碳中和愿景下新能源科学与工程专业建设的思考
时间：2023-04-08 17:50:05 来源：千叶帆 本文已影响人
郭 瑞，高 微
（沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136）
人类社会可持续发展正面临能源安全、环境污染、气候变化等严峻的挑战，绿色低碳、高效可再生是能源发展的必然趋势。目前，欧盟、日本、美国都先后发布了碳中和策略，相关组织预测，到2050年全球近一半的发电量都会来自于风电及太阳能发电，到那个时候，可再生能源的占比将达到62%。在目前世界能源体系转型阶段，大量有关新能源的知识与技术不断涌现，改变和颠覆了传统的能源与动力行业。新知识、新技术的产生和应用速度远快于当前大学教育模式、培养体系、课程内容修订和更新周期。当下的能源转型要求与能源相关的专业教育随之进行改革，利用3～5年时间调整优化碳中和相关专业和学科建设，推动人才培养质量持续提升，为实现碳达峰碳中和目标提供科技支撑和人才保障。
从国内来看，2020年在联合国会议上我国就碳达峰碳中和对国际社会作出了郑重的承诺，提出了2030 年碳达峰、2060 年碳中和的愿景。在此之后，国家领导人数次重申了碳达峰碳中和的目标是中国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求作出的重大战略决策。“双碳”的目标是为了应对气候变化，但又不仅仅是为了应对气候变化，它具有更深的战略意义。它对外是中国承担大国责任总体外交的需要，是国际合作的重要领域；
对内是中国自身现代化建设和可持续发展的内在需求，是通向美丽中国的必经之路。我们必须要从全局性、长期性、协同性的高度，来认识碳达峰碳中和目标战略的含义。碳达峰碳中和将是未来促进经济发展、社会繁荣、保护生态环境的一个根本的措施，或者说是一个总的抓手。节能减碳将有利于改善生态环境，提升我们国家的核心竞争力。
能源部门提出，我国实现碳达峰碳中和发展目标需要重点抓三大行动。一是大力控制化石能源的消费，二是加快实施可再生能源的替代，三是积极构建以新能源为主体的新型电力系统，所有行动的核心都是围绕能源转型展开。为实现“双碳”目标，需要转变发展方式和调整产业结构，开发清洁高效的节能低碳技术，加快建设以风能、水能、太阳能、生物质能等可再生能源为主体的能源体系。“双碳”目标意味着国家需要大量能源领域的高级人才。因此，能源动力类专业面临着新的发展机遇和挑战，从培养体系建设，到创新精神培养和专业文化教育等方面都亟需深刻研讨，以适应国家能源战略对能源动力类专业人才的新要求。
能源与动力类专业主要是对能源的开发和利用、动力机械和热工设备的设计与测试技术等进行研究。其中能源的种类包括煤、石油、天然气等传统能源，以及核能、风能、生物能等新能源；
动力机械和热工设备包括内燃机、锅炉、航空发动机、制冷机等。能源在生活中的应用则体现为天然气用作汽车燃料、风能发电、冬季烧锅炉供暖、空调制冷机设计和测试等。能源与动力类专业的课程设置主要有工程热力学、流体力学、传热学、控制理论、流体机械、工程力学、机械设计基础、能源与动力机械测试技术、热能与动力工程测试技术、热工过程自动控制等，各学校的侧重点和培养方向会有所区别。面对目前的能源转型，这类专业教育逐渐显示出几个明显的不足：
（1）目前很多高校的能动类专业分类比较细，能源工程、流体机械、动力机械等学科界限比较分明。在这种细化的学科分类下，学生知识面会比较窄，造成了学生的专业领域单一、专业知识系统不健全的问题。要想实现双碳目标，各学科专业就需要更为交叉、互联，现有的专业细分、学科分界的培养模式难以满足新时代的要求。
（2）专业教育秉承的是有用的学科知识教育观，以课堂授课为主，辅以实验实训、企业参观实习的方式，其中尤以验证性的实验和走马观花式的实习最为常见，极少实现创新实践的培养方式。在整个人才培养过程中，理论教学时数远远大于实践教学时数，同时，在有限的实践教学中又缺乏具备较强工程能力的教师队伍。由于参加过具体工程实践且具有经验的教师数量不足，难以保证高质量的实践教学，也难以培养出实际应用能力强于理论知识的实用型人才。
（3）能源动力类专业2021 年刚刚进入到接受工程教育认证申请的专业目录，国内越来越多的院校开始重视能源动力类专业的工程教育专业认证。目前按照工程认证的标准，存在着人才培养目标定位不准确、培养方案和培养目标考核不到位、毕业要求和课程目标不具体、课程体系不完善、课程结构不合理、实验课程设置不严格等需要改进的地方。
2018年6月，教育部在成都举办了改革开放40年以来的首次新时代全国高等学校本科教育工作会议。会议强调要坚持以本为本推进四个回归，加快建设高水平的本科教育。这次会议确定了新时期的本科教育的基本方针、发展路径和基本举措，也为我国的高等教育各专业教学改革指明了方向。沈阳工程学院新能源科学与工程专业深入贯彻会议精神，实施了专业改革，坚定以立德树人为目标任务，立足新能源动力产业实现双碳目标，贯彻“以学生为中心，学生的学习和未来发展成果驱动（OBE）”的教育理念，根据双碳目标关键技术要求，分解专业毕业生就业岗位所需要具备的知识、能力、素质，构建将学科素质教育、社会实践创造、通识教育及个人未来健康发展有机融为一体的培养体系，从以下几个方面进行了改革。
1.培养目标改革
培养目标是培养计划中的顶层定位。根据对碳中和愿景下能源动力行业人才需求的分析，结合学校办学特色和专业定位，充分征求行业企业专家意见，修订了本专业学生毕业5 年后预期达到的知识、能力、素质水平目标，并细化为专业毕业生应获得的12 个方面的知识和能力，其中包括：熟悉新能源科学与工程技术学科的基本理论与应用基本知识，并具有能够将先进的项目工程化方法、新能源技术与智能工具应用于新能源领域的工程设计和实施；
胜任新能源系统设计与仿真、控制技术与工程管理、产品开发试验与试制、新能源系统设备运行及维护等工作岗位，进而成为技术骨干；
在实际工程项目中能够按照专业和行业标准，同时兼顾社会环境和可持续性发展，综合多种因素做出方案的合理确定、评价和优选，并处理好与专业工作有关的问题；
在工程实践中能够主动承担团队角色并与成员有效沟通，具备科学思维方法、综合判断和决策能力，具备领导新能源工程项目团队的能力；
具备自主学习和创新意识，能够主动学习和跨文化交流，保证专业能力不断提升，以适应技术进步和时代发展；
能够运用相关的基础技术理论、学科知识和查阅相关文献书籍，化解能源经济和新能源行业的矛盾与问题，并取得相应成果。能够设计新能源系统、组件或流程，分析与解释数据，并通过信息综合以满足能源、能源行业、新能源行业包括预测和模拟等复杂问题的具体需求；
具有技术道德和专业素养，能够将能源、能源经济和新能源技术问题等多重知识应用于复杂的工程问题，并做到时刻学习、毫不懈怠、终身学习以适应社会发展。
2.培养模式改革
落实以学生为中心的教育理念，持续应用型人才培养模式的改革探索，以实现“双碳”为目标，积极对接产业转型升级，深度推进产教协同育人模式。目前，沈阳工程学院通过校企在培养方案制订、课程标准编制、课程教学讲授、实践教学指导、教学效果评价等方面的深入合作，强化学生工程应用能力的培养。
（1）立足当下、面向未来设计课程体系与课程内容，修订培养方案，重构培养体系。随着能源学科与相关研究的不断深入发展，以及碳达峰和碳中和目标的推进，我国的能源结构正在进行快速调整，能源方面的研究也越来越多地涉及新能源、材料、化工等相互交叉学科。面对这些新的发展趋势，有必要为学生打下扎实的学科基础，以适应快速变化的社会大环境。从本专业2020 级学生开始，增加了高数和大学物理的学时，同时增设大学化学课程为基础课。扎实的学科基础有助于本专业学生更好地适应社会变化，在读研、就业的选择上有更大的空间。另外，随着技术的进步，能源动力类专业知识在快速膨胀，有必要在传授经典理论的同时，加强对现代数值模拟工具的运用，将理论与实际操作结合起来。能源动力类专业课结合数值模拟研究手段，综合上课、实验、虚拟仿真三个角度以达到更好的教学效果，让学生能对复杂工程问题进行预测与模拟，并理解其局限性。在2020 级学生的培养体系中设置了PVSYST 软件、PLC 编程相关的建模仿真综合实践课程，实现创建和解决特定对象的数学和物理模型，运用基本技术知识和数学建模方法，识别和分析复杂技术问题。重点是培养学生用专业知识和数学建模方法，比较和整合新能源复杂技术问题的解决方案。借鉴这些新方法新科技，开展设计能力训练类教学，传授创新思维方式，培育学生的工程、科研思维能力。
（2）打破学科传统界限，以解决问题为导向更新专业课程，编制课程标准，课程教学中重点关注创新实践能力的提升。打通电气、能源动力、自动控制、AI 边界跨学科联合培养，实现众多的学科交叉，最终实现培养新能源动力领域的多元化、创新型工程人才，支撑整个新能源动力产业的同步发展。增设创新实践环节，创新实践培养模式，利用建立联合培养基地平台，完成技术转移和成果转化，并实施个性化创新教学以达到毕业生创新实践能力的提升。实践过程中着眼新能源系统、设备的设计与研发、生产和使用的全周期，设计满足特定需求的新能源领域系统方案，并在设计中体现创新意识。针对能源电力行业及新能源领域中复杂工程问题，恰当选择并有效使用设备、仪器、资源、专业仿真软件和信息技术工具。针对具体的能源电力行业及新能源领域问题开发课程，实现新能源系统的分析、计算与设计。同时有意引导学生的团队协作意识，能够在多学科背景下的新能源领域工作团队中完成好自己承担的角色，并具有组织、协调、管理能力，在新能源领域团队中有条不紊地分配任务、制定计划并实施。
沈阳工程学院新能源科学与工程专业课程模块的设置要与新能源电站生产环节对接，课程与岗位典型工作任务对接。课程模块化、实践课程项目化，分模块的实践能力培养对接新能源电力生产的全过程。能力模块对应专业核心的系统设计、控制、运行岗位和生产环节。为充分培养学生的实践能力，学院联合企业建设了教育部大学生校外实习基地、辽宁省新能源科学与工程实践教育中心，建设了国内第一座零耗能太阳能房屋，被省科技厅批准为“辽宁省新能源科普基地”。同时还拥有辽宁省光伏应用技术重点实验室、辽宁省光伏工程实验室、中欧太阳能房联合研究中心和新能源光电材料制备与分析辽宁省工程研究中心等实践教学平台。项目化的实践训练会把学生直接带入工程现场，实现讲练一体化教学，收到了非常好的教学效果。专业课程模块架构如图1所示。
图1 专业课程模块架构
（3）以工程人才培养为本，主攻“专业+课程+教师+质保”为核心指标，把工程教育理念和认证标准融入教学全要素、全过程，充分体现工程教育特征，以期培育出面向2030 的新能源工程师，支撑产业发展。沈阳工程学院新能源科学与工程专业定位服务能源电力行业新能源领域，将电气工程、自动化与新能源科学与工程的基础理论、专业知识与技能有机融合，培养具有较强的工程实践能力与创新意识，能够从事新能源工程设计开发、运行管理、检测控制等工作的应用型工程技术人才。围绕工程技术人才的培养目标，设定合理的毕业条件，建立合理的课程体系来完成培养方案的科学设计。以培养方案为核心，开展课程的双万建设和专业的双万建设计划。对于专业主要面向专业认证的12 个要点建设，对于课程建设主要包括名师团队、教材、在线的资源建设、教学方法的改革、教学内容更新、教育技术应用、教学效果评价与质量保障机制、课程思政等方面。注重加强实践与创新创业教育，通过校企共建实践教学中心、实践育人基地平台，完成实验课程改革创新、创新创业教育和学生科技竞赛，进一步完成包括虚拟仿真中心和社会实践的“金课”建设。把信息技术融入课程，基于信息技术构建课程教学新模式。充分利用信息技术，改造和升级传统的课程教学。通过线上线下结合的方式，开展混合式、翻转课堂等多种形态的课堂教学实践，提高课程教学中知识、能力和品格的达成度。学院采用外引内培的方式下大力气培养教师，进一步强化落实立德树人理念，积极构建高水平教师队伍。注重引导教师回归本分，把足够的精力用在本科生的教育教学上。学校和教师一起，引导学生回归常识，认真学习，让学生真正达到能够运用工程原理经过分析去解决实际问题。同时，全校上下提高教育质量意识，进一步完善现代教学理念，构建校—院—专业三级全过程质保体系，确保人才培养的高效与优质。师资队伍和质保体系建设为专业建设保驾护航。
综上，如图2 所示，沈阳工程学院新能源专业以人才培养方案为核心，开展理论和实践课程的“金课”建设。目前在沈阳工程学院新能源专业核心课中，建成了辽宁省一流本科示范课程2 门、辽宁省精品资源共享课1 门，出版了《风电原理与应用技术》《风电场运行与维修》《光伏发电系统设计与实证》《新能源并网技术》等6 部教材，形成了具有自己特色的专业课系列教材。新能源科学与工程专业目前是辽宁省一流本科教育示范专业，以后将继续加强建设，以期达到国家一流本科的标准。
图2 专业建设路径
双碳目标下，能源动力类专业需要打破固有的学科界限，以工程认证为抓手进行专业改革与建设，通过充分的工程实践，训练学生的工程思维、科学思维，培养适应能源动力科技和产业变革发展需要的创新型工程人才，为实现碳达峰碳中和目标提供人才保障。
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