新工科視野下能源化學工程專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系構建

王淑勤，李金夢，劉麗風,苑春剛

(華北電力大學 環(huán)境科學與工程系，河北 保定 071003)

當前，我國以新技術、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，相比于傳統(tǒng)工科人才，新經(jīng)濟發(fā)展迫切需要創(chuàng)新能力與實踐能力更強的新型工科人才支撐， 需要地方高校面向未來培養(yǎng)具有跨界整合能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的工程科技人才，探索個性化和多元化的人才培養(yǎng)模式[1-3]?；谖覈茉磻?zhàn)略新需求、人才培養(yǎng)新形勢、立德樹人新要求，需要加快推進新工科建設，深化我國高等工程教育改革[4-6]。

華北電力大學是一所能源電力為特色的“雙一流”建設大學，肩負著為國家和能源電力行業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要歷史使命。為適應國家清潔能源發(fā)展需求和能源電力行業(yè)未來發(fā)展，解決我國目前傳統(tǒng)煤炭行業(yè)、電力企業(yè)面臨的發(fā)展問題，在大學整體規(guī)劃下，依托環(huán)境工程、應用化學兩大學科優(yōu)勢，于2011年建立能源化學工程專業(yè)。經(jīng)過8年的建設和實踐，能源化學工程專業(yè)已經(jīng)構建了以新工科為導向的人才培養(yǎng)體系。在專業(yè)建設和教學實踐過程中逐漸形成了以“能源清潔利用與轉(zhuǎn)化”國家需求為人才培養(yǎng)目標的課程體系、教學團隊、實習實訓和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的特色教育教學模式[7]。打破傳統(tǒng)以理論教學為主的課程體系，建立理論教學、實踐教學和綜合素質(zhì)養(yǎng)成三維并重的課程體系，創(chuàng)新性構建具有目標導向的課程群和創(chuàng)客團隊，建設了基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的校內(nèi)實踐平臺和基于行業(yè)職業(yè)發(fā)展的校外實習基地，實現(xiàn)了專業(yè)基礎知識學習、專業(yè)技能鍛煉、創(chuàng)新能力培養(yǎng)和優(yōu)秀成果產(chǎn)出的有機銜接[8-9]。

1 能源化學工程專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

我國社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展，一躍成為世界第二大經(jīng)濟體，對能源需求急劇增大，能源清潔利用與可持續(xù)發(fā)展成為了國家戰(zhàn)略層面亟需解決的重大戰(zhàn)略問題。培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型的能源化學工程專業(yè)人才是解決國家未來能源發(fā)展的重要基礎。然而，目前我國能源化學工程專業(yè)的課程設置、教材建設、培養(yǎng)模式等多以傳統(tǒng)的“教與學”方式為主，缺乏具有鮮明能源電力特色的課程體系構建和人才培養(yǎng)模式。從培養(yǎng)能源電力污染控制人才需求分析看，主要存在以下問題：

(1)課程體系不系統(tǒng)、培養(yǎng)方案不完整。傳統(tǒng)的課程體系缺乏完整性，教學內(nèi)容比較陳舊，各學科之間聯(lián)系不夠緊密，不能體現(xiàn)新工科"學科交叉融合"的特點，無法實現(xiàn)不同知識點、不同學科之間的整合[10]。學生的自學能力、創(chuàng)新能力、思維擴展能力都有待加強。

(2)實踐環(huán)節(jié)相對弱化，不能落實到位。很多高校工科專業(yè)實驗室設備單一，實驗基地不足，導致學生實戰(zhàn)經(jīng)驗缺乏。實踐教學項目范圍偏窄，此外，一些科研項目、綜合實踐項目在實驗空間、科研平臺上呈現(xiàn)碎片化，限制了學生在實踐過程中創(chuàng)新能力及解決復雜問題能力的培養(yǎng)。

基于以上問題，為滿足新工科背景下創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，培養(yǎng)出具有團隊合作意識、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、多學科思維的復合型新工科人才，我校多角度地探討了能源化學工程專業(yè)實驗教學改革的舉措，提出新工科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)設計思路。具體思路如下：

(1)以立德樹人為根本任務，強化新工科理念，改進教育教學方法、實現(xiàn)全過程育人。

(2)面向我國重大能源戰(zhàn)略需求和行業(yè)發(fā)展人才需求，創(chuàng)建具有能源電力特色的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式。

(3)打造具有行業(yè)特色、創(chuàng)新導向的課程體系。

(4)建設以技能培養(yǎng)和實際工程應用的實驗中心及實習實訓基地。

(5)實現(xiàn)科研教學良性互動，啟發(fā)培養(yǎng)學生專業(yè)認同感、創(chuàng)新創(chuàng)造能力和追求卓越意識。

2 完善以工程創(chuàng)新能力為核心的教學體系

2.1 強化新工科理念，實現(xiàn)了全過程育人

教育教學各環(huán)節(jié)融入教書育人以及新工科理念，通過和課程知識點相結合的方式，引申講解習近平新時代社會主義思想，培植愛國主義情懷和積極進取的職業(yè)操守。讓學生在學習專業(yè)知識的過程中，潛移默化受到正確的思想熏陶。同時將立德樹人的根本任務融入到課堂和實踐教學等多個環(huán)節(jié)，涵蓋專業(yè)概論課中的職業(yè)規(guī)劃指導、專業(yè)課中傳統(tǒng)文化自信和技術改造中責任擔當意識的培養(yǎng)、創(chuàng)新實驗中自主創(chuàng)新和攻堅克難永不放棄的工匠精神培養(yǎng)、課程設計以及畢業(yè)設計中社會責任感的培養(yǎng)等全過程，形成了全過程育人的培養(yǎng)機制[11]。

2.2 創(chuàng)建具有行業(yè)特色、創(chuàng)新導向的教學體系

為實現(xiàn)設定的人才培養(yǎng)目標和課程教學目標，必須以恰當?shù)姆椒ㄍ瓿蓪嵺`課程的學習，在傳統(tǒng)的實踐教學模式中，老師是主體，學生按部就班完成老師留下的任務，無法發(fā)揮學生的主觀能動性。而新型實踐課程教學模式(見圖1)以學生為主體，學生在教師的指導下，以科學的方式發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題的全過程。打破了傳統(tǒng)教學模式下教師對科研的壟斷，在實踐環(huán)節(jié)采用設計性實驗和綜合實驗相結合的方式對課程實驗進行改革，配合課外創(chuàng)新實驗內(nèi)容持續(xù)改進，更注重讓學生自主研究，自行設計實驗方案，促進學生創(chuàng)新能力的發(fā)展。自學輔導、案例教學、仿真模擬、啟發(fā)教學、PBL教學等研究性教學模式配合課堂派、MOOC等網(wǎng)絡資源可以提升課堂教學效果，全面貫通知識點，實現(xiàn)從重視知識的傳授、智力的培養(yǎng)向重視能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，從以學習知識為主的知識目標向以學習方法為主的能力目標的轉(zhuǎn)變[12-13]。利用仿真教學及動態(tài)模擬，學生可以加深對重要知識點的認識，增加難點知識的學習趣味性，提高學習效果，克服了只能看到設備的表面運行，不能動手，對內(nèi)部結構和設備流程相互關系弄不懂的困難[14]。新興MOFs、全固態(tài)鋰離子電池材料、生態(tài)修復等功能材料開發(fā)，超級電容器的電極材料和固態(tài)電解質(zhì)研制，產(chǎn)氫技術、質(zhì)子交換膜的研究以及數(shù)控機床、3D打印等先進技術的應用開闊學生視野、提升學生實踐技能、創(chuàng)新能力，同時也增強了學生就業(yè)競爭力。促進了國家、省級教研、科研項目和高水平教研、科研論文等成果的產(chǎn)出，理論與實踐融合成效顯著。

圖1 新型實踐課程教學模式

2.3 創(chuàng)建具有鮮明能源電力特色的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式

根據(jù)能源電力的人才需求，經(jīng)過8年的建設、改革與實踐，構建了我國能源化工專業(yè)中獨特、完備的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。通過課程內(nèi)容優(yōu)化、教學方法改進、實踐環(huán)節(jié)持續(xù)改進、構建課程群和科教深度融合，實現(xiàn)完整、連貫、符合學生成長規(guī)律的人才培養(yǎng)模式。通過“一個中心，兩個體系，三個模塊，四個課程群、五個創(chuàng)客團隊”的實施方案(見圖2)，采用了問題教學、案例教學、啟發(fā)教學等以學生為中心的新的教學理念，培養(yǎng)“厚基礎、精專業(yè)、強應用、能創(chuàng)新”的復合型人才。

圖2 能源化學工程專業(yè)改革實施方案

圖3 多層次實踐教學體系

圖4 專業(yè)課程群的構建

圖5 五大創(chuàng)客團隊

“一個中心”是以兼具學科專業(yè)“新結構”，人才培養(yǎng)“新模式”，工程教育“新質(zhì)量”的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為中心；“兩個體系”為課程教學體系和實踐實習教學體系；通過“兩個體系”的綜合改革和持續(xù)改進，將教書育人和興趣、懷疑與猜想、反駁、驗證、拓展五大素質(zhì)培養(yǎng)貫穿各個教育教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)正確的人生觀、價值觀和世界觀，厚植愛國主義情懷和專業(yè)擔當意識；圖3所示的多層次實踐教學體系的構建擴寬廣了專業(yè)基礎知識，鍛煉實踐動手能力和解決實際問題的應用技能，培養(yǎng)學生自主學習和主動求真的終身學習能力。打破單門課程的孤立狀態(tài)?！叭齻€模塊”為“公共基礎課”、“專業(yè)基礎課”、“專業(yè)課”的課程模塊，各個模塊相互依托、協(xié)調(diào)，整體由淺入深，由簡單到綜合，目標明確，在這個過程中理解各個學科之間的關聯(lián)性，逐步構建完整的知識體系[15]。根據(jù)課程內(nèi)容和領域構建“四個課程群”，如圖4所示，分別為“化石能源轉(zhuǎn)化與利用”、“能源電力與化工環(huán)保”、“功能材料開發(fā)與評價”、“儲能材料及新能源轉(zhuǎn)化”?！八膫€課程群”的構建實現(xiàn)專業(yè)課程教育的模塊化，形成了科學合理、有機銜接的課程群結構，強化以問題導向的多學科知識綜合運用，培植學生的實際應用能力?！拔鍌€創(chuàng)客團隊”(見圖5)為“煤及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與應用”、“環(huán)境友好型材料開發(fā)及水質(zhì)凈化”、“新型儲能材料及新能源轉(zhuǎn)化技術研發(fā)”、“功能材料開發(fā)及高品質(zhì)產(chǎn)品回收利用”、“催化劑制備及性能評價”。涵蓋了當前能源化學工程主流研究方向，通過創(chuàng)客團隊引領學生在低、中年級即進入相關課題研究，培養(yǎng)科研興趣，帶著問題聽課堂，達到激發(fā)學習興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新意識的雙重目的。

2.4 創(chuàng)新型實驗平臺構建推進教學改革

結合科研和大學生創(chuàng)新實驗的研究成果，自行設計并建設了“CO2捕集試驗臺”，“催化劑性能評價試驗臺”，“微濾-反滲透除鹽試驗臺”等10套具有中試規(guī)模的試驗系統(tǒng)；“催化劑失效再生實驗裝置”，“光催化實驗裝置”，“生物接觸氧化實驗裝置”等10套具有小試規(guī)模的試驗系統(tǒng)和2套仿真實驗模型(圖6)，這些設備不僅提高了設計性、綜合性實驗的開出率，及工程教育的質(zhì)量，還促進了國家重大項目、省級重點項目和高水平科研論文等成果的產(chǎn)出，科教融合成效顯著。同時結合本科畢業(yè)設計開發(fā)了多套仿真教學軟件，先后增設了 3門仿真實踐教學內(nèi)容，形成了華北電力大學能化專業(yè)實驗教學的鮮明特色。

(a)催化劑失效再生實驗裝置；(b)新型光催化反應器；(c)生物接觸氧化實驗裝置；(d)自行設計的填料 圖6 主要的小試裝置

3 教學成果

我校能源化學工程專業(yè)在開展教學改革后，在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面取得優(yōu)良成果，產(chǎn)出了9篇高水平科研論文，授權了7項權利，研制了10套小試裝置。指導學生獲得專利及軟件著作權7項，指導本科生共獲國家級獎68人次、省部級獎59人次；學生考研上線率超過65% 位居全校前十。通過教學改革為我國能源電力行業(yè)培養(yǎng)了大量創(chuàng)新型優(yōu)秀人才。成果已經(jīng)獲得校教學成果一等獎，河北省教學成果二等獎，改革方案得到了國內(nèi)高校的認可，產(chǎn)生了重要影響。

4 結束語

華北電力大學作為能源電力行業(yè)類高校，在新工科建設方面做到專而深，力求把能源化學工程專業(yè)打造為有特色、有深度的專業(yè)。在新工科背景下從綜合素質(zhì)培養(yǎng)、課程體系構建、實驗平臺建設等方面推進教學改革，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。在課程體系構建過程中，注重各學科之間的交叉，能夠做到由淺入深，實現(xiàn)全面貫通知識點，在實驗平臺建設過程中，結合科研和大學生創(chuàng)新實驗的研究成果，學生可參與實驗設計和實驗平臺建設，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、思維能力、合作能力、科研能力、管理能力和工程意識。總之，開展教學改革后，取得了一系列實踐成果，有效地促進了學生工程素養(yǎng)以及創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力的提升。