淺談當前形勢下如何開展氫能專業人才培養

李蘊琪

（北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京 100191）

引言

氫（H）作為元素周期表中排名第一的元素，可以形成世界上最輕的氣體氫氣（H2）。當人類在選擇燃料用于維持現代文明體系時，能量密度是一個重要的考察指標，特別是作為運載工具的能源，單位質量能量大就意味著能驅動運載工具行駛更遠的距離。由于相對分子質量小，與其他常用燃料（如甲烷、氨等）相比，氫氣具有更大的單位摩爾和單位質量的燃燒反應化學熱值，無疑是非常有益的燃料[1]。

氫能是指通過發生反應將氫氣中儲存的化學能直接轉化成熱能或電能，其反應產物通常是無毒無污染的水[2]。全球已有16個國家制定了國家氫能戰略，占世界經濟總量75%的國家和聯盟已經有了明確的氫能發展戰略。我國已從國家層面開始布局，出臺了一系列國家級的戰略規劃。自2020年9月國家主席習近平向全世界宣布中國的“雙碳”目標后[3]，我國氫能產業的發展已從燃料電池汽車產業鏈發展模式上升到了國家未來可再生新能源體系中的重要一員。2021年上半年中央企業經濟運行數據顯示，我國已有超過三分之一的中央企業在布局氫能全產業鏈發展，預計到2050年我國氫氣產業鏈年產值約12萬億元[4]，未來氫能產業對人才的需求量非常巨大。

氫能全產業鏈構圖包括氫能端和燃料電池端產業鏈，產業發展需要不同背景的人才。根據企業招聘職位統計，氫能產業需要的人才專業主要包括材料科學與工程類、化學工程及技術類、物理學類、材料類、化學類、交通運輸工程類、機械工程類、動力工程及工程熱物理類、熱能與發電工程類、電子類等。氫能產業對多元化專業人才的需求，對我國高等教育發展提出了新的要求。

2019年，教育部確定將氫能技術應用（專業技術代碼：530309）列為9大增補專業之一，主要為氫能制造企業、氫燃料電池生產企業、氫能汽車生產企業、加氫站及氫能應用領域的企業提供人才。由于缺少前期氫能專業教學經驗的積累，目前氫能專業人才培養還存在很多空白需要填補。本文從專業方向凝練、課程體系規劃、專業教材準備及人才隊伍建設幾個方面初步探索了氫能專業人才培養方案[5]。

一、現有人才培養情況概述

在本學院人才培養體系中，還未將氫能作為一個完整的專業設置，專業發展方向及人才培養目標不夠明確，缺少統一明晰的頂層設計和規劃。目前，包含氫能相關內容的專業課程（如“汽車排放與控制”“動力電池技術與應用”“新能源汽車概述”）缺少統一的課程內容規劃，課程知識點前后銜接不足，課程內容多有重復。這樣既不利于培養學生系統、全面的專業知識結構和專業技術技能，也不利于鍛煉學生的思維水平和實踐應用能力，嚴重制約了氫能專業技術人才的培養質量。此外，師資隊伍較薄弱，缺少有經驗的教師，尚未形成“傳幫帶”的教師隊伍。

二、教學改革思路

根據學院在交通運輸和新能源汽車專業方向的優勢，整合現有教育資源和師資力量，凝練專業發展方向，提出教學目標及核心知識點，推進課程專用教材規劃建設，培養具有創新性和協作精神的專業教學團隊，具體改革思路闡述如下。

（一）強調校企協作育人

為了服務國家對氫能行業發展的戰略規劃，高等院校擔負著為行業發展培養急缺、急需人才的重要使命。通過加強與企業、地方政府及產業園區管理部門的交流溝通，首先梳理出氫能行業未來短期、中期和長期發展中的人才需求情況，參照教育部2019年高校增補新專業氫能技術應用的人才培養目標，凝練出本專業發展方向，突出專業性和實踐性的人才培養目標。

（二）探索“本研一體化”課程體系建設

參照教育部規定“掌握氫能技術專業知識與技術技能”和工程教育專業認證標準，結合專業特色和優勢，建立一套科學、系統的“本研一體化”課程體系。明確本科教學重基礎知識和理論，研究生教育強化應用和實踐，在原有課程中統一梳理教學目標和重點知識，推動新課程的開設，完善課程體系建設。

（三）注重專業教材建設

目前，出版的相關書籍內容更多是知識性的介紹，表現出來的共同特點是：需要具有一定化學或電化學基礎才能閱讀；書籍涵蓋的內容太寬泛，缺少一定的深度，不適合作為教材使用；書中的知識點較空，缺少與氫能行業實踐應用的結合；缺少典型實驗課程設計。書籍內容和組織結構不適合用作課程參考教材。在教學實踐過程中注意積累，提煉出符合人才培養的知識結構、思考題、例題和實驗。

（四）增強師資隊伍培養

以習近平總書記在全國教育大會上的重要講話精神和《中國教育現代化2035》為指導，堅持把立德樹人作為根本任務，完善專業師資隊伍建設，注重青年教師和骨干教師的培育，形成一套系統和長效的教師培育制度，提高教師隊伍綜合素養。

三、教學改革措施

針對現在急需大量專業型人才發展我國氫能產業的問題，根據提出的教學改革思路，形成了以下具體改革措施及效果（見圖1）。

圖1 改革措施框架圖

（一）以產業需求為導向，凝練專業發展方向

目前，已明確氫能專業緊密圍繞燃料電池汽車的核心部件氫燃料電池系統的前沿技術開展專業建設，建設面向氫燃料電池裝配、維護及設計、氫能應用等工作的高素質技術人才培養的課程體系、專業教材和師資隊伍，使專業發展方向與氫能行業需求相適應。

（二）合理規劃課程體系，保證育人質量

為了實現“本研一體化”的育人目標，現在的課程體系已涵蓋了從大學二年級到研究生一年級的專業課程，同時輔以大學一年級的“大學化學”基礎課，即“大學化學”“車用先進電池技術”“傳熱學”“動力電池技術與應用”，構成了基礎和實踐應用有機結合的專業知識體系。“大學化學”作為基礎課，已經重點介紹了后續學習需要的電化學基礎知識；在“車用先進電池技術”課程中，安排一個章節介紹氫能開發演變歷程及關鍵技術，另外還有一整個章節介紹車用氫燃料電池技術概述；在專業課程“傳熱學”中，安排燃料電池熱管理實例學習，有利于加深學生對基礎知識的理解。為研究生開設了專業課“動力電池技術與應用”，更加深入和全面地向學生介紹燃料電池關鍵材料和關鍵技術。通過不同年級和不同深度課程的設計，初步構建了面向培養氫能技術人才的課程體系。目前，我們的教改工作主要是對原有課程知識點的梳理和課程體系的構建，初步探索氫能專業人才培養方案，隨著后續師資隊伍逐漸壯大，會增設集中講解氫能技術相關內容的課程。現在已規劃好了“氫能應用技術”課程大綱，以期幫助學生更系統、全面掌握氫能技術專業知識與專業技能。

采用多元化授課方式，提高課堂教學質量。所有課程以講授為主，同時引入課堂討論、多媒體學習和分組學習的環節，激發學生的上課熱情，鍛煉其思維創新能力。在“車用先進電池技術”授課過程中，設計分組調研的環節，以組為單位進行自主選題、資料查找、數據分析和總結、口頭匯報；在研究生課程“動力電池技術與應用”授課中，針對性地安排氫能產業專家講座，幫助學生開闊眼界，了解最新的行業發展動向，使其深刻了解氫能專業的發展前沿。

（三）豐富專業教材，增強實踐應用能力

由于現在出版的書籍都不適合用作課程教材，我們根據培養目標，充分參考了多本書籍的內容，編撰了符合課程體系建設要求的學習資料，包括基礎化學及電化學知識回顧、氫能開發及氫燃料電池關鍵技術，深入淺出地講解氫化工基礎、燃料電池基礎及氫能應用技術等。這套學習資料的最大創新點有兩方面：每一章節結束后有思考題，幫助學生加深對知識點的掌握和理解；針對性地設計了綜合實驗，增強學生的實踐動手能力，規范學生實驗報告撰寫方法，強化氫能專業人才的實踐能力培養。

（四）強化師資隊伍建設，探索“校企”協同育人機制

由于氫能技術應用專業是一個新興專業，專業授課教師嚴重不足，但是有相關科研背景的教師數量具有一定規模，其中以中青年教師為主，因此，特別為青年教師的發展制定了專項措施，請具有多年教學經驗的教師給予“一對一”的指導和幫助，為青年教師職業發展提供領航、護航幫助，同時支持青年教師積極參加行業內教學研討交流，鼓勵創新和改革。教師隊伍長期穩定、可持續的發展是氫能專業人才培養的根本。為了實現這一目標，我們建立了教學資料庫，共建共享教學資源；同時，我們探索了校企協同育人機制，聘請了行業內具有豐富經驗的工程師擔任授課教師，豐富實踐課程內容，充分發揮實踐課程對學生綜合工程實踐素養的培養。

四、教學改革創新工作

（一）分組調研學習小組工作

由于授課方式主要以講授為主，為了調動學生的學習熱情，在高年級課程中引入了調研學習小組。通過啟發式、討論式和參與式教學方法，指導學生自主學習最新燃料電池技術發展動態。采用自主命題且不限制展示形式的方式，促使學生學習熱情高漲、調研內容廣泛、準備的展示內容豐富、全面并具有創新性，有利于培養學生科學的學習方法和思維方式。

（二）氫燃料電池綜合實驗設計

開設綜合實驗課可以幫助學生直觀、具體了解氫能和燃料電池工作原理，加深對專業理論知識的學習和理解。我們選取了最具代表性的氫燃料電池作為實驗主題，綜合實驗分為催化劑選取、催化劑漿液準備、膜電極制備、電池組裝和測試四個環節。催化劑選取環節的學習重點是觀察和認識催化劑，比較幾種催化劑物理和化學性質的不同；催化劑漿液準備環節的學習重點是了解漿液的組成和基本制備技術；膜電極制備環節的學習重點是認識膜電極的組成結構和基本制備技術；電池組裝和測試環節的學習重點是了解電池的組成結構和學習電池的關鍵電化學參數。通過綜合實驗課程，幫助學生鞏固對燃料電池基礎知識的學習，同時考查實際影響電池輸出電壓、電流和功率的影響因素。

（三）教學資源共建共享數據庫建設

氫能相關教學資料具有知識面廣、更新快和系統性差等特點，為了能讓課程內容與時俱進，同時兼顧基礎和實踐的要求，需要保持對課程內容的更新和完善。通過建設教學資源共享數據庫，共同豐富和完善數據庫內容；通過科學系統地梳理知識點，做到教學資源多而不亂。這樣既可以保持數據庫資料的新鮮度，也能節約任課教師查找相同資料的時間成本，確保教學團隊輸出資料的一致性和正確性。

五、改革效果和展望

隨著我國向全世界承諾了二氧化碳的排放目標，作為可再生能源，氫能的發展將迎來快速增長期，預計到2050年，氫能在能源體系中的占比將提升至10%。氫能產業快速發展急需大量專業人才的支持。目前，高等院校對氫能專業技術人才的培養方案還處于發展初期，筆者基于近年的教學和科研總結，從課程體系、專業教材、師資隊伍三方面初步探討了氫能專業人才培養措施，尋求校企協同育人機制，為氫能行業培養合適的專業人才。

本論文介紹的改革措施已在筆者所在學校初步實施，探索氫能專業人才培養的有效方法。學生普遍反饋效果良好，認為改革后的課程體系能更系統、全面地幫助他們規劃選課計劃。優化后的授課方式也更受學生歡迎，課堂上學生參與度明顯增高，更愿意與教師討論行業的最新發展動態，而且選課人數有所增加。筆者在具體實施過程中也碰到了一些考慮不周全的問題，特別是在校企協作方面還需要積累更多的經驗，提出更具有創造性的授課模式，有效保證人才培養質量。