新工科视野下能源化学工程专业创新型人才培养体系构建

王淑勤，李金梦，刘丽风,苑春刚

(华北电力大学 环境科学与工程系，河北 保定 071003)

当前，我国以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，相比于传统工科人才，新经济发展迫切需要创新能力与实践能力更强的新型工科人才支撑， 需要地方高校面向未来培养具有跨界整合能力和创新创业能力的工程科技人才，探索个性化和多元化的人才培养模式[1-3]。基于我国能源战略新需求、人才培养新形势、立德树人新要求，需要加快推进新工科建设，深化我国高等工程教育改革[4-6]。

华北电力大学是一所能源电力为特色的“双一流”建设大学，肩负着为国家和能源电力行业培养高素质人才的重要历史使命。为适应国家清洁能源发展需求和能源电力行业未来发展，解决我国目前传统煤炭行业、电力企业面临的发展问题，在大学整体规划下，依托环境工程、应用化学两大学科优势，于2011年建立能源化学工程专业。经过8年的建设和实践，能源化学工程专业已经构建了以新工科为导向的人才培养体系。在专业建设和教学实践过程中逐渐形成了以“能源清洁利用与转化”国家需求为人才培养目标的课程体系、教学团队、实习实训和创新创业的特色教育教学模式[7]。打破传统以理论教学为主的课程体系，建立理论教学、实践教学和综合素质养成三维并重的课程体系，创新性构建具有目标导向的课程群和创客团队，建设了基于创新能力培养的校内实践平台和基于行业职业发展的校外实习基地，实现了专业基础知识学习、专业技能锻炼、创新能力培养和优秀成果产出的有机衔接[8-9]。

1 能源化学工程专业创新型人才培养现状

我国社会经济迅猛发展，一跃成为世界第二大经济体，对能源需求急剧增大，能源清洁利用与可持续发展成为了国家战略层面亟需解决的重大战略问题。培养高素质、创新型的能源化学工程专业人才是解决国家未来能源发展的重要基础。然而，目前我国能源化学工程专业的课程设置、教材建设、培养模式等多以传统的“教与学”方式为主，缺乏具有鲜明能源电力特色的课程体系构建和人才培养模式。从培养能源电力污染控制人才需求分析看，主要存在以下问题：

(1)课程体系不系统、培养方案不完整。传统的课程体系缺乏完整性，教学内容比较陈旧，各学科之间联系不够紧密，不能体现新工科"学科交叉融合"的特点，无法实现不同知识点、不同学科之间的整合[10]。学生的自学能力、创新能力、思维扩展能力都有待加强。

(2)实践环节相对弱化，不能落实到位。很多高校工科专业实验室设备单一，实验基地不足，导致学生实战经验缺乏。实践教学项目范围偏窄，此外，一些科研项目、综合实践项目在实验空间、科研平台上呈现碎片化，限制了学生在实践过程中创新能力及解决复杂问题能力的培养。

基于以上问题，为满足新工科背景下创新型人才培养的需求，培养出具有团队合作意识、创新创业意识、多学科思维的复合型新工科人才，我校多角度地探讨了能源化学工程专业实验教学改革的举措，提出新工科创新型人才培养设计思路。具体思路如下：

(1)以立德树人为根本任务，强化新工科理念，改进教育教学方法、实现全过程育人。

(2)面向我国重大能源战略需求和行业发展人才需求，创建具有能源电力特色的创新型人才培养模式。

(3)打造具有行业特色、创新导向的课程体系。

(4)建设以技能培养和实际工程应用的实验中心及实习实训基地。

(5)实现科研教学良性互动，启发培养学生专业认同感、创新创造能力和追求卓越意识。

2 完善以工程创新能力为核心的教学体系

2.1 强化新工科理念，实现了全过程育人

教育教学各环节融入教书育人以及新工科理念，通过和课程知识点相结合的方式，引申讲解习近平新时代社会主义思想，培植爱国主义情怀和积极进取的职业操守。让学生在学习专业知识的过程中，潜移默化受到正确的思想熏陶。同时将立德树人的根本任务融入到课堂和实践教学等多个环节，涵盖专业概论课中的职业规划指导、专业课中传统文化自信和技术改造中责任担当意识的培养、创新实验中自主创新和攻坚克难永不放弃的工匠精神培养、课程设计以及毕业设计中社会责任感的培养等全过程，形成了全过程育人的培养机制[11]。

2.2 创建具有行业特色、创新导向的教学体系

为实现设定的人才培养目标和课程教学目标，必须以恰当的方法完成实践课程的学习，在传统的实践教学模式中，老师是主体，学生按部就班完成老师留下的任务，无法发挥学生的主观能动性。而新型实践课程教学模式(见图1)以学生为主体，学生在教师的指导下，以科学的方式发现问题，分析问题，解决问题的全过程。打破了传统教学模式下教师对科研的垄断，在实践环节采用设计性实验和综合实验相结合的方式对课程实验进行改革，配合课外创新实验内容持续改进，更注重让学生自主研究，自行设计实验方案，促进学生创新能力的发展。自学辅导、案例教学、仿真模拟、启发教学、PBL教学等研究性教学模式配合课堂派、MOOC等网络资源可以提升课堂教学效果，全面贯通知识点，实现从重视知识的传授、智力的培养向重视能力培养的转变，从以学习知识为主的知识目标向以学习方法为主的能力目标的转变[12-13]。利用仿真教学及动态模拟，学生可以加深对重要知识点的认识，增加难点知识的学习趣味性，提高学习效果，克服了只能看到设备的表面运行，不能动手，对内部结构和设备流程相互关系弄不懂的困难[14]。新兴MOFs、全固态锂离子电池材料、生态修复等功能材料开发，超级电容器的电极材料和固态电解质研制，产氢技术、质子交换膜的研究以及数控机床、3D打印等先进技术的应用开阔学生视野、提升学生实践技能、创新能力，同时也增强了学生就业竞争力。促进了国家、省级教研、科研项目和高水平教研、科研论文等成果的产出，理论与实践融合成效显著。

图1 新型实践课程教学模式

2.3 创建具有鲜明能源电力特色的创新型人才培养模式

根据能源电力的人才需求，经过8年的建设、改革与实践，构建了我国能源化工专业中独特、完备的创新人才培养模式。通过课程内容优化、教学方法改进、实践环节持续改进、构建课程群和科教深度融合，实现完整、连贯、符合学生成长规律的人才培养模式。通过“一个中心，两个体系，三个模块，四个课程群、五个创客团队”的实施方案(见图2)，采用了问题教学、案例教学、启发教学等以学生为中心的新的教学理念，培养“厚基础、精专业、强应用、能创新”的复合型人才。

图2 能源化学工程专业改革实施方案

图3 多层次实践教学体系

图4 专业课程群的构建

图5 五大创客团队

“一个中心”是以兼具学科专业“新结构”，人才培养“新模式”，工程教育“新质量”的创新型人才培养为中心；“两个体系”为课程教学体系和实践实习教学体系；通过“两个体系”的综合改革和持续改进，将教书育人和兴趣、怀疑与猜想、反驳、验证、拓展五大素质培养贯穿各个教育教学环节，培养正确的人生观、价值观和世界观，厚植爱国主义情怀和专业担当意识；图3所示的多层次实践教学体系的构建扩宽广了专业基础知识，锻炼实践动手能力和解决实际问题的应用技能，培养学生自主学习和主动求真的终身学习能力。打破单门课程的孤立状态。“三个模块”为“公共基础课”、“专业基础课”、“专业课”的课程模块，各个模块相互依托、协调，整体由浅入深，由简单到综合，目标明确，在这个过程中理解各个学科之间的关联性，逐步构建完整的知识体系[15]。根据课程内容和领域构建“四个课程群”，如图4所示，分别为“化石能源转化与利用”、“能源电力与化工环保”、“功能材料开发与评价”、“储能材料及新能源转化”。“四个课程群”的构建实现专业课程教育的模块化，形成了科学合理、有机衔接的课程群结构，强化以问题导向的多学科知识综合运用，培植学生的实际应用能力。“五个创客团队”(见图5)为“煤及生物质转化与应用”、“环境友好型材料开发及水质净化”、“新型储能材料及新能源转化技术研发”、“功能材料开发及高品质产品回收利用”、“催化剂制备及性能评价”。涵盖了当前能源化学工程主流研究方向，通过创客团队引领学生在低、中年级即进入相关课题研究，培养科研兴趣，带着问题听课堂，达到激发学习兴趣、培养创新意识的双重目的。

2.4 创新型实验平台构建推进教学改革

结合科研和大学生创新实验的研究成果，自行设计并建设了“CO2捕集试验台”，“催化剂性能评价试验台”，“微滤-反渗透除盐试验台”等10套具有中试规模的试验系统；“催化剂失效再生实验装置”，“光催化实验装置”，“生物接触氧化实验装置”等10套具有小试规模的试验系统和2套仿真实验模型(图6)，这些设备不仅提高了设计性、综合性实验的开出率，及工程教育的质量，还促进了国家重大项目、省级重点项目和高水平科研论文等成果的产出，科教融合成效显著。同时结合本科毕业设计开发了多套仿真教学软件，先后增设了 3门仿真实践教学内容，形成了华北电力大学能化专业实验教学的鲜明特色。

(a)催化剂失效再生实验装置；(b)新型光催化反应器；(c)生物接触氧化实验装置；(d)自行设计的填料 图6 主要的小试装置

3 教学成果

我校能源化学工程专业在开展教学改革后，在创新型人才培养方面取得优良成果，产出了9篇高水平科研论文，授权了7项权利，研制了10套小试装置。指导学生获得专利及软件著作权7项，指导本科生共获国家级奖68人次、省部级奖59人次；学生考研上线率超过65% 位居全校前十。通过教学改革为我国能源电力行业培养了大量创新型优秀人才。成果已经获得校教学成果一等奖，河北省教学成果二等奖，改革方案得到了国内高校的认可，产生了重要影响。

4 结束语

华北电力大学作为能源电力行业类高校，在新工科建设方面做到专而深，力求把能源化学工程专业打造为有特色、有深度的专业。在新工科背景下从综合素质培养、课程体系构建、实验平台建设等方面推进教学改革，培养创新型人才。在课程体系构建过程中，注重各学科之间的交叉，能够做到由浅入深，实现全面贯通知识点，在实验平台建设过程中，结合科研和大学生创新实验的研究成果，学生可参与实验设计和实验平台建设，培养学生的创新能力、思维能力、合作能力、科研能力、管理能力和工程意识。总之，开展教学改革后，取得了一系列实践成果，有效地促进了学生工程素养以及创新精神与创新能力的提升。