設及實踐探索[J].高教學刊，2023，9（36）：173-176.

［責任編輯：梁金鳳］