“新工科”背景下能源類通識課程綜合實踐教學項目的探索

林蔚然，湯 彬，陳 凱，趙 萌，李雙壽

（清華大學 基礎工業訓練中心，北京 100084）

工科院校是培養社會主義現代化建設骨干人才和領軍人才的搖籃，其教學內容的相對滯后是阻礙先進技術快速實現推廣應用的主要因素之一[1]。工程教育如何使課程建設與時俱進，實現其與社會科學技術需求的協同發展，已成為教育界廣為重視的課題[2]。2017年教育部辦公廳發布《新工科研究與實踐項目指南》，明確提出了“新工科”教育應對變化、塑造未來的教學建設理念，要求根據工程技術最新發展構建面向“新工科”的工程實踐教育體系，推進基于成果導向的工科學生工程實踐能力培養[3]。我校對通識教育課程體系進行了不斷探索和思考，認為基于學習產出的定義、實現與評估成效的基準教育理念（OBE）適用于通識教育的課程設計[4]。

隨著信息技術的不斷進步，全球工業正加速進入4.0時代，信息技術已成為新一輪產業變革的核心驅動力，各領域技術創新的重要路徑之一就是與信息技術相結合。作為人類社會正常運行和發展的重要基礎保障，能源產業在自身發展迭代的同時，不斷與信息技術深入融合，如將信息技術用于數據中心節能，將信息技術應用于油氣勘探和開采，基于信息技術的虛擬電廠，以及將信息技術應用于太陽能發電及風能發電系統等。作為通識性能源技術課程，面對新形勢和新任務，應積極響應產業發展和國家需求，不斷深化能源類工程教育改革，應結合通識教育特點，合理更新和設置課程內容，實現人才培養目標[5-6]。

本文依據通識教育理念，以技術應用廣泛、技術模塊典型、裝置規模適中、展示性強的太陽能光伏發電裝置——智能追光光伏發電裝置——的實踐教學建設為例，從建設背景、建設內容以及考評方案設計三方面，深入探討了如何在傳統能源實踐教學中融入信息傳感、智能控制、電子電路、數控加工等多學科、現代化技術內容，如何在環環相扣的實踐教學設計中保證不同專業背景學生都能完成所有教學環節，以及如何從考評方案上激勵學生各展所長、協作互學、發揮創造性。本實踐教學項目已用到我校能源類通識課程“能源技術創新與實踐”中，教學反饋良好，是一種具有推廣價值的能源類通識課程實踐教學建設新思路。

1 智能追光光伏發電綜合實踐教學的建設背景

帶有智能追光模塊的光伏發電裝置的制備涉及多門專業課程知識。我校與此密切相關的課程包括太陽能光伏發電及其應用、可再生能源與未來電力技術、可持續發展的能源戰略、機器學習在能源動力工程中的應用、機電智能控制工程、智能控制、制造技術、電工與電子技術等十幾門課程。這些課程多以課堂講授為主，雖然其中一些課程安排有隨堂實驗，但其目的是加強學生對某一特定知識點的掌握。如何使學生將相對獨立的專業課知識進一步融會貫通、實現綜合運用，是“新工科”教育賦予每個專業教師的重要任務，也是構建與經濟社會發展需求相適應的實踐教學體系的必然要求[7]。

鑒于能源領域綜合工程實踐教學的重要性，不少高校的能源與動力工程專業對此進行了大量研究與探索。2015年，陸曉東等[8]介紹了光伏專業實踐教學體系的建設情況，闡述了依據實際產業中的崗位需求進行專業體系課程設置的理念，提出的具體實踐教學模塊包括晶硅片加工及晶硅電池加工、電池組封裝等，較全面地覆蓋了傳統太陽能光伏電池的制造技術。李媛等[9]將電氣實踐與新能源實踐相結合，開發了全開放式新能源實驗平臺，針對新能源的發電特性及并網技術設計了獨具特色的實踐教學模塊。袁小平等[10]研制了包括光電轉換、風電轉換、光熱轉換三部分內容的綜合演示實驗平臺，能夠很好地演示新能源轉化和利用的過程及原理，更直觀、生動地實現教學目標。鄧清華等[11]圍繞能源產業的發展趨勢和人才需求，建設了綜合性多能互補分布式能源系統實驗平臺，涵蓋熱力系統設計與測試、熱力調度控制以及熱力設備教學演示等技術模塊，為能源動力專業及相關專業學生提供了教學、項目設計及科研創新平臺。宋關羽等[12]集成了風力發電和光伏發電、蓄電池儲能及可控負荷等產—儲—用一體化微電網實驗平臺，取得了較好的教學效果。

綜上，這些能源技術領域的綜合實踐教學項目具有較高的知識深度，較適于配合專業課開展，而不大適用于通識教育。而且這些已有的實踐教學項目大多側重能源系統及電網技術，以智能追光模塊的光伏發電裝置作為實踐教學項目的探索不多。近年來，太陽能光伏發電效率不斷提升，發電成本持續降低，裝機容量不斷增加。太陽能被普遍認為是最有潛力取代化石燃料成為社會主能源的可再生能源，開展光伏裝置的實踐教學具有現實意義。此外，以太陽能光伏發電裝置為實踐項目，可以將所涉及的數控加工、電子電路、人工智能等實踐技術有機地串聯起來，使學生在項目規劃驅動下很好地掌握所涉及的諸多知識點。

2 智能追光光伏發電綜合實踐教學的建設內容

智能追光光伏發電綜合實踐教學項目是我校通識選修課“能源技術創新與實踐”的一部分，設計8個學時完成。結合通識教育的課程設置理念，以技術融合與學科交叉為指導思想，以智能追光光伏發電裝置為最終產出，以學生依項目需求進行自主探索為基礎，確定了面向能源類通識課程的智能追光光伏發電裝置綜合實踐內容體系，如圖1所示。

本綜合實踐包括8個環節，要求學生以太陽能光伏發電裝置為基礎，以智能追光模塊為必選疊加功能，以數據顯示模塊、電流電壓測試模塊、溫度測量模塊、整流限流模塊、工作狀態指示模塊等為可選疊加功能，各學生小組要自主完成從背景調研、產品設計、工藝設計、機械結構設計與加工、電子電路設計與連接、程序設計與編制、產品組裝與性能測試優化以及項目結題與成果展示的整個工程制造過程。在每一個實踐環節的內容設置上，兼顧了綜合實踐的主線內容及其與相關專業課程知識的融會貫通。針對各實踐環節，設置了相應的考核內容，指導教師將在一定的時間節點對學生實踐任務的完成情況進行考查和評定，督促他們按時保質完成綜合實踐項目。

圖1 面向能源類通識課程的智能追光光伏發電裝置綜合實踐內容體系

值得注意的是，與通常的認知性、驗證性實踐項目相比，智能追光光伏發電綜合實踐的內容較多，且所含的8個實踐環節相互關聯。因此，如何保證學生在規定的時間內完成實踐內容，從而確保各學生小組順利完成整個綜合實踐項目，是該教學項目實施需重點關注的問題。此外，實踐項目的完成不應作為加給學生的強制任務，而應充分激發學生的學習熱情，發揮其學習主動性。為此，教學團隊根據多年教學經驗與學生反饋，在課程設計中采取了以下三項激勵與保障措施。

（1）根據實踐環節內容安排及工作量大小，將個人操作與團隊協作相結合，提升每個學生的專業實踐能力和團隊協作能力。其中，產品三維設計、產品功能拆解、機械結構設計以及產品功能效果檢測4個環節的大量工作需要軟件操作及小組討論，因此每名學生都應有獨立的作品提交。而機械結構加工、電子電路設計與連接、控制程序設計與編制以及裝置組裝與調試4個環節則涉及具體加工和裝配技術，難度相對較高、工作量較大，因此實行一名組員負責、其他組員協助的合作模式。同時，要求小組成員至少作為 1項實踐環節的負責人，各小組成員產品的貢獻度會體現在期末成績中。

（2）在每個課程環節都為學生提供標準件，以確保各學生小組都能夠按照教學計劃完成實踐內容。如在電子電路設計與連接環節，提供標準設計的 UNO R3電路板（見圖2(a)），學生可在此基礎上進行最基本功能的電路連接。而在基于Arduino平臺的控制程序設計與編制環節，則為學生提供可實現最基本追光功能的程序代碼（見圖 2(b)）。由于通識課所面對的往往是非專業學生，提供這些標準件能夠保證部分專業相距較遠、相關基礎知識較薄弱的學生小組能夠跟上實踐課進度，完成所有環節的學習。

（3）針對部分學生追求卓越的需求以及近專業學生學有余力的情況，本實踐教學內容設置中還提供了附加功能選單，可對項目挑戰度做一定程度的提升。可選的附加功能項目包括電動抽水模塊、電機控制模塊、數據顯示模塊、電流/電壓測試模塊、溫/濕度測量模塊、傳感器模塊及工作狀態指示模塊（見圖 3）等。這些模塊的選擇會使整個光伏發電裝置，在機械結構、電路設計和程序編制上增加一定的復雜度，但經評估都處在學生跳一跳能實現的范圍。所列功能選單只供學生參考，同時鼓勵學生根據本小組的知識結構和技術特長，自行添加更有創意的功能模塊，從而呈現有特色、有創新性的太陽能光伏發電裝置產品。

圖2 綜合實踐教學過程中提供的標準件

圖3 智能追光光伏發電裝置的可選附加功能模塊

值得一提的是，這些附加功能的實現均可通過在所提供的標準件基礎上進行擴展和修改來完成。如圖2(a)中所提供的Arduino UNO R3電路板，通過接線的合理規劃，可實現功能模塊的電路接入。對電子電路有特殊需求或者特殊興趣的小組，可利用課程配套的課外學時在電子工藝實驗室自行“量身定做”電路板。對于圖 2(b)所提供的標準程序，各小組業可根據附加功能的設計要求，自主對程序相應功能語句進行修改并進行調試迭代。這些活動使學生對裝置的技術內涵有了更深入的理解和掌握。

3 綜合實踐教學考評的多維度及梯度式方案設計

為了充分發揮每位選課學生的專業知識特長，激勵他們深度參與動手實踐，提升工程思維和實踐能力[13-14]，本實踐教學設計了三個維度的綜合考評方案，包括課堂表現、展示匯報及產品完成情況。

課堂表現占比為20%，由每個實踐環節的指導教師針對每位學生的課堂表現給出考評成績，主要考核點是學生的學習態度和課堂參與度。由于整個綜合實踐以工程項目方式管理，旨在使學生對工程項目的全流程有所了解和體驗，因此展示匯報占比為30%，包括開題報告和結題報告兩部分，均以小組為單位進行，要求完成演示文稿答辯并提交報告文檔。其中開題報告包括產品應用背景、設計思路、預期成果、創新點、小組分工、工程任務拆解、進度管理及成本預算等內容，目的是確保學生在準備開題報告過程中可以對整個項目進行深入思考和規劃。在項目產品整體完成后，要求學生針對開題報告中各項內容的落實情況進行展示，并對完成項目過程中遇到的問題進行討論和總結。

產品完成情況占比為50%，在學生總成績中舉足輕重，同時這部分的考評方案應對學生參與的主動性和小組產品的創新性具有激勵作用。為使30%~50%的學生能在完成必選追光模塊功能的基礎上，自主挑戰更有難度的實踐項目，考評中計入自選功能模塊的完成情況，并對產品整體完成情況設置了梯度式的考核評價標準，如表1所示。梯度式考評規則中相鄰檔的分值差距為總分的10%，對學生有較好的激勵效果，普遍認為這種考評方式有助于推動學生在有限的學時內得到更大收獲。

表1 智能追光光伏發電綜合實踐產品完成情況梯度式考評標準

4 結語

在對高校能源技術綜合實踐教學現狀進行調研分析基礎上，根據教育部及我校對工科教育的最新要求，對學生在能源技術類通識課程實踐學習過程中的“產出”內容、實現方法及評估標準進行了思考和驗證。以太陽能光伏發電實踐教學為例，提出了以智能追光光伏發電裝置為教學產出，以能源技術、電子電路技術、智能控制技術等綜合實踐技術為實現方法的綜合實踐教學項目，并提出多維度、由學生自主選擇的梯度式考評標準。教學實踐表明，該綜合實踐項目可使不同專業背景的學生，在工程實踐能力、分析和解決問題能力以及理論聯系實際能力方面得到提升，從而有效提高實踐教學質量。課程團隊將通過教學反饋不斷迭代優化面向通識教育綜合實踐的內容設置、教學方式方法、過程監控以及考核標準，使我們的綜合實踐教學模塊為培養兼具專業知識、創造性思維及溝通協作能力的復合型人才做出更多貢獻。