能動(dòng)類新工科人才實(shí)踐教學(xué)體系的改革探索

周永利 王國(guó)強(qiáng) 楊晨 李俊 曾理 包健 李友榮 石萬(wàn)元 卞煜

摘要：新時(shí)代下經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展急切需要新工科人才的支撐，國(guó)內(nèi)外高校迫切需要面向未來(lái)輸送具有創(chuàng)新能力的復(fù)合型新工科人才。本文以現(xiàn)階段科技發(fā)展的熱點(diǎn)為切入點(diǎn)，探討新工科背景下的能動(dòng)類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀與要求，探索了能動(dòng)類新工科人才的實(shí)踐教學(xué)體系。

關(guān)鍵詞：新工科；實(shí)踐教學(xué)；能動(dòng)類

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）17-0092-04

當(dāng)前新時(shí)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展迫切需要新工科人才的支撐，新工科的建設(shè)已成為當(dāng)前高等工程教育改革的熱點(diǎn)，并引起廣泛的關(guān)注：在2017年2月高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)上達(dá)成了“新工科建設(shè)復(fù)旦共識(shí)”[1]；2017年4月，教育部在天津大學(xué)召開(kāi)新工科建設(shè)研討會(huì)，會(huì)上提出“天大行動(dòng)”[2]；2017年6月9日，教育部審議通過(guò)了《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》，其規(guī)劃出的新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目包含新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系等5個(gè)部分，合計(jì)24個(gè)選題方向[3]。目前有些院校針對(duì)新工科的實(shí)踐模式作了一定的探索研究：周靜等提出了理工科專業(yè)“四層次四方位”實(shí)踐教學(xué)體系模式[4]，戴亞虹開(kāi)展了電子信息類工程人才培養(yǎng)模式的探索，提出了“學(xué)踐研創(chuàng)”四位一體實(shí)踐教學(xué)體系[5]，顧菊平等對(duì)電氣類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的路徑選擇進(jìn)行了探討[6]，馮丹艷等探討了機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)模式[7]。這些研究主要針對(duì)專業(yè)培養(yǎng)模式層次性、創(chuàng)新性、協(xié)同性及融合性進(jìn)行探索。在新時(shí)代國(guó)家推進(jìn)高等教育改革的新戰(zhàn)略的時(shí)代背景下，能動(dòng)類學(xué)科致力于各種能源的開(kāi)發(fā)及運(yùn)用，既包括煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源，也包括太陽(yáng)能、核能、風(fēng)能等新興能源，對(duì)于現(xiàn)階段能源動(dòng)力類學(xué)科的發(fā)展而言，面臨著諸多國(guó)內(nèi)外因數(shù)影響，掌握當(dāng)前形式下能動(dòng)類學(xué)科的核心技術(shù)及培育出熟悉運(yùn)用該技術(shù)的復(fù)合創(chuàng)新型人才是發(fā)展的關(guān)鍵。本文以現(xiàn)階段第四工業(yè)革命為切入點(diǎn)，結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求，探討新工科背景下的能動(dòng)類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，探索了能動(dòng)類新工科人才的實(shí)踐教學(xué)體系。

一、能動(dòng)類學(xué)科面臨的新環(huán)境

1.第四次工業(yè)革命的加速推進(jìn)。人類社會(huì)過(guò)去幾百年的高速發(fā)展，很大程度上是工業(yè)革命推動(dòng)的結(jié)果。每一次的工業(yè)革命無(wú)一不是一次生產(chǎn)力的巨大革新，而每一次生產(chǎn)力的革新背后幾乎都會(huì)伴隨著能源領(lǐng)域的技術(shù)變革。第一次工業(yè)革命大約18世紀(jì)60年代到19世紀(jì)中葉，其標(biāo)志是蒸汽機(jī)的發(fā)明帶動(dòng)了工業(yè)發(fā)展機(jī)械化，蒸汽機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，標(biāo)志著從工場(chǎng)手工作業(yè)向機(jī)器大工業(yè)的過(guò)渡。第二次工業(yè)革命大約19世紀(jì)下半葉到20世紀(jì)初，其標(biāo)志是電力和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明及應(yīng)用，第二次工業(yè)革命極大的推動(dòng)了生產(chǎn)力的發(fā)展，對(duì)人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)、政治、文化和軍事產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，標(biāo)志著人類進(jìn)入了“電氣時(shí)代”，大規(guī)模電能運(yùn)用使得人類的生產(chǎn)生活可以在晚上進(jìn)行，促進(jìn)了物質(zhì)財(cái)富的累積。第三次工業(yè)革命從20世紀(jì)四五十年代到現(xiàn)在，是以計(jì)算機(jī)為代表的信息技術(shù)革命，使傳統(tǒng)工業(yè)更加自動(dòng)化和信息化，徹底改變了整個(gè)社會(huì)的運(yùn)作模式。能源的利用逐步向智能化、信息化和集成化方向發(fā)展。人類史上的三次工業(yè)革命使得人類進(jìn)入了越來(lái)越繁榮的時(shí)代，但三次工業(yè)革命也導(dǎo)致了很大的問(wèn)題：一是造成巨大的能源及資源消耗；二是導(dǎo)致了巨大的環(huán)境及生態(tài)破壞。因?yàn)?1世紀(jì)人類面臨著空前的能源危機(jī)、資源危機(jī)和生態(tài)危機(jī)，因而下一次工業(yè)革命迫切需要解決這些問(wèn)題。而目前，基于信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）的智能化，人類將步入第四次工業(yè)革命，也稱之為綠色工業(yè)革命，其包含兩大主題：“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”，但主體在智能，而不是工廠和生產(chǎn)，不再以資源過(guò)度消耗及環(huán)境污染為代價(jià)，而是遵循人類社會(huì)及自然界的發(fā)展規(guī)律，逐步解決前面遺留下的問(wèn)題。正因?yàn)槿绱艘灾悄芑癁閷?dǎo)向推動(dòng)能動(dòng)類學(xué)科的發(fā)展剛好是解決這一問(wèn)題的核心，在新工科的背景下，能動(dòng)類學(xué)科的發(fā)展必須符合第四次工業(yè)的要求，力爭(zhēng)解決生態(tài)環(huán)境的惡化、自然資源和能源的過(guò)度消耗等問(wèn)題。

2.能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。能源互聯(lián)網(wǎng)是以原主力電力網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，融合可再生能源、天然氣網(wǎng)、氫能網(wǎng)等多能源網(wǎng)，形成多種能源利用和多元主體參與的能源互聯(lián)共享網(wǎng)絡(luò)[8]。其內(nèi)涵是以互聯(lián)網(wǎng)理念構(gòu)建新型能源融合的電網(wǎng)，以常規(guī)大電網(wǎng)為主電網(wǎng)，以小型微網(wǎng)為局域網(wǎng)，統(tǒng)一信息架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源雙向按需傳輸和動(dòng)態(tài)平衡使用。能源互聯(lián)網(wǎng)具備五個(gè)特點(diǎn)：（1）可再生能源是能源互聯(lián)網(wǎng)的主要能量供應(yīng)來(lái)源。（2）每個(gè)分布式微型能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成能源互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。（3）整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)需要各微網(wǎng)聯(lián)起來(lái)進(jìn)行能量交換才能實(shí)現(xiàn)能量平衡與需求。（4）系統(tǒng)具有開(kāi)放性，發(fā)電裝置、儲(chǔ)能裝置和負(fù)載能夠“即插即用”。（5）原來(lái)大電網(wǎng)中融入了微型能源網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成新型的大范圍分布式能源共享互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[9]。不難發(fā)現(xiàn)，微網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)組成的基本要素，原大電網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的主干網(wǎng)，因此能動(dòng)類學(xué)科發(fā)展必須滿足能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

二、能動(dòng)類實(shí)踐體系現(xiàn)狀分析

目前，我校能源與動(dòng)力工程大類專業(yè)現(xiàn)有的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課大部分屬于“課夾實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多停留在驗(yàn)證性階段，專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)與后續(xù)的應(yīng)用性和技術(shù)性的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)隔離，沒(méi)有形成系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)框架和體系。而且學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)照本宣科，得不到基本的試驗(yàn)技能訓(xùn)練，更談不上與研究性和創(chuàng)新性的“專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”和“科研訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)”產(chǎn)生聯(lián)系，沒(méi)有形成系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)框架和體系，學(xué)生很難建立一整套關(guān)于能源利用的知識(shí)結(jié)構(gòu)。顯然，這種實(shí)驗(yàn)方式只能有限度的幫助學(xué)生對(duì)專業(yè)理論的理解，而對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力作用不大，更談不上對(duì)新工科學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。并且實(shí)驗(yàn)體系多數(shù)強(qiáng)調(diào)課本知識(shí)的學(xué)習(xí)及操作能力的培養(yǎng)，對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)，尤其是在社會(huì)責(zé)任方面的意識(shí)培養(yǎng)方面存在不足，工程綜合素質(zhì)培養(yǎng)需加強(qiáng)。

在新工科背景下，現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)理念及體系等方面還存在諸多不足，不利于新工科創(chuàng)新復(fù)合型人才的培養(yǎng)。各門實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程大多是按照理論課程設(shè)置，并根據(jù)自身的需要開(kāi)設(shè)各實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系最大的問(wèn)題就在于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容跟不上新時(shí)代實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展，沒(méi)有與時(shí)俱進(jìn)，不利于新工科背景下學(xué)科、課程的交叉融合和學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

由此可見(jiàn)，目前的能動(dòng)類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平尚不能支撐新工科培養(yǎng)方案提出的人才培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)規(guī)格的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也很難滿足學(xué)科建設(shè)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的要求，也很難適應(yīng)現(xiàn)代新工科高等教育對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。開(kāi)展以現(xiàn)代智慧能源利用系統(tǒng)為主線的系列實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)已成為現(xiàn)實(shí)的迫切要求。通過(guò)系統(tǒng)化的實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)高素質(zhì)、能力強(qiáng)的學(xué)生，使學(xué)生不但能適應(yīng)當(dāng)前工程教育認(rèn)證大環(huán)境與國(guó)際實(shí)質(zhì)等效的專業(yè)認(rèn)同理念，又能提高自身的能力、開(kāi)拓視野，緊跟第四工業(yè)革命步伐，切實(shí)發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)。

三、能動(dòng)類新工科人才實(shí)踐教學(xué)體系的初探

1.新工科人才實(shí)踐體系的建設(shè)思路。在第四次工業(yè)革命即將爆發(fā)的今天，在能源互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的當(dāng)下，能動(dòng)類學(xué)科以分布式能源系統(tǒng)為切入點(diǎn)構(gòu)建能動(dòng)類新工科人才培養(yǎng)體系是一種行之有效的方法。課程體系建設(shè)必須體現(xiàn)強(qiáng)化知識(shí)的交叉融合，拓寬現(xiàn)有能動(dòng)類知識(shí)領(lǐng)域，突出工程實(shí)踐與人文社科的融合，基于此能動(dòng)類新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)總體框如圖1所示：通過(guò)以分布式能源熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行模塊化系統(tǒng)搭建，同時(shí)輔以微藻能源、生物質(zhì)能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、蓄冷蓄熱等多種節(jié)能減排手段，如圖構(gòu)建低碳綠色、低碳節(jié)能的能源實(shí)驗(yàn)體系。該體系主要是以分布式微網(wǎng)為探索方向，學(xué)生通過(guò)遞進(jìn)式系統(tǒng)學(xué)習(xí)，將全面掌握各模塊知識(shí)，并系統(tǒng)構(gòu)建能動(dòng)類知識(shí)體系。該體系對(duì)能動(dòng)類新工科人才培養(yǎng)起著顯著的支撐作用。

2.能動(dòng)類實(shí)踐教學(xué)體系的探索。新工科人才的實(shí)踐教學(xué)體系的建立首先要構(gòu)建能源動(dòng)力領(lǐng)域的理論知識(shí)體系，學(xué)生運(yùn)用相關(guān)領(lǐng)域理論和能源應(yīng)用方面相關(guān)知識(shí)，系統(tǒng)掌握能源高效利用及節(jié)能技術(shù)，能源動(dòng)力領(lǐng)域的理論知識(shí)課程體系如下。

基于上述理論課程體系構(gòu)建了能動(dòng)類實(shí)踐教學(xué)體系，構(gòu)架圖如圖2所示。分為四個(gè)實(shí)驗(yàn)體系：（1）能源轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)體系：在該體系中包含各種燃料的制備及合成、可燃物質(zhì)的氣化及熱解和微藻產(chǎn)生生物燃油等。在能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中主要包含化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能、熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能及機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能等。（2）能源利用實(shí)驗(yàn)體系：能源的高效利用要求消耗同樣的能源獲得較多的效益，因而能源的梯級(jí)利用顯得尤為重要，通過(guò)按質(zhì)用能和逐級(jí)多次利用兩個(gè)方面進(jìn)行，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的能源利用效率?；诖嗽O(shè)計(jì)了多個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目：太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池和熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)試驗(yàn)；微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)特性試驗(yàn)；熱電冷聯(lián)產(chǎn)和余熱回收試驗(yàn)等。（3）能源儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)體系：能源儲(chǔ)存及輸配是相互依存的，對(duì)大多數(shù)能量轉(zhuǎn)換或利用系統(tǒng)而言，獲得的能量和需求的能量常常是不一致的，為了使能量利用的過(guò)程能連續(xù)地進(jìn)行，就需要采用能量?jī)?chǔ)存措施或?qū)ｉT設(shè)置一些儲(chǔ)能設(shè)備，主要有熱能及電能、化學(xué)儲(chǔ)能的儲(chǔ)存等。（4）系統(tǒng)監(jiān)視與控制及工程倫理實(shí)驗(yàn)體系，該模塊主要強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)計(jì)算機(jī)模擬工程實(shí)際的能力和培養(yǎng)新工科學(xué)生工程倫理素養(yǎng)，有效地激發(fā)了學(xué)生對(duì)相關(guān)工程問(wèn)題的道德敏感性，培養(yǎng)具備專業(yè)素質(zhì)和人文精神的新工科工程師，為國(guó)家建設(shè)和發(fā)展提供應(yīng)用型創(chuàng)新人才。總之四個(gè)實(shí)驗(yàn)體系，層次分明，逐級(jí)遞增。

四、結(jié)語(yǔ)

在第四次工業(yè)革命即將高速發(fā)展的當(dāng)下，人才短缺是一個(gè)必須解決的問(wèn)題，本文以能源互聯(lián)網(wǎng)為切入點(diǎn)，對(duì)新工業(yè)革命體系下能動(dòng)類人才培養(yǎng)體系進(jìn)行了探索，對(duì)分布式能源微網(wǎng)進(jìn)行了探討，初步構(gòu)建了能動(dòng)類實(shí)踐教學(xué)體系，根據(jù)學(xué)生掌握知識(shí)面的程度，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和內(nèi)容進(jìn)行了遞進(jìn)式的探索，為能動(dòng)類新工科人才實(shí)踐體系提供了一種可能方案。

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