面向學科交叉融合的儲能課程建設探索與實踐

［摘 要］ 儲能專業建設是“雙碳”目標下我國在高等教育領域的重大國家戰略，儲能專業學科交叉特征明顯，涉及知識面廣，在專業建設上沒有先例可循。針對儲能專業課程教學內容多、教學對象廣、考核方式難的特點，“儲能與能源互聯網”課程結合新工科建設行動路線及解決復雜工程問題能力的教學目標，將實際工程項目作為課程實踐內容，以學科競賽為成果出口，明確了以問題為導向的課程理念，形成了儲能專業開設學科交叉融合課程的建設思路，為高校儲能專業建設及人才培養提供了實踐參考。

［關鍵詞］ 儲能專業；課程建設；問題導向；交叉融合

［基金項目］ 2021年度天津大學本科教改項目“創新創業教育新模式——學科競賽創新工坊”（20210065）

［作者簡介］ 岳利可（1991—），男，山東濟寧人，碩士，天津大學機械工程學院工程師，主要從事能源動力專業實踐教學研究；梁興雨（1977—），男，遼寧建平人，博士，天津大學機械工程學院教授（通信作者），主要從事能源動力專業教學研究。

［中圖分類號］ G642.3 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）11-0089-04 ［收稿日期］ 2023-02-17

面對全球能源格局由依賴傳統化石能源向追求清潔高效能源的迅速轉變，我國能源結構也面臨前所未有的深刻調整。儲能技術和儲能產業是新能源結構的核心支撐，世界主要發達國家目前紛紛加強儲能產業人才培養和技術儲備，加快發展儲能產業。近年來，我國的儲能技術發展也開始向大規模產業應用加快推進，國內眾多高校針對能源結構戰略需求，在儲能技術相關領域取得了大量研究成果。儲能技術作為重要的戰略性新興領域，需要加快物理、化學、材料、能源動力、電力電氣等多學科多領域交叉融合、協同創新，高校現有人才培養體系尚待完善，相關學科專業尚待健全，特別是學科專業壁壘急需突破［1］。目前高校通過將現有不同學科專業教學內容交叉融合，實現了學科之間動態交叉整合，不僅豐富了相關學科內涵，突破了單一學科局限性，而且滿足了知識創新，有利于學生綜合能力的培養［2］。自《儲能技術專業學科發展行動計劃（2020—2024年）》發布后，全國多所高校設置了儲能科學與工程本科專業［3］。由于儲能科學與工程是一個多學科深度交叉的專業，儲能專業建設高校在專業培養方案制訂、課程體系構建、師資隊伍配置等方面都面臨著諸多困難。其中基于培養方案的課程體系構建是專業建設的重中之重，從儲能方式的基本原理到儲能系統集成、容量配置以及經濟評估、教材選編等諸多方面設計課程體系，才能為完善的儲能專業教學體系構建提供基本保障［4］。在課程內容選擇上，針對國家需求和學科體系中專業知識的覆蓋程度，建議選取“工程熱力學”“工程力學”“材料”“傳熱傳質學”“控制理論和電工電子技術”作為儲能科學與工程專業核心課程［5］。儲能技術作為新興領域，學生對儲能專業認識并不全面，在努力增設儲能技術專業課程的同時，還可以鼓勵學生根據知識需求跨年級、跨學科選修與儲能相關的課程，學習儲能領域的基本專業知識技能［6］。由此可見，建設儲能專業通識課程，加深學生對儲能專業的認識，是實現儲能技術人才培養工作的重中之重。

天津大學作為目前獲批建設儲能專業的高校之一，且作為全國新工科建設的領頭羊，在儲能專業建設過程中基于學科交叉的專業特點，結合新工科人才培養需求和學校特色，開創性地建設了通識課程——“儲能與能源互聯網”課程，通過跨學科的人才施教方式，最大化利用現有軟硬件教學資源，以項目制教學為抓手，確定了獨具特色的課程內容，為儲能專業相關課程建設提供了理論和實踐指導。

一、儲能專業課程特征

儲能專業課程具有知識覆蓋面廣、內容深等特點，如何讓任課教師講好，讓不同專業學生都能學好，是課程建設過程中面臨的重要問題，通過梳理各學科方向特色，發現課程建設主要面臨以下幾個方面的挑戰。

（一）課程教學內容多

“儲能與能源互聯網”作為儲能專業建設的先導通識課，需要具備全面介紹多種儲能技術、深入解讀儲能發展的功能，交叉學科所包含的教學內容很多，涉及能源動力、電氣、化工、材料、物理等。如此多的內容，在一門課程教學內容設計中如何取舍，如何用通俗易懂的方式向學生講授這些專業內容，是課程建設過程中面臨的首要問題。

（二）教學對象專業廣

目前高校課程教學方法偏重理論知識的傳授，存在重理論、輕實踐、少互動的問題。具體表現在教師上課只傳授書本知識，課下實踐活動走過場或流于形式，沒有真正地抓起來。其次，教師在教學活動中起主導作用，學生只是配角，教學過程中缺乏必要的師生互動和生生互動［7］。“儲能與能源互聯網”作為全校公選課，學生專業背景不盡相同，如果仍按照傳統教學方式進行書本知識的傳授，勢必會消磨學生的學習興趣。因此，在教學方法上如何滿足不同專業學生的知識需求，同時充分調動學生的積極主動性是任課教師需要充分考慮的問題。

（三）課程考核方式難

課程考核作為課程教學的重要組成部分，直接體現了教學效果，同時也能為教學方案的更新迭代指引方向［8］。“儲能與能源互聯網”課程具有綜合性強且又較為靈活的特點，同時又是一門新工科課程，課程采用項目制教學方式，僅憑平時成績和期末考試來對學習效果進行評估，存在評價形式單一、主觀性較強和綜合性不夠等問題。因此，設置一種能夠科學、真實地反映學生學習效果的考核方式，也是一個需要思考的問題。

二、課程建設目標導向

“儲能與能源互聯網”課程是面向儲能專業建設的校選課，作為一門新工科課程應充分考慮新工科課程應該具備的特點，以學生為中心，以問題為導向，以實際項目為牽引，將新方向、新技術、新方法融入課程體系。因此，應明確課程目標及課程理念，為課程建設提供方向引領和實踐指導，同時也為課程教學效果評價體系建設提供依據。

（一）堅持立德樹人，制定課程目標

“儲能與能源互聯網”課程以培養理論知識扎實、專業能力突出、具有家國情懷的卓越工程人才為課程目標。課程在理論知識層面，培養學生對能源形式、儲能方式及能源互聯網的深入認知、理論分析和模型設計能力；在實踐能力層面，培養學生在項目實踐過程中綜合應用、分析問題、解決問題及任務協同、溝通交流能力；在職業素養層面，培養“能用、管用、實用、耐用”的具有“精益求精、追求卓越”工匠精神的創新人才，形成了層次分明、逐漸提升的課程培養目標。

（二）基于問題導向，明確課程理念

“儲能與能源互聯網”課程針對當下能源環境問題，以國家“雙碳”目標為實施背景，以滿足新工科人才培養要求為目標，明確課程理念。課程堅持使命驅動、問題導向，通過學科交叉將現有高校教育中尤其缺失的人文素質、工程倫理、項目管理等內容融入日常的課程講授中，通過將課堂設在項目現場，實現以實際工程問題為牽引，強化分析問題、解決問題能力培養的教學目標。建立學生、教師和助教三方協調配合的課程管理機制，為學生學習理論、方案設計、動手實踐構建全方位的教學保障體系，切實踐行新工科教學育人理念。

三、課程建設實施舉措

“儲能與能源互聯網”課程要求學生既要建立儲能專業的相關基礎知識體系，又要在實踐中鍛煉知識運用、實踐能力。課程通過制定目標、明確理念、做好設計、收集反饋等方法，保障了教學流程的順利實施，實現了培養儲能專業技術人才的目的。

（一）融合多元教學內容

在理論知識層面，儲能技術依賴于化工與材料科學；在實踐應用層面，需要深刻理解能量轉化原理，這就涉及傳熱學、熱力學等相關知識；在系統設計層面上，系統的實現依賴于結構設計、能流管理及電網協調等技術，這就需要電力系統和控制原理的相關知識內容。課程內容融合了動力工程及工程熱物理、化學工程與技術、電氣自動化等5個學科的“工程熱力學”“傳熱學”“化工原理”等7門課程，梳理了合理適中的教學內容。“儲能與能源互聯網”作為儲能專業學生學習的先導課，需要對儲能知識體系進行全面的梳理與普及，便于學生根據自身興趣選擇儲熱、儲電或儲氫等不同專業側重方向。

（二）組建交叉教師團隊

儲能技術專業知識涉及面廣，單一學科的知識內容無法滿足人才培養的需求，且涉及學科一般分布在不同的院系，難以在課程體系、實踐平臺以及任課教師之間形成共享機制，給跨學科人才培養造成了很大的難度［9］。針對該問題，課程通過融合動力、電氣、化學、材料等學科的優秀教師，組成學科交叉師資團隊，實現了能量獲取、能量轉化、能量存儲至能量利用的全流程師資支持。通過將教師和學生根據不同課程任務分成項目小組的教學模式，實現了項目導師和培養對象進行“一對一”指導交流，同時還可以充分發揮各學科教師優勢，為學生提供儲能專業知識全方位的指導。

（三）整合優勢教學資源

儲能技術人才培養離不開優秀教學資源的支撐，可以將儲能領域的科研條件及成果轉化為教學資源，充分發揮平臺對于人才培養的支撐作用，鼓勵學生參與教師科研項目衍生出來的設計課題［10］。“儲能與能源互聯網”課程充分利用國家重點實驗室、教育部重點實驗室等科研平臺的優勢資源，同時協調能源動力、化學化工、電氣電子3個國家級實驗教學示范中心的豐富教學資源，建成了集可再生能源利用、儲能、測試及采集的儲能新工科實踐平臺。學生參與由科研項目轉化而來的課程任務，使其處于儲能技術的前沿研究領域，加深了學生對儲能技術理解；同時通過接觸高精尖實驗設備和平臺，不僅能提升學生實踐技能，還有利于學生建立起理論與科研、生產實踐的聯系。

四、課程教學設計樣例

（一）做好頂層設計，落實交叉融合

課程以完成局域性能源利用碳中和方案設計為任務目標，堅持問題導向，圍繞項目方案設計與仿真計算、測控與通信方案設計劃分為7個課程項目小組，通過教師的介紹、引導實現小組任務的創意激發。學生以可再生能源的儲能應用為目標，獨自構思，需綜合利用至少兩種儲能方式實現方案設計，并進行創意展示。通過創意互評遴選出優秀創意作為最終項目設計方案，提出優秀創意的同學作為課程項目小組負責人進行整個項目的實施和管理。項目實施過程包括學生自學、研討、教師指導、現場實踐等方式，最終完成課程項目任務。通過最終項目方案設計展示和成果匯報由學生和教師共同進行評分，并作為該課程成績的主要組成部分。由于課程時間有限，對于有興趣持續進行課程項目完善和實施的學生，組織參加相關學科競賽。

（二）課上增強互動，課下積極反饋

在課程建設過程中，課前圍繞新工科課程建設要求及學校專業特色確定了課程目標與實施理念。課上采用課程講授及課程項目作業相結合的授課方式。第一課就將課程項目作業進行布置，圍繞實現一座樓宇局域性碳中和目標，設立太陽能發電中心、電能存儲中心等7個課題項目小組。每個組既要對局域性碳中和總任務有總體方案，又有小組側重任務。學生分配采用“1+1+X”（1名教師+1名助教+X名同學）的分組機制，教師指導，助教督促，學生實施。在課堂教學方式上，采取半節講課，半節匯報。在課程考核方式上，采用日常作業加項目匯報的形式進行。結課后，面向全體學生開展教學評價，以便進一步完善教學大綱，改進教學方式，最終形成“培養目標—培養方案—課程大綱—評價分析—課程報告—改進方案—培養目標”的閉環教學質量持續改進體系。

（三）落實課程任務，培育創新成果

“儲能與能源互聯網”課程授課對象多為大一、大二年級本科生，因此對各類學科競賽具有濃厚興趣。課程教師團隊結合課程小組的任務目標及任務完成情況，遴選優秀創意參加相關學科競賽，將課堂進一步延伸。課程結課后，組織學生參加全國大學生節能減排大賽、大學生方程式賽車等學科競賽，比賽成績均取得了歷史性突破。此外，還獲批了根據課程內容申報的多項大學生創新創業訓練計劃。通過多輪的課程教學實踐，已形成了“課程—項目—競賽”多層次教學內容，構建了培養學生“理論—實踐—創新”全方位能力的培養體系。

結語

“儲能與能源互聯網”課程將傳統課堂教學與工程項目實踐相結合，積極培育優秀課程成果，激發學生創新創業動力，充分融合多元知識內容，組建了學科交叉教師團隊，搭建了獨具特色的實踐平臺，改進了教學及考核方法，探索出了寓教于實、寓教于樂的課程建設道路。課程充分體現學科交叉課程建設要求，取得了較好的育人效果。今后，課程將在教材設計、教學內容、教學方法等方面持續改進，增加與當前新興發展的熱門技術相融合滲透，結合國家戰略和地區發展需要，力爭建設成儲能技術領域新工科建設示范課程。

參考文獻

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Exploration and Practice of Energy Storage Curriculum Construction

Based on Interdisciplinary Integration

YUE Li-ke， LIANG Xing-yu

（School of Mechanical Engineering， Tianjin University， Tianjin 300350， China）

Abstract： The construction of energy storage major is a national strategy in the field of higher education in China under the dual-carbon goal. Energy storage major has obvious discipline interdisciplinary characteristics and involves a wide range of knowledge. There is no precedent to follow in major construction. Aiming at the characteristics of many teaching contents， wide teaching objects and difficult assessment methods of the energy storage major course， the course of energy storage and energy internet combines the action line of the new engineering construction and the teaching goal of the ability to solve complex engineering problems， takes the actual engineering projects as the practical content of the course， takes the discipline competition as the output， clarifies the problem-oriented course concept， forms the construction idea of offering interdisciplinary integration courses for the energy storage specialty， and provides practical reference for the construction and talent training of the energy storage specialty in colleges and universities.

Key words： energy storage major; curriculum construction; problem orientation; cross-integration