新工科視野下能源化學工程專業創新型人才培養體系構建

王淑勤，李金夢，劉麗風,苑春剛

(華北電力大學 環境科學與工程系，河北 保定 071003)

當前，我國以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，相比于傳統工科人才，新經濟發展迫切需要創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具有跨界整合能力和創新創業能力的工程科技人才，探索個性化和多元化的人才培養模式[1-3]。基于我國能源戰略新需求、人才培養新形勢、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培養高素質人才的重要歷史使命。為適應國家清潔能源發展需求和能源電力行業未來發展，解決我國目前傳統煤炭行業、電力企業面臨的發展問題，在大學整體規劃下，依托環境工程、應用化學兩大學科優勢，于2011年建立能源化學工程專業。經過8年的建設和實踐，能源化學工程專業已經構建了以新工科為導向的人才培養體系。在專業建設和教學實踐過程中逐漸形成了以“能源清潔利用與轉化”國家需求為人才培養目標的課程體系、教學團隊、實習實訓和創新創業的特色教育教學模式[7]。打破傳統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養成三維并重的課程體系，創新性構建具有目標導向的課程群和創客團隊，建設了基于創新能力培養的校內實踐平臺和基于行業職業發展的校外實習基地，實現了專業基礎知識學習、專業技能鍛煉、創新能力培養和優秀成果產出的有機銜接[8-9]。

1 能源化學工程專業創新型人才培養現狀

我國社會經濟迅猛發展，一躍成為世界第二大經濟體，對能源需求急劇增大，能源清潔利用與可持續發展成為了國家戰略層面亟需解決的重大戰略問題。培養高素質、創新型的能源化學工程專業人才是解決國家未來能源發展的重要基礎。然而，目前我國能源化學工程專業的課程設置、教材建設、培養模式等多以傳統的“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模式。從培養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、培養方案不完整。傳統的課程體系缺乏完整性，教學內容比較陳舊，各學科之間聯系不夠緊密，不能體現新工科"學科交叉融合"的特點，無法實現不同知識點、不同學科之間的整合[10]。學生的自學能力、創新能力、思維擴展能力都有待加強。

(2)實踐環節相對弱化，不能落實到位。很多高校工科專業實驗室設備單一，實驗基地不足，導致學生實戰經驗缺乏。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、科研平臺上呈現碎片化，限制了學生在實踐過程中創新能力及解決復雜問題能力的培養。

基于以上問題，為滿足新工科背景下創新型人才培養的需求，培養出具有團隊合作意識、創新創業意識、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實驗教學改革的舉措，提出新工科創新型人才培養設計思路。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、實現全過程育人。

(2)面向我國重大能源戰略需求和行業發展人才需求，創建具有能源電力特色的創新型人才培養模式。

(3)打造具有行業特色、創新導向的課程體系。

(4)建設以技能培養和實際工程應用的實驗中心及實習實訓基地。

(5)實現科研教學良性互動，啟發培養學生專業認同感、創新創造能力和追求卓越意識。

2 完善以工程創新能力為核心的教學體系

2.1 強化新工科理念，實現了全過程育人

教育教學各環節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操守。讓學生在學習專業知識的過程中，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節，涵蓋專業概論課中的職業規劃指導、專業課中傳統文化自信和技術改造中責任擔當意識的培養、創新實驗中自主創新和攻堅克難永不放棄的工匠精神培養、課程設計以及畢業設計中社會責任感的培養等全過程，形成了全過程育人的培養機制[11]。

2.2 創建具有行業特色、創新導向的教學體系

為實現設定的人才培養目標和課程教學目標，必須以恰當的方法完成實踐課程的學習，在傳統的實踐教學模式中，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，以科學的方式發現問題，分析問題，解決問題的全過程。打破了傳統教學模式下教師對科研的壟斷，在實踐環節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，配合課外創新實驗內容持續改進，更注重讓學生自主研究，自行設計實驗方案，促進學生創新能力的發展。自學輔導、案例教學、仿真模擬、啟發教學、PBL教學等研究性教學模式配合課堂派、MOOC等網絡資源可以提升課堂教學效果，全面貫通知識點，實現從重視知識的傳授、智力的培養向重視能力培養的轉變，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變[12-13]。利用仿真教學及動態模擬，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、全固態鋰離子電池材料、生態修復等功能材料開發，超級電容器的電極材料和固態電解質研制，產氫技術、質子交換膜的研究以及數控機床、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、創新能力，同時也增強了學生就業競爭力。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 創建具有鮮明能源電力特色的創新型人才培養模式

根據能源電力的人才需求，經過8年的建設、改革與實踐，構建了我國能源化工專業中獨特、完備的創新人才培養模式。通過課程內容優化、教學方法改進、實踐環節持續改進、構建課程群和科教深度融合，實現完整、連貫、符合學生成長規律的人才培養模式。通過“一個中心，兩個體系，三個模塊，四個課程群、五個創客團隊”的實施方案(見圖2)，采用了問題教學、案例教學、啟發教學等以學生為中心的新的教學理念，培養“厚基礎、精專業、強應用、能創新”的復合型人才。

圖2 能源化學工程專業改革實施方案

圖3 多層次實踐教學體系

圖4 專業課程群的構建

圖5 五大創客團隊

“一個中心”是以兼具學科專業“新結構”，人才培養“新模式”，工程教育“新質量”的創新型人才培養為中心；“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、拓展五大素質培養貫穿各個教育教學環節，培養正確的人生觀、價值觀和世界觀，厚植愛國主義情懷和專業擔當意識；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。“三個模塊”為“公共基礎課”、“專業基礎課”、“專業課”的課程模塊，各個模塊相互依托、協調，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性，逐步構建完整的知識體系[15]。根據課程內容和領域構建“四個課程群”，如圖4所示，分別為“化石能源轉化與利用”、“能源電力與化工環保”、“功能材料開發與評價”、“儲能材料及新能源轉化”。“四個課程群”的構建實現專業課程教育的模塊化，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。“五個創客團隊”(見圖5)為“煤及生物質轉化與應用”、“環境友好型材料開發及水質凈化”、“新型儲能材料及新能源轉化技術研發”、“功能材料開發及高品質產品回收利用”、“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，通過創客團隊引領學生在低、中年級即進入相關課題研究，培養科研興趣，帶著問題聽課堂，達到激發學習興趣、培養創新意識的雙重目的。

2.4 創新型實驗平臺構建推進教學改革

結合科研和大學生創新實驗的研究成果，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套具有中試規模的試驗系統；“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套具有小試規模的試驗系統和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出，科教融合成效顯著。同時結合本科畢業設計開發了多套仿真教學軟件，先后增設了 3門仿真實踐教學內容，形成了華北電力大學能化專業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在開展教學改革后，在創新型人才培養方面取得優良成果，產出了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培養了大量創新型優秀人才。成果已經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高校的認可，產生了重要影響。

4 結束語

華北電力大學作為能源電力行業類高校，在新工科建設方面做到專而深，力求把能源化學工程專業打造為有特色、有深度的專業。在新工科背景下從綜合素質培養、課程體系構建、實驗平臺建設等方面推進教學改革，培養創新型人才。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，培養學生的創新能力、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以及創新精神與創新能力的提升。