能动类新工科人才实践教学体系的改革探索

2019-04-19 12:07周永利王国强杨晨李俊曾理包健李友荣石万元卞煜
教育教学论坛 2019年17期
关键词:新工科实践教学

周永利 王国强 杨晨 李俊 曾理 包健 李友荣 石万元 卞煜

摘要:新时代下经济的飞速发展急切需要新工科人才的支撑,国内外高校迫切需要面向未来输送具有创新能力的复合型新工科人才。本文以现阶段科技发展的热点为切入点,探讨新工科背景下的能动类专业实践教学现状与要求,探索了能动类新工科人才的实践教学体系。

关键词:新工科;实践教学;能动类

中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2019)17-0092-04

当前新时代经济的快速发展迫切需要新工科人才的支撑,新工科的建设已成为当前高等工程教育改革的热点,并引起广泛的关注:在2017年2月高等工程教育发展战略研讨会上达成了“新工科建设复旦共识”[1];2017年4月,教育部在天津大学召开新工科建设研讨会,会上提出“天大行动”[2];2017年6月9日,教育部审议通过了《新工科研究与实践项目指南》,其规划出的新工科研究与实践项目包含新理念、新结构、新模式、新质量和新体系等5个部分,合计24个选题方向[3]。目前有些院校针对新工科的实践模式作了一定的探索研究:周静等提出了理工科专业“四层次四方位”实践教学体系模式[4],戴亚虹开展了电子信息类工程人才培养模式的探索,提出了“学践研创”四位一体实践教学体系[5],顾菊平等对电气类创新型人才培养的路径选择进行了探讨[6],冯丹艳等探讨了机械设计制造及其自动化专业人才培养模式[7]。这些研究主要针对专业培养模式层次性、创新性、协同性及融合性进行探索。在新时代国家推进高等教育改革的新战略的时代背景下,能动类学科致力于各种能源的开发及运用,既包括煤、石油、天然气等传统能源,也包括太阳能、核能、风能等新兴能源,对于现阶段能源动力类学科的发展而言,面临着诸多国内外因数影响,掌握当前形式下能动类学科的核心技术及培育出熟悉运用该技术的复合创新型人才是发展的关键。本文以现阶段第四工业革命为切入点,结合能源互联网的发展要求,探讨新工科背景下的能动类专业实践教学现状,探索了能动类新工科人才的实践教学体系。

一、能动类学科面临的新环境

1.第四次工业革命的加速推进。人类社会过去几百年的高速发展,很大程度上是工业革命推动的结果。每一次的工业革命无一不是一次生产力的巨大革新,而每一次生产力的革新背后几乎都会伴随着能源领域的技术变革。第一次工业革命大约18世纪60年代到19世纪中叶,其标志是蒸汽机的发明带动了工业发展机械化,蒸汽机将热能转化为机械能,标志着从工场手工作业向机器大工业的过渡。第二次工业革命大约19世纪下半叶到20世纪初,其标志是电力和内燃机的发明及应用,第二次工业革命极大的推动了生产力的发展,对人类社会的经济、政治、文化和军事产生了深远的影响,标志着人类进入了“电气时代”,大规模电能运用使得人类的生产生活可以在晚上进行,促进了物质财富的累积。第三次工业革命从20世纪四五十年代到现在,是以计算机为代表的信息技术革命,使传统工业更加自动化和信息化,彻底改变了整个社会的运作模式。能源的利用逐步向智能化、信息化和集成化方向发展。人类史上的三次工业革命使得人类进入了越来越繁荣的时代,但三次工业革命也导致了很大的问题:一是造成巨大的能源及资源消耗;二是导致了巨大的环境及生态破坏。因为21世纪人类面临着空前的能源危机、资源危机和生态危机,因而下一次工業革命迫切需要解决这些问题。而目前,基于信息物理系统(Cyber-Physical System,CPS)的智能化,人类将步入第四次工业革命,也称之为绿色工业革命,其包含两大主题:“智能工厂”和“智能生产”,但主体在智能,而不是工厂和生产,不再以资源过度消耗及环境污染为代价,而是遵循人类社会及自然界的发展规律,逐步解决前面遗留下的问题。正因为如此以智能化为导向推动能动类学科的发展刚好是解决这一问题的核心,在新工科的背景下,能动类学科的发展必须符合第四次工业的要求,力争解决生态环境的恶化、自然资源和能源的过度消耗等问题。

2.能源互联网的发展。能源互联网是以原主力电力网为基础,利用互联网技术,融合可再生能源、天然气网、氢能网等多能源网,形成多种能源利用和多元主体参与的能源互联共享网络[8]。其内涵是以互联网理念构建新型能源融合的电网,以常规大电网为主电网,以小型微网为局域网,统一信息架构,实现能源双向按需传输和动态平衡使用。能源互联网具备五个特点:(1)可再生能源是能源互联网的主要能量供应来源。(2)每个分布式微型能源网络构成能源互联网的一个节点。(3)整个能源互联网需要各微网联起来进行能量交换才能实现能量平衡与需求。(4)系统具有开放性,发电装置、储能装置和负载能够“即插即用”。(5)原来大电网中融入了微型能源网络,构成新型的大范围分布式能源共享互联网络[9]。不难发现,微网是能源互联网组成的基本要素,原大电网是能源互联网的主干网,因此能动类学科发展必须满足能源互联网的发展趋势。

二、能动类实践体系现状分析

目前,我校能源与动力工程大类专业现有的专业实验课大部分属于“课夹实验”,实验项目大多停留在验证性阶段,专业基础课程实验与后续的应用性和技术性的专业课程实验隔离,没有形成系统的实验框架和体系。而且学生实验时照本宣科,得不到基本的试验技能训练,更谈不上与研究性和创新性的“专业创新实验”和“科研训练实验”产生联系,没有形成系统的实验框架和体系,学生很难建立一整套关于能源利用的知识结构。显然,这种实验方式只能有限度的帮助学生对专业理论的理解,而对培养学生的分析问题和解决问题的能力作用不大,更谈不上对新工科学生综合素质的提高,培养学生创新思维和创新能力。并且实验体系多数强调课本知识的学习及操作能力的培养,对学生综合素质,尤其是在社会责任方面的意识培养方面存在不足,工程综合素质培养需加强。

在新工科背景下,现有的实践教学的教学理念及体系等方面还存在诸多不足,不利于新工科创新复合型人才的培养。各门实验教学课程大多是按照理论课程设置,并根据自身的需要开设各实验。这种实验教学体系最大的问题就在于实验内容跟不上新时代实践教学的发展,没有与时俱进,不利于新工科背景下学科、课程的交叉融合和学生综合能力、创新能力的培养。

由此可见,目前的能动类专业实验教学水平尚不能支撑新工科培养方案提出的人才培养目标和培养规格的实现,同时也很难满足学科建设和国家经济快速发展对人才培养的要求,也很难适应现代新工科高等教育对实验教学的要求。开展以现代智慧能源利用系统为主线的系列实验课程建设已成为现实的迫切要求。通过系统化的实践教学培养高素质、能力强的学生,使学生不但能适应当前工程教育认证大环境与国际实质等效的专业认同理念,又能提高自身的能力、开拓视野,紧跟第四工业革命步伐,切实发展能源互联网。

三、能动类新工科人才实践教学体系的初探

1.新工科人才实践体系的建设思路。在第四次工业革命即将爆发的今天,在能源互联网高速发展的当下,能动类学科以分布式能源系统为切入点构建能动类新工科人才培养体系是一种行之有效的方法。课程体系建设必须体现强化知识的交叉融合,拓宽现有能动类知识领域,突出工程实践与人文社科的融合,基于此能动类新工科实验教学体系建设总体框如图1所示:通过以分布式能源热电冷三联供系统为基础,进行模块化系统搭建,同时辅以微藻能源、生物质能、太阳能、风能、蓄冷蓄热等多种节能减排手段,如图构建低碳绿色、低碳节能的能源实验体系。该体系主要是以分布式微网为探索方向,学生通过递进式系统学习,将全面掌握各模块知识,并系统构建能动类知识体系。该体系对能动类新工科人才培养起着显著的支撑作用。

2.能动类实践教学体系的探索。新工科人才的实践教学体系的建立首先要构建能源动力领域的理论知识体系,学生运用相关领域理论和能源应用方面相关知识,系统掌握能源高效利用及节能技术,能源动力领域的理论知识课程体系如下。

基于上述理论课程体系构建了能动类实践教学体系,构架图如图2所示。分为四个实验体系:(1)能源转换实验体系:在该体系中包含各种燃料的制备及合成、可燃物质的气化及热解和微藻产生生物燃油等。在能源转换过程中主要包含化学能转换为热能、热能转换为机械能及机械能转换为电能等。(2)能源利用实验体系:能源的高效利用要求消耗同样的能源获得较多的效益,因而能源的梯级利用显得尤为重要,通过按质用能和逐级多次利用两个方面进行,从而提高了整个系统的能源利用效率。基于此设计了多个实践项目:太阳能、风能、燃料电池和热电冷三联供系统试验;微型燃气轮机系统特性试验;热电冷联产和余热回收试验等。(3)能源储存实验体系:能源储存及输配是相互依存的,对大多数能量转换或利用系统而言,获得的能量和需求的能量常常是不一致的,为了使能量利用的过程能连续地进行,就需要采用能量储存措施或专门设置一些储能设备,主要有热能及电能、化学储能的储存等。(4)系统监视与控制及工程伦理实验体系,该模块主要强调培养计算机模拟工程实际的能力和培养新工科学生工程伦理素养,有效地激发了学生对相关工程问题的道德敏感性,培养具备专业素质和人文精神的新工科工程师,为国家建设和发展提供应用型创新人才。总之四个实验体系,层次分明,逐级递增。

四、结语

在第四次工业革命即将高速发展的当下,人才短缺是一个必须解决的问题,本文以能源互联网为切入点,对新工业革命体系下能动类人才培养体系进行了探索,对分布式能源微网进行了探讨,初步构建了能动类实践教学体系,根据学生掌握知识面的程度,对实验教学体系和内容进行了递进式的探索,为能动类新工科人才实践体系提供了一种可能方案。

参考文献:

[1]教育部.“新工科”建設复旦共识[J].高等工程教育研究,2017,15(1):10-11.

[2]教育部.“新工科”建设行动路线(“天大行动”)[J].高等工程教育研究,2017,(2):24-25.

[3]林健.深入扎实推进新工科建设——新工科研究与实践项目的组织和实施[J].高等工程教育研究,2017,(5):18-31.

[4]周静,刘全菊,张青.新工科背景下实践教学模式的改革与构建[J].实验技术与管理,2018,3(35):165-168.

[5]戴亚虹,李宏,邬杨波,陈芬.新工科背景下“学践研创”四位一体实践教学体系改革[J].实验技术与管理,2017,12(34):189-195.

[6]顾菊平,堵俊,华亮.新工科视域下综合性大学电气类创新型人才培养的路径选择[J].中国大学教学,2018,(1):56-60.

[7]冯丹艳,莫玉梅.新工科理念下机械设计制造及其自动化专业人才培养模式探讨[J].山东工业技术,2017,(22):231-231.

[8]田世明,栾文鹏,张东霞,梁才浩,孙耀杰.能源互联网技术形态与关键技术[J].中国电机工程学报,2015,35(14):3482-3493.

[9]查亚兵,张涛,谭树人,黄卓,王文广.关于能源互联网的认识与思考[J].国防科技,2012,33(5):1-6.

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