儲能科學(xué)與工程本科專業(yè)核心課程建設(shè)探討

談 鵬，胡茂彬

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230027）

儲能技術(shù)在促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展、新能源技術(shù)實施方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為加快培養(yǎng)儲能領(lǐng)域“高精尖缺”人才，教育部、國家發(fā)展改革委和國家能源局在2020 年2 月聯(lián)合印發(fā)了《儲能技術(shù)專業(yè)學(xué)科發(fā)展行動計劃(2020—2024 年)》(下文簡稱《計劃》)，其中提出“經(jīng)過5 年左右努力，增設(shè)若干儲能技術(shù)本科專業(yè)、二級學(xué)科和交叉學(xué)科”[1]，完善儲能技術(shù)人才培養(yǎng)專業(yè)學(xué)科體系，并在本碩博人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)模和空間布局上科學(xué)合理[2]。同年，教育部增設(shè)了“儲能科學(xué)與工程”本科專業(yè)，專業(yè)代碼為080504T，學(xué)位授予門類為工學(xué)，修業(yè)年限為4年。西安交通大學(xué)在2020年2月成立了我國第一個儲能科學(xué)與工程本科專業(yè)，多所高校也積極響應(yīng)籌劃儲能專業(yè)。截至目前，全國共有26 所高校設(shè)置了“儲能科學(xué)與工程”專業(yè)[3]。

儲能科學(xué)與工程是一個多學(xué)科深度交叉的專業(yè)，涉及物理、化學(xué)、材料、能源動力、電力電氣等眾多學(xué)科[4]。為了讓學(xué)生具備全面的視野和專業(yè)的知識，需要在核心課程的設(shè)計上有充足的考慮。一方面，從就業(yè)的角度出發(fā)，學(xué)生本科畢業(yè)后能基本勝任儲能領(lǐng)域的工作，需要有若干門關(guān)鍵課程提供專業(yè)知識支持；另一方面，從深造的角度出發(fā)，核心課程的設(shè)置更利于學(xué)生在研究生入學(xué)、深造等方面有更強(qiáng)的身份認(rèn)同而不是轉(zhuǎn)入其他專業(yè)。

本文先調(diào)研了國內(nèi)幾個代表性高校開設(shè)儲能科學(xué)與工程專業(yè)的課程設(shè)置情況，再根據(jù)從底層到頂層的設(shè)計方法，結(jié)合儲能科學(xué)與工程相關(guān)專業(yè)的情況，分析其核心課程設(shè)計，最后提出一些針對儲能科學(xué)與工程專業(yè)核心課程設(shè)置與建設(shè)的參考意見，期待為該專業(yè)培養(yǎng)方案制定和實施提供一定啟示。

1 現(xiàn)有高校儲能科學(xué)與工程專業(yè)課程設(shè)計情況

目前全國共有26所高校開設(shè)了“儲能科學(xué)與工程”專業(yè)，各個高校根據(jù)自己的特色和學(xué)科基礎(chǔ)，采取了相當(dāng)不同的培養(yǎng)方案，核心課程也各有特色。

西安交通大學(xué)立足于本校的能源動力、電氣、電子信息、化學(xué)、物理學(xué)和材料6個理工類優(yōu)勢學(xué)科，編制了“儲能科學(xué)與工程”的專業(yè)知識體系和課程設(shè)置[5]。專業(yè)課程設(shè)置了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、儲能基礎(chǔ)、熱質(zhì)儲能、電化學(xué)與電磁儲能、系統(tǒng)儲能、前沿講座及專業(yè)綜合實驗7大課程群。其中，根據(jù)儲能領(lǐng)域中不同方向的特點，分別設(shè)置了熱質(zhì)儲能模塊、電化學(xué)與電磁儲能模塊和系統(tǒng)儲能模塊3個獨立的課程群，為學(xué)生提供專業(yè)核心知識。學(xué)生在大一開展儲能專業(yè)通識教育，除去專業(yè)大類基礎(chǔ)必修課程外(數(shù)學(xué)、物理、計算機(jī))，儲能基礎(chǔ)必修課程包括：工程力學(xué)、儲能化學(xué)基礎(chǔ)、自動控制理論、工程圖學(xué)、電路、現(xiàn)代電子技術(shù)和儲能原理。之后，進(jìn)行模塊分流，在熱質(zhì)儲能課程群中，必修課包括儲能熱流基礎(chǔ)、傳熱傳質(zhì)學(xué)和熱質(zhì)儲能技術(shù)及應(yīng)用；電化學(xué)與電磁儲能課程群中，必修課包括儲能材料工程、電化學(xué)基礎(chǔ)和半導(dǎo)體物理；系統(tǒng)儲能課程群中，必修課包括儲能系統(tǒng)設(shè)計、電力系統(tǒng)分析、儲能系統(tǒng)檢測與評估、能源互聯(lián)網(wǎng)和嵌入式智能系統(tǒng)。學(xué)生可在模塊內(nèi)選修課程，也可以跨模塊選擇特色專業(yè)課程。

中國礦業(yè)大學(xué)在2020 年備案了儲能科學(xué)與工程交叉學(xué)科，同時向教育部申報了儲能科學(xué)與工程本科專業(yè)。其課程體系中圍繞儲能的專業(yè)知識主干課程包括儲能原理、電化學(xué)儲能基礎(chǔ)、能源轉(zhuǎn)化原理、儲能材料基礎(chǔ)、儲熱技術(shù)及應(yīng)用、儲能系統(tǒng)安全管理、儲能電池技術(shù)、新能源與分布式發(fā)電，以及儲能系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)[6]?；诟信d趣的儲能方向，可以進(jìn)一步側(cè)重選擇與該類別儲能技術(shù)相關(guān)的專業(yè)選修課程進(jìn)行學(xué)習(xí)，包括儲熱技術(shù)、電化學(xué)儲能、氫能技術(shù)等專業(yè)選修課程。

長沙理工大學(xué)在2021 年獲教育部批準(zhǔn)開設(shè)儲能科學(xué)與工程專業(yè)[7]。依托學(xué)校動力工程及工程熱物理、電氣工程等優(yōu)勢學(xué)科，其核心課程包括儲能原理與技術(shù)、儲能材料、相變儲能技術(shù)、儲能電池技術(shù)、燃料電池技術(shù)、儲能電站設(shè)計與運行、儲能系統(tǒng)安全與管理、大規(guī)模儲能系統(tǒng)開發(fā)與項目設(shè)計等。通過構(gòu)建多學(xué)科深度交叉融合，形成學(xué)科體系和人才培養(yǎng)體系。

2 儲能科學(xué)與工程相關(guān)專業(yè)的核心課程設(shè)計情況

由于儲能科學(xué)與工程專業(yè)包含的知識內(nèi)容繁多，和眾多傳統(tǒng)學(xué)科之間具有深刻的關(guān)聯(lián)性，因此需要對儲能技術(shù)相關(guān)專業(yè)的核心課程進(jìn)行分析，從而得到儲能科學(xué)與技術(shù)核心課程的合理方案。下面以幾個典型相關(guān)專業(yè)為參考，分析其核心課程的設(shè)置情況。

化學(xué)：核心課程包括無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、化學(xué)原理、結(jié)構(gòu)化學(xué)等，旨在培養(yǎng)學(xué)生具有廣博的基本知識和系統(tǒng)扎實的基礎(chǔ)理論以及實驗方法和技能，以從事科研、開發(fā)、教學(xué)等工作。

物理：核心課程包括基礎(chǔ)物理學(xué)原理與實驗、分析力學(xué)、量子力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、電動力學(xué)、近代物理實驗等，培養(yǎng)學(xué)生具有扎實的數(shù)理基礎(chǔ)知識、較強(qiáng)的動手能力，以從事基礎(chǔ)或者應(yīng)用型工作。

材料科學(xué)與工程：起源于物理與化學(xué)學(xué)科的交叉，專業(yè)核心課程包括材料物理、材料化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料加工基礎(chǔ)、金屬材料等，培養(yǎng)學(xué)生具備材料設(shè)計、合成、加工、分析和應(yīng)用等方面的科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的綜合能力。

能源化學(xué)工程：核心課程包括化工原理、化工熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、化工分離工程、能源化工設(shè)計基礎(chǔ)等，培養(yǎng)學(xué)生在能源化工及相關(guān)領(lǐng)域從事能源高效清潔轉(zhuǎn)化和新能源開發(fā)與利用等工作。

機(jī)械工程：核心課程包括機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、材料力學(xué)、理論力學(xué)、自動控制原理、機(jī)械工程制圖等，培養(yǎng)學(xué)生具備典型機(jī)械產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、典型零件加工工藝分析的能力和創(chuàng)新思維實踐能力。

動力工程及工程熱物理：核心課程包括工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、熱能與動力工程測試技術(shù)等，以流動、傳熱、燃燒、控制等領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究為依托，培養(yǎng)學(xué)生從事能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)安全運行、降耗增效、節(jié)能減排和新能源動力系統(tǒng)等相關(guān)工作[8]。

電氣工程：核心課程包括電路理論、電子技術(shù)、電力電子分析、自動控制原理等，培養(yǎng)學(xué)生從事電力設(shè)計、建設(shè)、調(diào)試、生產(chǎn)、運行、市場運營、科技開發(fā)等工作。

3 對儲能科學(xué)與工程專業(yè)核心課程設(shè)置的建議

從以上分析不難看出，雖然目前的儲能科學(xué)與工程本科專業(yè)所學(xué)的課程覆蓋面非常廣，但其核心課程與其他專業(yè)相比，尚缺乏自己的特色。因此，無論是對于本科生學(xué)習(xí)過程中的專業(yè)認(rèn)同感，還是未來深造時的專業(yè)選擇都可能帶來不利影響。因此，急需從目前的課程中尋找貫穿儲能科學(xué)和工程的主干課程，通過學(xué)科整合將其設(shè)置為核心課程。

圖1展示了儲能科學(xué)與工程重要需求和相關(guān)知識體系。從底層技術(shù)上看，儲能科學(xué)與工程依賴于材料科學(xué)，例如儲熱材料，電化學(xué)儲能的電池材料，機(jī)械儲能(如飛輪儲能)的高強(qiáng)度復(fù)合材料；從技術(shù)實現(xiàn)上，需要深刻理解能量轉(zhuǎn)化原理，這就需要熱力學(xué)的相關(guān)知識。《計劃》中指出，“加快儲能技術(shù)的機(jī)理和材料創(chuàng)新研究以攻克“儲能領(lǐng)域儲熱/儲冷、物理儲能和化學(xué)儲能中存在的低容量、低集成度，以及分布式儲能等關(guān)鍵科學(xué)問題”[1]。因此，材料和熱力學(xué)是儲能專業(yè)的基礎(chǔ)，在學(xué)生培養(yǎng)中具有重要的地位。在儲能系統(tǒng)方面，《計劃》中指出，“重點推進(jìn)壓縮空氣儲能、化學(xué)儲能、各類新型電池、燃料電池、相變儲能、儲氫、相變材料等基礎(chǔ)理論研究，強(qiáng)化儲能技術(shù)的原始創(chuàng)新能力”[1]。雖然儲能技術(shù)種類多樣，但系統(tǒng)的實現(xiàn)依賴于結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、熱量和流量管理以及與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)，這就需要工程力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)及電工電子技術(shù)等課程提供堅實的知識保障。在儲能技術(shù)的應(yīng)用方面，《計劃》中強(qiáng)調(diào)“加快可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)儲能技術(shù)與系統(tǒng)、大規(guī)模集成儲能與應(yīng)用、分布式儲能技術(shù)及系統(tǒng)優(yōu)化、儲能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用及管理等關(guān)鍵核心技術(shù)研究”[1]。因此，對儲能系統(tǒng)的管理必不可少，這就需要控制學(xué)知識。綜上所述，為了充分滿足國家對儲能方面人才的需求，在本科培養(yǎng)中建議將儲能材料、工程熱力學(xué)、工程力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、電工電子技術(shù)和控制理論這幾門課作為儲能科學(xué)與工程的核心課程，并且在具體實施中，對現(xiàn)有課程和教材的內(nèi)容進(jìn)行補充和完善。

圖1 儲能科學(xué)與工程專業(yè)重要需求和核心課程建議Fig.1 Requirements on energy storage and recommendations of core curriculum

儲能材料：在先修課程(如物理化學(xué))的基礎(chǔ)上，從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)出發(fā)，介紹應(yīng)用于儲能的材料基本特性、表征方法和應(yīng)用方式，覆蓋面包括儲熱相變材料、儲氫材料、電極材料等。課程目標(biāo)是使學(xué)生比較全面系統(tǒng)地認(rèn)識材料在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，掌握儲能材料性質(zhì)與性能的構(gòu)效關(guān)系，為進(jìn)一步開發(fā)新型儲能材料、研究新工藝及提升材料性能奠定基礎(chǔ)。

工程熱力學(xué)：以熱力學(xué)三大定律為基礎(chǔ)，介紹各種熱力學(xué)過程，強(qiáng)調(diào)熱能與機(jī)械能和其他能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用；除此之外，補充多種儲能系統(tǒng)例如電化學(xué)儲能、儲熱/儲冷、壓縮空氣儲能等系統(tǒng)的熱力學(xué)分析。課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生運用熱力學(xué)定律和有關(guān)理論對儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行分析的能力，為提升儲能系統(tǒng)效率和研究儲能新機(jī)理打下必要的基礎(chǔ)。

工程力學(xué)：不僅包含傳統(tǒng)理論力學(xué)中關(guān)于靜力學(xué)、動力學(xué)、運動學(xué)等基本內(nèi)容，還包含材料力學(xué)中構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等問題，并且包含流體力學(xué)的基礎(chǔ)知識及相關(guān)流體機(jī)械原理；在理論教學(xué)之外，輔以相關(guān)的實驗內(nèi)容。課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生具備在儲能系統(tǒng)中有關(guān)力學(xué)方面的分析計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計能力。

傳熱傳質(zhì)學(xué)：強(qiáng)調(diào)導(dǎo)熱、對流和熱輻射3種熱量傳遞方式和傳質(zhì)現(xiàn)象的物理概念、基本規(guī)律以及相關(guān)計算方法，并介紹工程中切實可行的強(qiáng)化或削弱傳熱傳質(zhì)的措施。課程目標(biāo)是使學(xué)生具備熱質(zhì)傳遞規(guī)律基本知識和分析儲能系統(tǒng)中傳熱傳質(zhì)問題的能力，以勝任儲熱/儲冷、電化學(xué)儲能等系統(tǒng)中熱量管理、流量管理等相關(guān)工作。

電工電子技術(shù)：主要包括電路分析、電工技術(shù)、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等內(nèi)容，介紹基本電子電路的組成、工作原理、性能特點、基本分析和計算方法。課程目標(biāo)是使學(xué)生具備基礎(chǔ)電路分析和設(shè)計的能力，并了解電工電子技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)，為儲能系統(tǒng)的電路及并網(wǎng)設(shè)計奠定電學(xué)方面的知識基礎(chǔ)。

控制理論：主要介紹被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模主要方法、系統(tǒng)運動狀態(tài)分析、能控性及能觀測性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，以及系統(tǒng)的綜合設(shè)計方法和工程應(yīng)用。課程目標(biāo)是使得學(xué)生掌握系統(tǒng)信號的自動檢測、控制器的設(shè)計和控制系統(tǒng)的分析，為儲能系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)管理打下基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

隨著“碳中和”和“碳達(dá)峰”的提出，加快推進(jìn)儲能技術(shù)和學(xué)科建設(shè)，培養(yǎng)儲能方面專業(yè)人才，對我國的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展有重大的戰(zhàn)略意義。目前，國內(nèi)已有多所高校開設(shè)了相關(guān)專業(yè)，并且開始了本科招生和培養(yǎng)工作?？梢灶A(yù)料，在幾年后這些學(xué)生將面臨就業(yè)和深造的選擇。因此，急需梳理儲能科學(xué)與工程的課程體系，確定核心課程，加強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同。本文針對國家對儲能科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展需求，根據(jù)儲能系統(tǒng)從底層到頂層的設(shè)計方案，在一系列課程中提出初步建議，選取儲能材料、工程熱力學(xué)、工程力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、電工電子技術(shù)和控制理論作為專業(yè)核心課程；并且，建議在原有傳統(tǒng)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展儲能相關(guān)的知識體系，最后形成一套具有顯著儲能專業(yè)印記的核心課程。同時，加快儲能相關(guān)方向研究生專業(yè)的建設(shè)工作，形成從本科到博士的完整人才培養(yǎng)鏈條。

儲能科學(xué)與工程是新興初設(shè)本科專業(yè)，核心課程設(shè)置是至關(guān)重要的問題。本文有關(guān)該專業(yè)的建設(shè)性思考期待為相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案的制定和實施提供參考。