新工科背景下的新能源專業實踐教學模式探討

文 | 譚劍鋒，陳捷，薛慧芳，孫后環

高等教育發展水平是一個國家綜合實力的重要標志。國家推動創新驅動發展，實施“一帶一路”“互聯網+”等重大倡議和戰略，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，同時也對工程科技人才提出更高要求，迫切需要加快工程教育改革創新。高等學校需要采用先進的工程教育理念，加強新工科背景下培養學生解決復雜工程問題的能力，更加重視實踐教學環節。為此，南京工業大學新能源科學與工程專業從實踐教學課程規劃、課程體系設置、教學內容、授課形式、課外實踐活動等多方面加強對學生解決復雜工程能力的培養。

專業背景

南京工業大學具有百年辦學歷史，是首批入選國家“高等學校創新能力提升計劃（2011計劃）”的14所高校之一，是國家首批深化創新創業教育改革示范高校和全國高校實踐育人創新創業基地。從辦學特色出發，經過充分調查研究，基于資源共享、優化匹配的原則，以本校機電控制工程學科群為依托，聯合化工機械、機械工程及自動化等學科資源，從2008年開設風能與動力工程專業方向。風能與動力工程本科專業于2010年申請獲批，2011年開始招生。2013年，國家對專業目錄進行統一調整，專業名稱改為新能源科學與工程。經過近幾年的大力投入和發展，以及對新能源領域人才需求的充分調研，更加明確培養目標，并對培養方案不斷修訂完善，形成較為穩定的課程體系。在新工科背景下，不斷地強化本專業的優勢和特色，將教師科研成果恰當地融入本科生的培養中，更加注重培養學生的工程實踐能力，不斷探索實踐教學培養模式。

圖1 新能源科學與工程專業基本情況

實踐課程規劃思路和建設

一、實踐課程規劃思路

根據本校人才培養的目標定位，深入調研社會需求與學科發展，參考《高等學校理工科學科專業指導性規范》和“工程教育專業認證”通用標準與行業補充標準，確定培養從事清潔能源生產、新能源開發利用、能源環境保護以及新能源裝備設計與制造的跨學科復合型人才。為此，于2015年修訂了南京工業大學新能源科學與工程專業培養方案和課程體系。本專業實踐類課程貫穿本科教學始終，加強在素質教育、實踐創新方面的培養，促進素質、能力、知識協調發展。

二、實踐教學建設

1. 優化課程關系，構建遞進式實踐課程體系

根據新能源科學與工程專業的培養目標，采用遞進方式逐步提高學生在工程實踐方面的能力。為此，建立基礎課程和專業課程實驗的知識型實驗教學環節，工程訓練和生產實習的生產型實踐教學環節，學科基礎課程設計和專業課程設計的設計型實踐教學環節，以及新能源工程綜合實訓和畢業實習的綜合型實踐教學環節，從而培養在問題分析、設計/開發、團隊溝通等方面的能力，形成從簡單到復雜的工程實踐能力培養模式。

（1）知識型實驗教學環節

知識型實驗教學環節包括基礎課程和專業課程實驗。基礎課程實驗涵蓋自然科學和工程基礎類課程，如大學物理、材料力學等課程。通過此類課程實驗加深學生對實驗現象和理論知識的理解。專業課程實驗涵蓋風力發電原理、風電機組設計與制造、太陽能利用技術等專業課。通過此類課程實驗加深學生對新能源技術的理解，同時通過增加綜合性實驗提高學生的創新能力。比如在風力發電機組性能實驗中要求學生設計實驗過程，并搭建實驗線路，測量發電功率，分析風力發電機組性能特性，提高學生對風力發電技術的理解和實踐動手能力。

（2）生產型實踐教學環節

生產型實踐教學環節涵蓋工程訓練和生產實習。通過工程訓練讓學生掌握新能源裝備涉及的機械零部件加工流程和工藝，如增速器的主軸加工流程和工藝要求等。工程訓練要求任課教師根據教學大綱的要求，先講授相應的理論課，再安排學生進入“現代裝備制造大學生工程訓練中心”進行現場實習。工程訓練的目的在于增強學生在機械制造領域的感性認識，激發其求知與創新欲望，培養學生的機械零件工程實踐能力，為后續新能源裝備理論課程的學習奠定基礎。

圖2 實踐教學課程體系

圖3 風力發電原理課程實驗

生產實習教學中創造性地構建企業高級工程師進校講解與現場實習指導相結合機制，提高學生對新能源裝備制造主流技術的理解和掌握程度，更好地在實習過程中發現問題，激發在工程技術和工程實踐方面的創新點，讓學生更全面了解新能源裝備領域的研發設計、生產制造、安裝與檢測等過程，為后續新能源裝備設計類課程奠定機械制造領域的知識體系。如在齒輪箱制造實習環節，通過高級工程師講解齒輪箱的設計思路、設計流程和加工工藝要求，并現場學習從基本材料到齒輪機加工和熱處理等加工工藝、再到齒輪箱整體裝配與檢測等全流程，更深入掌握實際齒輪箱的設計、生產制造、安裝與檢測流程。

（3）設計型實踐教學環節

設計型實踐教學環節涵蓋學科基礎課程設計和專業課程設計，如機械設計基礎課程設計、風力機空氣動力學課程設計、風電機組設計與制造課程設計等。通過課程設計讓學生綜合使用理論課知識，培養學生在新能源領域復雜工程問題的分析與研究、設計/開發解決方案、信息檢索等方面的能力。以此三門課程設計為平臺，加強風力發電機組中機械部件設計、風力機空氣動力學技術及風力發電機組部件設計技術的應用，對風力發電機組進行一次較全面的模擬設計訓練。

（4）綜合型實踐教學環節

綜合型實踐教學環節包括新能源工程綜合實訓和畢業實習。新能源工程綜合實訓在各新能源企業進行，通過在生產一線實際鍛煉，進一步加深學生對新能源裝備的理解和對復雜工程實際問題的分析能力。比如由企業工程師講授風電機組裝配流程和工藝要求，并按照風電機組總裝車間作息時間，在工程技術人員的指導下，全程跟蹤風力發電機組的總裝，從而更加深入理解變槳距系統、傳動系統、偏航系統、剎車系統等的安裝與調試等環節。隨后深入風電場，通過工程師的現場講解和討論，學習風電場日常運行、遠程監測、保養與維護等方面的知識，了解風電設備運行與管理模式。

圖4 實踐課程指導書

畢業實習則在新能源企業和校內同時開展。校內實習內容包括風電機組主要部件的拆裝，幫助解答畢業設計過程中有關風電機組的疑問。校外實習依托實踐教學基地進行，每個同學記錄畢業設計過程中碰到的新能源裝備工程問題，通過與企業工程師現場實際溝通，加深對實際設計與制造過程中的解決措施理解，從而讓畢業設計更加符合新能源裝備的實際要求。

2. 加強實踐能力培養，優化實踐課程授課方式

理論替代不了實踐，但實踐可以完善理論，因此，本專業適當減少理論課的學時，調整部分課程內容的授課方式，將部分純理論的課堂教學轉變為結合實際的現場教學，讓學生對新能源裝備增加感性認識。比如在風力發電組原理課程中，將部分風電機組結構課堂教學轉為在新能源科學與工程綜合實驗室的大型變槳距風電機組模擬試驗系統平臺上進行授課，通過對大型風電機組結構現場講解，讓學生更加直觀理解大型水平軸風電機組基本結構和動力傳遞路徑，從而把枯燥的理論課程轉化為生動活躍的實踐課程。

此外，還提高了綜合性、創新性實驗所占的比重，鼓勵教師將一些成熟的研究成果轉化為實驗教學項目，以開放性實驗形式對學生進行實踐訓練。比如基于教師承當的風電機組回轉支承系統監測項目，將項目中復雜的內容簡化為適合于本科實驗教學的風電機組監測與控制實驗，分析偏航系統控制目標，讓學生分組設計偏航控制流程，利用PLC語言編寫偏航控制編碼，并導入到大型變槳距風電機組模擬試驗系統，進行實際操作驗證，從而讓學生更直觀理解風電機組的控制，鍛煉學生在解決風電機組復雜控制系統的能力。

3. 豐富實踐教學形式，開展優秀本科生導師制

圖5 新能源綜合實踐教學

開展第二課堂和創新活動，增設菁英人才班，進行素質拓展與創新培養，鼓勵學生按照個性發展，以多樣化的實踐教學形式培養學生在工程實踐方面的能力。素質拓展途徑包括參加科技創新及競賽、開展社會調查、參與教師科研工作等多個方面。為充分挖掘優秀本科生的發展潛力，實施“優秀學生導師制”措施。從大學二年級開始，鼓勵優秀學生加入各新能源科研團隊，為他們配備專業指導教師，指導開展各種形式的實踐研究活動。比如部分新能源專業的學生利用課余時間學習風電機組系統檢測技術，在專業教師的指導下開展基于LabView的風電系統檢測平臺，實現對風電機組齒輪箱的檢測。

圖6 大型變槳距風電機組模擬試驗系統實驗

圖7 風電系統檢測平臺

此外，大學生實踐創新項目和大學生實踐創業項目的設立，激發學生創新、創業的積極性，創新項目的申請、評審、考核和鑒定與科研課題運作模式一致，由新能源專業導師指導學生撰寫申請書，開展相應創新實踐活動，培養學生創新意識和創業精神。

總結

根據新工科背景下對新能源領域的人才要求，建立與之匹配的培養目標，確定實踐教學環節對培養目標的支撐關系，培養學生在解決新能源領域復雜工程方面的能力。通過從知識型實驗教學環節、生產型實踐教學環節，到設計型實踐教學環節，再到專業綜合實踐教學環節，實現從簡單到復雜，以遞進式的實踐教學體系培養學生的工程實踐能力。同時，通過優化實踐教學授課方式，開展優秀本科生導師制度，加強實踐能力的培養。為評價實踐教學效果以及對各實踐教學環節的持續改進，將逐步開展基于OBE評價體系的實踐教學環節評價，通過對各教學環節質量監控和評價，并反饋與各實踐教學環節，努力提高實踐教學質量和學生的工程實踐能力。