碳中和及新工科背景下新能源專業(yè)的教學改革探索

肖 媛，崔國民，陳家星，應 芝

（上海理工大學能源與動力工程學院 新能源科學與工程研究所，上海 200093）

在2020年9月22日的第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上，習近平總書記提出了“2030年實現(xiàn)碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和”的目標，這兩個目標不僅是我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)美麗中國目標的重要抓手，也是我國履行大國責任、推動構(gòu)建人類命運共同體的責任擔當。2021年，中共中央國務院提出了關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見，指出應加快構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系，積極發(fā)展非化石能源，堅持集中式與分布式并舉，優(yōu)先推動風能、太陽能就地就近開發(fā)利用，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，提高電網(wǎng)對高比例可再生能源的消納和調(diào)控能力。因此，高等院校如何最快地適應國家新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，保障新能源專業(yè)人才能夠滿足新能源領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 新能源專業(yè)的人才培養(yǎng)模式

為主動應對碳達峰、碳中和目標下的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，高等院校正積極探索相關(guān)本科專業(yè)的教學新模式[1]，以新工科建設[2]為抓手，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[3]。上海理工大學以建設特色顯著的國內(nèi)一流理工科大學為目標定位，以建設成為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步的創(chuàng)新型大學為發(fā)展愿景。在新工科建設背景下，發(fā)展新能源科學與工程特色專業(yè)，培養(yǎng)適應國家發(fā)展戰(zhàn)略的卓越工程人才，是實現(xiàn)學校目標定位和發(fā)展愿景的有效途徑之一。新能源科學與工程專業(yè)是2010年經(jīng)教育部批準設立的全國首批高等學校戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)本科專業(yè)，依托在能源與動力工程領(lǐng)域堅實的研究基礎，已在太陽能、生物質(zhì)能、天然氣水合物、氫能、海洋風能等新能源的開發(fā)利用、系統(tǒng)集成方面形成了獨特的人才培養(yǎng)優(yōu)勢。

在國家推進實現(xiàn)碳中和目標的背景下，以新工科建設要求為抓手，以學生為中心[4]，改革教學方法和考核方式，不斷提升新能源科學與工程學生的實踐能力、綜合素質(zhì)、探索精神、科學思維和創(chuàng)新能力[5]，對實現(xiàn)新能源領(lǐng)域創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標具有重要意義。目前專業(yè)開設的與新能源開發(fā)利用和系統(tǒng)集成相關(guān)的課程包括：必修課程《新能源理論基礎》《新能源裝備系統(tǒng)集成技術(shù)》《熱力設備及系統(tǒng)優(yōu)化》《風力機原理與設計》《核反應堆工程》《氫能與新型能源動力系統(tǒng)》《太陽能光熱光電利用技術(shù)》；選修課程《泵與風機》《生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化與利用》《熱力發(fā)電廠》；以及《新能源專業(yè)實驗》《專業(yè)課程設計》等工程實踐類課程及畢業(yè)設計。其中，《新能源理論基礎》《新能源裝備系統(tǒng)集成技術(shù)》《專業(yè)課程設計》是掌握新能源科學與工程的基礎理論、專業(yè)技能和工程實踐能力的關(guān)鍵課程，以這三門課程為例，探索碳中和目標下的教學內(nèi)容及考核方式的改革，對探索新能源專業(yè)的教學改革具有重要的參考價值。

2 新能源專業(yè)課程教學內(nèi)容的改革

從教學內(nèi)容上，專業(yè)核心課程應緊跟國家發(fā)展戰(zhàn)略需求，將實現(xiàn)碳中和目標的意義、技術(shù)難點、實現(xiàn)途徑融入課程教學環(huán)節(jié)，在與其相關(guān)的理論基礎、裝備系統(tǒng)集成、工程實踐、系統(tǒng)設計等課程中加入與碳達峰、碳中和相聯(lián)系的內(nèi)容，使新能源科學與工程專業(yè)的學生能夠掌握新能源科學與工程的科學前沿、發(fā)展狀況與趨勢，系統(tǒng)地掌握本專業(yè)的基礎理論、專業(yè)技能和工程實踐能力，具備本專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)裝備與系統(tǒng)的創(chuàng)新設計能力。

2.1 《新能源理論基礎》

《新能源理論基礎》概述了新能源基本概論以及主要的新能源形式（太陽能、風能、核能、生物質(zhì)能、天然氣水合物、氫能利用技術(shù)、地熱能與海洋能）利用技術(shù)，其教學內(nèi)容改革可分為以下兩點：

（1）在新能源基本概論中介紹新能源對于實現(xiàn)碳達峰、碳中和的重要意義，使學生認識到碳達峰、碳中和的必要性及可實現(xiàn)途徑，了解新能源開發(fā)利用與國家社會、經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)聯(lián)，明確作為新能源專業(yè)學生的使命，努力成為新能源科學與工程領(lǐng)域工程型、應用型、創(chuàng)新型高級人才。

（2）增加分布式能源系統(tǒng)的介紹，學生可自主選擇新能源形式，通過《新能源理論基礎》課程的學習能夠構(gòu)建新能源系統(tǒng)的基本流程和實現(xiàn)方案，為后續(xù)專業(yè)類課程的深入學習奠定基礎。

2.2 《新能源裝備系統(tǒng)集成技術(shù)》

《新能源裝備系統(tǒng)集成技術(shù)》基于前期學習的太陽能熱/光伏發(fā)電、風力發(fā)電、氫能制備與利用等新能源系統(tǒng)的設計優(yōu)化，使學生掌握系統(tǒng)優(yōu)化方法及新能源系統(tǒng)集成的基本知識，理解經(jīng)典系統(tǒng)優(yōu)化方法，能夠熟練運用于新能源系統(tǒng)設計優(yōu)化過程。在碳中和背景下，新能源裝備系統(tǒng)集成技術(shù)是提升能源利用率、提高能源系統(tǒng)效率的必然途徑之一，其教學內(nèi)容改革可從以下兩個方面入手：

（1）優(yōu)化教學內(nèi)容配比，合理分配最優(yōu)化方法、新能源系統(tǒng)設計與優(yōu)化以及分布式能源系統(tǒng)設計與優(yōu)化的課時，協(xié)調(diào)前兩部內(nèi)容和其他課程的重合部分，使學生能夠真正全面地掌握分布式能源系統(tǒng)的設計和優(yōu)化。

（2）增加新能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)（熱力發(fā)電廠、冷熱電三聯(lián)供）的結(jié)合分析，使學生能夠真正地將所學知識與工程實踐相聯(lián)系，為學生將來從事能源系統(tǒng)改造或新能源系統(tǒng)工程方面的工作奠定基礎。

2.3 《專業(yè)綜合課程設計》

《專業(yè)綜合課程設計》旨在培養(yǎng)學生的新能源裝備設計能力，使學生掌握各類新能源裝備設計的基本方法和步驟，具備創(chuàng)造性地設計新能源專業(yè)設備的理論和實踐基礎。近三年新能源科學與工程專業(yè)的綜合課程設計主要包括：管殼式煤油冷卻器的設計、固定床生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的設計、夾套式天然氣水合物反應器的設計、核反應堆熱工設計這4類，尚未涉及多能互補的新能源系統(tǒng)的設計及集成。

因此，增設多能互補的新能源系統(tǒng)的設計和集成，使學生能夠獨立地設計風光儲一體化的分布式供能系統(tǒng)，掌握計算、模擬、優(yōu)化的基本方法，培養(yǎng)具備新能源科學與工程專業(yè)創(chuàng)新實踐能力的高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才。

3 新能源專業(yè)課程考核方式的改革

為了進一步適應碳中和目標下新能源科學與技術(shù)卓越人才的培養(yǎng)需求，從考核指標、考核方式上應更注重對學生掌握新能源系統(tǒng)的整體設計及優(yōu)化的考核，使學生能夠獨立完成新能源裝備系統(tǒng)的設計和集成。

課程的考核方式應更加多元化，除了考試之外可增加與學生的互動，例如學習報告、作品展示或翻轉(zhuǎn)課堂，實時了解學生對新能源領(lǐng)域科學與技術(shù)的理解程度，使學生在掌握新能源領(lǐng)域基本概念、基本理論、基本計算的基礎上，訓練提高思維能力、創(chuàng)新能力、自主學習能力及實踐和解決問題能力。

對于《新能源裝備系統(tǒng)集成技術(shù)》，前期課程的考核要點主要包括：（1）系統(tǒng)集成、新能源裝備和最優(yōu)化等基本概念及優(yōu)化問題剖析，占比35%；（2）經(jīng)典最優(yōu)化方法理論及其運用于新能源系統(tǒng)設計優(yōu)化，占比50%；（3）優(yōu)化方法在分布式能源系統(tǒng)設計優(yōu)化中的運用，占比15%。課程的考核內(nèi)容仍比較偏重于系統(tǒng)集成理論和方法，對于系統(tǒng)集成技術(shù)在新能源系統(tǒng)的應用考察不夠充分；在對新能源裝備系統(tǒng)集成的考核中，更加側(cè)重學生對于新能源系統(tǒng)的基本概念的認識和理解，尚未正式考察分布式能源系統(tǒng)的設計與優(yōu)化過程。因此，從考核方式上，新能源裝備系統(tǒng)集成技術(shù)應更加側(cè)重學生對新能源系統(tǒng)設計能力的考察，使學生具備分布式能源系統(tǒng)設計、模擬、優(yōu)化的實操能力，能夠掌握新能源裝備的基本原理、類型特點、設計計算、基本優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文探索了碳中和及新工科背景下新能源專業(yè)的教學改革，為新能源專業(yè)的人才培養(yǎng)提供了教學內(nèi)容、考核方式方面的參考。通過在新能源專業(yè)課程中針對性地闡述“碳達峰”“碳中和”與新能源專業(yè)的關(guān)系，激發(fā)學生的學習興趣，提升學生的使命感；在專業(yè)課程及課程設計中增設分布式能源系統(tǒng)的設計和優(yōu)化，能夠使學生在理論和實踐層面深入地掌握新能源系統(tǒng)的基礎理論知識，提升實際動手能力和創(chuàng)新設計能力?？傊?，應該從課程設置、考核內(nèi)容、考核方式等方面關(guān)注學生對于新能源系統(tǒng)的實際理解和設計能力，不斷提升新能源學生的專業(yè)素養(yǎng)，從而適應社會節(jié)能減碳對于新能源專業(yè)人才的需求。