新工科背景下新能源專業課程設計教學改革探索*

任娜 賈彥 施永紅

內蒙古工業大學能源與動力工程學院 呼和浩特 010051

0 引言

新工科建設是應對新經濟的挑戰，從服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的高度，在“卓越工程師教育培養計劃”的基礎上，提出的一項持續深化工程教育改革的重大行動計劃[1]。新工科建設對人才培養提出了新的要求，指出要以培養學生工程應用能力為主線，實現從學科導向轉向產業需求導向、從專業分割轉向跨界交叉融合、從適應服務轉向支撐引領，加快培養新興領域工程科技人才，改造升級傳統工科專業，主動布局未來戰略必爭領域人才培養。

面對以培養促進經濟和科技產業未來發展人才為目標的教育改革，最基本的依然是課程改革。面向未來是新工科建設的主要目標，這就要求高等學校在教學過程中注重深層次的學科交叉融合，培養能夠解決復雜工程問題、具備創新能力的復合型人才。課程設計作為將理論課程與工程實際相結合的實踐教學環節，對培養學生的應用能力、創新能力、解決實際工程問題能力等綜合能力具有重要作用。在新工科建設背景下，面向新經濟挑戰和科技變革，以培養符合未來產業發展、專業建設和人才需求為目標，通過調整課程設計的教學目標、更新教學內容、優化教學手段進行課程設計的改革是非常必要的。

1 課程設計教學的目標與定位

課程設計的目的在于實現課程理論向實踐的轉化，以加深學生對課程理論知識的理解與掌握，鍛煉學生運用課程所學知識解決復雜工程問題的能力。其主要通過具體的案例教學與實踐，讓學生利用課程所學理論知識，采取多種手段去解決某些實際工程問題，形成一個完整的知識體系。新能源專業作為一個新興的工科專業，在改變能源結構、實現“碳中和”中發揮著重要作用。同時,在新工科背景下，高等學校培育人才要以工程應用能力為主，助力新興產業發展。這就要求在教學體系中要以實際工程為依托，注重課程設計等實踐教學，培養學生的工程應用能力和創新能力，為其更快、更好地服務社會、推動經濟發展奠定基礎。

以太陽能光伏發電原理課程設計為例，作為與筆者所在學校新能源專業理論課程相配套的實踐類課程，它一般被用來考查學生對太陽能光伏發電原理及相關理論知識的掌握程度及應用能力。該課程以太陽能光伏發電系統為主要學習載體，將典型太陽能光伏發電系統的設計、分析、技術要求和設備選型有機融合，是一門理論知識和工程實踐相融合的課程，具有較高的實操性、專業應用性、自主性和綜合性。該課程要求學生在掌握關于太陽能光伏發電原理與技術理論知識和技能的基礎上，熟悉太陽能光伏發電系統設計的基本思路，具備開展太陽能光伏電站設計的能力，進而可以對太陽能光伏發電系統進行技術改造、經濟性分析和應用技術研究等，構建起扎實的知識體系和服務于工程技術應用的能力。

2 課程設計教學中存在的問題

2.1 課程設計題目單一且更新慢，難以滿足新工科建設要求

目前太陽能光伏發電原理課程設計的題目基本為“離網型光伏發電系統設計”，題目單一且設計要求相同，每個學生的任務書只是參數不同。這就導致學生在完成課程設計的過程中有固定的流程，只是計算的數據不同，同學之間相互借鑒的現象比較嚴重，創新性嚴重不足。同時，每一屆學生的任務也基本相同，不能做到緊跟學科發展前沿，無法激發學生探索新知識及實踐方法的興趣。造成新能源專業學生的實踐能力及創新能力得不到鍛煉，難以滿足新工科建設對人才的培養要求。

2.2 課程設計內容及時間安排不合理，不能有效鍛煉學生的工程應用能力

太陽能光伏發電原理課程設計的主要內容包括太陽能光伏組件、蓄電池、控制器、逆變器、硬件安裝的設計計算以及光伏發電系統總圖的繪制，設計的內容較為簡單，與實際工程有關聯但存在一定差異，不能夠有效鍛煉學生的實際工程應用能力。同時，課程設計的內容主要圍繞太陽能光伏發電系統，與其他相關專業課如自動控制原理、熱力學原理、風力機原理等關聯度較小，難以通過課程設計將相關理論知識串聯起來，形成知識體系，不利于學生專業知識系統的構建。課程設計目前通常安排在理論課程的下學期，時間差較大，導致學生對理論知識的遺忘較多，學生在做課程設計之前需要花費較多時間和精力去復習理論知識，做設計的時間被壓縮，進度安排得不到保障。

課程設計時間一般為2 周，其中老師講解、復習理論知識、查看相關資料、撰寫設計說明書等大約要占用1 周時間，實際投入課程設計實踐內容的時間只有1 周，時間較短，學生沒有時間對知識進行系統消化和思考[2]。這會導致課程設計完成的質量下降，雷同作品較多，學生的創新能力得不到有效鍛煉，課程設計目標達成度大打折扣。

2.3 考核評價方式單一，無法做到對學生進行全方位考核

課程設計的考核評價以設計說明書、圖紙的完成質量以及平時的出勤考核為主，形成性評價不足。導致學生在做課程設計的過程中以完成課程設計說明書和圖紙為主要目的，而不是探究如何將理論知識運用到實際工程當中，背離了課程設計的實質目的。這種單一的評價方式也會導致個別學生借鑒他人的設計成果，甚至出現成績反而比完全依靠自己探索完成設計的學生成績高的現象[3]，失去基本的公平性和客觀性，影響了學生的積極性、主動性和創新性發揮。

3 新工科背景下課程設計教學改革的具體措施

3.1 制定符合新工科建設要求的課程設計教學目標

新工科建設要求高校堅持采用“應用為本，學以致用”的教學理念[4]，將其與太陽能光伏發電原理課程設計有機結合，培養新能源專業學生的實際工程應用能力以及解決復雜工程問題的能力、創新能力、學習能力、團隊協作能力等綜合能力，使學生具有助力新能源產業發展、服務地方經濟的意識，增強社會責任感。為此，制定本課程設計的具體教學目標如下，框架如圖1所示。

圖1 課程設計教學目標框架

1）以多學科交叉融合為導向，立足國家和自治區新能源產業，以太陽能轉換利用技術、電工電子技術、自動控制原理、大數據信息技術等課程理論知識為基礎，結合太陽能電站實際工程，理論聯系實際，使學生具備從事新能源及相關行業工作所需的基礎理論、設計、制圖、軟件應用、工程實踐等知識，逐步完善新能源知識體系。

2）能夠基于科學原理并采用科學方法設計針對復雜工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的太陽能電站，收集、計算、處理、分析與解釋數據，并能夠通過技術成熟度、經濟性評價對設計方案進行可行性研究和優選，注重創新性和實用性，以多種形式體現設計成果，力求通過信息綜合得到合理有效的結論并應用于工程實踐。

3）進行太陽能電站的開發和設計，提高學生理論聯系實際進行實踐設計與分析解決實際工程問題的能力、進行技術改造與創新的初步能力、信息獲取能力、終身學習能力、交流溝通能力、科研能力、報告撰寫能力、在項目開發中的團隊合作能力、創新能力等。

4）使學生具備較強的創新意識和進行太陽能及新能源技術的開發利用、設計改進等專業素養。能夠基于工程相關背景知識進行合理分析，評價專業工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全的影響。了解新能源相關職業和行業的設計、生產、研究與開發、環境保護和可持續發展等方面的方針、政策，為今后承擔相應的社會責任奠定基礎。

3.2 課程設計題目及任務多樣化、自主化

基于新工科建設背景，課程設計的題目和任務應立足太陽能光伏電站和新能源產業，以實際工程應用為導向，力求多學科交叉融合，理論聯系實際，做到具有多樣性和自主性，使學生具備從事新能源及相關行業工作所需的基礎理論及工程實踐等知識，逐步完善新能源知識體系。目前太陽能光伏發電原理的課程設計主要圍繞離網型太陽能光伏發電系統，這一題目可以延續，但是需要根據實際工程應用增加其多樣性。比如設計“并網型光伏發電系統/電站”“針對不同的應用場景，甚至一些極端應用環境下的離/并網光伏發電系統”“太陽能熱電站”“太陽能與大型儲能相結合的光伏/光熱電站”“太陽能光伏與風力機、超臨界二氧化碳循環發電機組、燃料電池等分布式電源相結合的微電網”等。任課教師也可以依據培養方案的目標、要求，結合自身的科研、項目等制定課程設計題目及任務，也可以以大學生創新創業、挑戰杯、節能減排等科技競賽為導向制定題目，增加多樣性，讓學生學習到更多前沿專業知識，并鍛煉其學習、創新、解決問題的能力。題目及任務的多樣化可以增加學生的選擇，激發其做設計的興趣和動力，也能避免學生之間相互借鑒，更好地達到課程設計的教學目標。除此之外，學生也可以根據課程設計的要求、自己的興趣和自身掌握的知識來自主設計題目，增加題目及任務的自主性。

3.3 優化課程設計教學模式，提高教學目標達成度

3.3.1 采用任務驅動教學模式，優化課程設計時間安排

以往的課程設計與理論課程通常是分開進行的，存在時間差，不利于教學目標的達成。將課程設計與理論課程安排在同一時間段，同時將課程設計的教學時間比理論課程延長1 ～2 周，以便學生對課程設計的內容進行整合、完善和回顧。課程設計與理論課程同時進行，在上課初期布置課程設計的題目和任務，讓學生帶著任務去學習理論課程，采用任務驅動的教學模式，可以激發學生的學習興趣和動力，加深對理論課程的理解。同時理論課程內容的安排可以以課程設計的任務為依據，幫助學生更好地完成課程設計，理論與實踐相結合，提高教學目標的達成度。課程設計周期的延長也可以避免學生因為時間緊張而敷衍了事、相互借鑒，更加有效地鍛煉其創新能力、實踐能力以及解決復雜工程問題的能力。

3.3.2 采用線上線下混合教學模式，開展多元化教學

隨著信息化進程的推進，線上教學模式在近幾年得到了廣泛應用。線上教學具有不受空間限制、可利用資源廣泛、教學內容存儲便利、教學方式靈活多樣等優勢，可以彌補傳統線下教學模式教學方式單一、受時空限制大、對教材依賴性大、學習資源有限等不足。但是單純的線上教學也存在教學管理難度大、與學生的交流溝通受限、拿來資源多、“甩手掌柜”式教學、教學質量難以保證等問題[5]。對于課程設計類實踐課程，可以采用線上線下混合教學模式，開展多元化教學，最大程度地保證教學目標達成度。在進行課程設計的教學過程中，主體內容依然采用線下教學模式，但是可以利用各類線上教學手段來擴充教學內容、提高教學質量。比如可以依托中國大學MOOC 平臺、優慕課網絡教學平臺、學習通平臺、雨課堂等網絡教學工具給學生發布課程設計相關圖像視頻、工程案例等，使學生更加全面、深刻地了解課程設計的內容、目的等。也可以邀請一些行業專家或企業工程師在線上開展有關產業發展、技術難題、實際工程案例實施等主題講座，使課程設計更大程度地與實際產業、工程相關聯。也可以依托網絡教學平臺對課程設計進行難點劃分，針對重點、難點的設計內容，在平臺上發布更多的教學資源供學生參考，同時針對這些重難點布置單獨的任務并要求學生在設置的時間節點前提交，老師根據學生完成任務的情況來判斷其對課程設計內容的掌握程度、設計的進程以及存在的問題，并及時反饋給學生，提升教學質量。

3.3.3 結合模擬計算或實驗驗證，提升學生的工程實踐能力和專業素養

目前實際工程當中的設計計算大多依托商用軟件或者實地實驗進行，滿足復雜工程問題需要且保證了計算精度，確保了實際工程的經濟性、安全性、穩定性等。而傳統課程設計以手工計算為主，輔以機械制圖軟件繪畫圖紙，計算準確度和精度難以保證，與實際工程在設計流程、設計方法等方面存在較大差異。目前實際工程中對于太陽能電站的設計，大多采用PVsyst、ArcheliosTMPro、Candela3D 等軟件。為了使課程設計最大程度地貼合實際工程，可以在課程設計中加入此類軟件的模擬計算，將模擬計算結果與手工計算結果相對比，找到二者的差異及其成因，激發學生學習和探究的興趣，增強其解決實際工程問題的能力。或者在課程設計當中加入實驗內容，將實驗結果與計算結果相對比，探尋理論和實驗之間的差距并分析其原因，增強學生的動手實踐能力、科研能力等。在課程設計中加入模擬計算及實驗驗證部分的內容，也可以增加學生從事太陽能及新能源相關行業工作所需的必備技能，以提升其專業素養和就業競爭力[6]。

3.4 建立具有豐富經驗的行業專家指導機制

與傳統工科相比，新工科人才培養需要更深入的產學結合和創新實踐。課程設計作為高校實踐類課程的重要組成部分，聘請行業專家指導參與，建立具有豐富經驗的行業專家指導機制，更能貼合實際工程，有效地培養學生的工程應用能力和創新能力。首先，在制定題目和任務書的階段，在行業專家的指導參與下，把學科導向轉變為產業需求導向，使課程設計的總體導向與行業實際工程或產業發展方向相一致，更加符合新工科背景下對人才的培養要求。其次，在學生完成課程設計的過程中，邀請行業專家開展與行業發展、產業動向、工程思維等主題相關的講座，指導學生在做課程設計的過程中選擇符合實際工程的設計思路與設計方法，把學生在課堂學習到的理論知識通過課程設計這一媒介更加合理有效地應用到實踐當中，培養學生的專業素養以及工程素養。最后，在課程設計評價階段，行業專家對學生的實踐能力、工程素養、創新能力等進行評價，教師對學生的理論知識掌握程度、轉化應用能力、課程設計完成質量等進行評價，二者相結合，實現對課程設計從理論到實踐、從知識到能力的全方位評價。

3.5 使用形成性評價與總結性評價相結合的考核方法

課程設計是一門實踐類課程，傳統的總結性評價往往是片面的，極大地限制了學生的主觀能動性和評價的客觀性、公平性。

改革考核方法，使用形成性評價與總結性評價相結合的方式，使考核貫穿于課程設計的全過程，才能引導學生注重設計的過程和改進，督促教師及時對教學內容和方式進行調整，科學有效地利用評價結果促進教學目標的達成。考核方法由形成性評價和總結性評價組成，其中形成性評價占40%，總結性評價占60%。

形成性評價主要考核學生的階段性工作、對待課程設計的態度、完成課程設計過程中表現出的素養及能力等。其作用是對學生日常學習過程中的表現、取得的成果以及反映出的態度、能力等方面作出評價，以激勵學生學習、幫助學生有效調控自己的學習過程，同時幫助指導教師了解學生的學習情況、及時發現教學中存在的問題進而進行調整。評價方式具體包括自評、小組互評、專家評價、教師評價等。

總結性評價主要是對學生完成的課程設計成果進行考核評價，包括設計說明書、圖紙、計算結果、模擬結果、實驗結果等。其目的是對學生的學習成果進行全方位考核，具體的評價方式包括指導教師評價和答辯兩個環節。

形成性評價與總結性評價相結合的考核方法注重課程設計的全過程考核，旨在形成對學生的激勵和調控，以及對指導教師教學的反饋和調整，具體的考核方法如圖2所示。有著明確考核內容、方式、標準、比例的科學的評價體系，是從多維度檢驗課程設計教學目標達成度并進行持續性改進的有力支撐。

圖2 課程設計考核方法

4 結束語

隨著社會、經濟的發展進步，社會對各方面人才需要具備的能力的要求也會隨之變化。本文對照新工科建設要求，以太陽能光伏發電原理課程設計為例，指出新能源專業課程設計教學當中存在的問題并進行改革探索。制定符合新工科建設要求的課程設計教學目標，立足新能源產業，以多學科交叉融合為導向，提升學生的專業素養及工程應用能力。緊貼新能源產業發展方向和實際工程需求，制定具有多樣性和自主性的課程設計題目。綜合運用多種教學模式，包括任務驅動、線上線下混合教學、加入模擬計算和實驗驗證等，有效提高教學目標達成度。建立具有豐富經驗的行業專家指導機制，進行更深入的產學結合和創新實踐。采用形成性評價與總結性評價相結合的考核方法，引導學生注重設計的過程和督促教師對教學內容和方式進行持續性改進。

以課程設計這一實踐類課程為基礎，通過多方面的改革探索，力求使新能源專業的學生成為具備實踐能力、創新能力、科研能力、解決實際工程問題能力等綜合能力的復合型新工科人才。