楊俊偉 陳東陽

摘 要：實驗教學是應用型本科教育的重要組成部分，它在培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力方面發(fā)揮著其他教學環(huán)節(jié)不可替代的作用。針對新能源專業(yè)實驗教學現(xiàn)有的各類問題，結(jié)合目前的智能技術(shù)背景提出了實驗體系教學的改革思路，探討其實施方案和具體評價措施。通過智能技術(shù)構(gòu)建高效的實驗教學模式，構(gòu)建新時代符合新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實驗教學改革思路。

關(guān)鍵詞：實驗教學;改革探討;新能源工程

中圖分類號：G642.0 ?文獻標識碼：A

Abstract：Experimental teaching is an important part of independent college teaching.It plays an irreplaceable role in cultivating students' practical ability and innovative ability.In view of the existing problems in traditional experimental teaching of renewable energy engineering，the current work proposes to the reform ideas of experimental systematic teaching，discusses its implementation plan and concretes evaluation measure under the background of intelligent technology.From teaching content，the renewable energy professional experimental system of talent training mode can be built in the new era.

Keywords：experimental teaching;exploration and discuss;renewable energy engineering

一、概述

隨著社會高度信息化與人工智能的快速發(fā)展，傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)模式已經(jīng)不再適應當今社會的需求，新時代對工科人才培養(yǎng)賦予了新的內(nèi)涵[1]。新一輪的能源革命的興起，加快發(fā)展新能源技術(shù)已經(jīng)成為各個國家普遍的共識。新能源科學與工程作為一門新興專業(yè)，正是在新時代對新型人才的需求響應下，為了應對新興科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略而急需設置的專業(yè)。如何打造專業(yè)特色，突顯應用型新工科新能源工程類專業(yè)人才培養(yǎng)是新時期面臨的重要課題。智能技術(shù)背景下的新能源科學與工程人才培養(yǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)工科的人才培養(yǎng)，在融合新興學科的基礎上，還需要從合適的角度切入，對相關(guān)人才培養(yǎng)體系進行進一步的完善[2]。同時實驗教學是應用型本科院校實現(xiàn)培養(yǎng)目標的一個重要組成部分，也是培養(yǎng)學生應用及實踐、創(chuàng)新能力的關(guān)鍵渠道。通過實驗可以讓學生更加直觀地觀察到本質(zhì)現(xiàn)象，并在培養(yǎng)學生工程實踐等方面發(fā)揮著其他教學環(huán)節(jié)無法代替的作用。目前教育部已批準的大部分新工科專業(yè)，他們實際上是面向新興行業(yè)設置的，也就是說，新工科專業(yè)大多是從行業(yè)的角度進行設置，而非從學科角度出發(fā)，這必然會使得人才培養(yǎng)方面存在局限，和傳統(tǒng)的化石能源相比，我國的新能源競爭力還是偏弱，技術(shù)水平和建設成本還需要進一步提升。探索研究智能技術(shù)背景下的專業(yè)人才培養(yǎng)有利于工科專業(yè)的健康發(fā)展，同時也為推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，布局相關(guān)新能源產(chǎn)業(yè)體系，有著不可替代的作用。

二、新能源專業(yè)實驗教學中存在的問題

區(qū)別于傳統(tǒng)理工科專業(yè)，新能源科學與工程專業(yè)是近年隨著國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整才出現(xiàn)的新興專業(yè)，其教學及實驗資源還在不斷地完善。受到專業(yè)性的限制，在面向新時代智能背景下的新能源教學資源還處于空白，如何在原有的實驗教學資源的基礎上進行改進升級，真正做到符合培養(yǎng)創(chuàng)新人才的目標，是當前新能源專業(yè)面臨的一個重要難題。

（一）實驗教學內(nèi)容不全及較為滯后

傳統(tǒng)意義上的教學內(nèi)容都是從學科門類的角度設置，各學科間無相互關(guān)聯(lián)。而對于新能源科學與工程專業(yè)而言，其培養(yǎng)目標要求學生能夠立足風力發(fā)電、光伏發(fā)電、智能電網(wǎng)、電力儲能以及生物質(zhì)能等領域，但傳統(tǒng)新能源學科的相關(guān)課程教學體系中缺乏針對這些新技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容擴展，在知識結(jié)構(gòu)、理論體系等方面與目前的發(fā)展狀況相比較為滯后。鑒于專業(yè)技術(shù)的廣泛性特點，相關(guān)實驗教學的內(nèi)容仍不夠全面。

（二）實驗建設資金投入有限，缺乏實驗場所

由于新能源專業(yè)的學科交叉特性，因此實驗項目以及教學所需的設備比較龐雜。缺乏必備的專業(yè)實驗室及相應的測試設備，將新能源專業(yè)實驗等同與其他類實驗教學，嚴重阻礙了新能源專業(yè)實驗教學的健康發(fā)展。例如新能源專業(yè)有關(guān)相關(guān)風力機、光伏發(fā)電等實驗教學的模擬，需要配備專業(yè)的實驗室及相應的測試設備，然而大部分高等學校的工程專業(yè)并不具備該實驗的條件，新建設的實驗室占地面積大，所需的測試設備要求高且費用貴，且一般高精密專業(yè)測試儀器多為科研院所專用。

（三）實驗創(chuàng)新不足難以實現(xiàn)人才培養(yǎng)

目前電力行業(yè)中新能源風力發(fā)電已經(jīng)成為我國第三大電力來源，但相比于國外高校和科研單位，我國目前相關(guān)開發(fā)還處于滯后階段，如海上風電等領域核心技術(shù)依然使用的是國外技術(shù)。原有的實驗教學儀器難以滿足新的教學內(nèi)容要求，仍然采用原有的實驗方法將無法復現(xiàn)各類實際問題，如實際風力機運行時出現(xiàn)的各種動態(tài)特性、直流微網(wǎng)中電能質(zhì)量優(yōu)化改善及相關(guān)設備故障診斷與功率預測等相關(guān)知識的學習，無法進行實際的操作，這也一直是實驗教學的一大瓶頸。

（四）社會需求難以適應

隨著新能源技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化步伐的加快，我國新能源取得了跨越式的發(fā)展，但隨之而來的是應用規(guī)模的不斷擴大，隨著國家相關(guān)能源戰(zhàn)略布局快速進展，新能源的行業(yè)的相關(guān)核心技術(shù)的研究仍需進一步完善。應用型人才的培養(yǎng)和實際企業(yè)技術(shù)需求存在偏差，校企合作都是以解決實際技術(shù)問題的形式為主導，項目周期短，本科層次學生無法參與其中。

三、實驗體系教學改革探討

新能源科學與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)從專業(yè)角度來看，需要較好掌握新能源電力裝備技術(shù)、發(fā)電接入技術(shù)、電網(wǎng)智能調(diào)度與控制技術(shù)等應用，因此為了適應和滿足新能源領域人才培養(yǎng)的要求，對實驗教學體系進行改革，將成為新能源產(chǎn)業(yè)需求發(fā)展的必然選擇?；谏鲜鲈?，實驗體系教學改革探討具體如右圖所示，實驗體系教學改革探討需要建設跨學科教科研團隊，推進新能源領域的多學科交叉。從滿足較高的實驗可視化、操作性以及較優(yōu)的經(jīng)濟性的實驗教學角度，需要充分應用現(xiàn)代計算機數(shù)字虛擬技術(shù)對相關(guān)實驗教學方式進行改進是必由之路[3]，同時通過遞進式的手段，全方位地推進實驗課程的學習，并以解決新能源工程等領域的實際工程問題為導向，轉(zhuǎn)化與利用相關(guān)方面知識。這樣才能適用國家創(chuàng)新能源技術(shù)發(fā)展的需要，滿足面向現(xiàn)代智能技術(shù)環(huán)境下的新能源工程人才培養(yǎng)的要求。

（一）實驗體系教學內(nèi)容改革

應用型本科院校新能源專業(yè)人才培養(yǎng)的目標主要是能夠滿足適應全球新能源發(fā)展急需性、可持續(xù)化的人才需求，具備優(yōu)秀的人文自然科學文化修養(yǎng)、社會責任感使命感和厚實的專業(yè)基礎理論，系統(tǒng)地掌握新能源專業(yè)知識的工程技術(shù)人才。因此，其中的實驗系列教學要體現(xiàn)學科的綜合性，并以新能源行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈為基線，構(gòu)建專業(yè)課程體系。既要反映出學科的綜合性和交叉性，又能反映出新能源專業(yè)的專業(yè)內(nèi)涵。且在實際教學時可以某專業(yè)方向為主，并在其他風能、太陽能、生物質(zhì)能、水力能等領域開設相應的專業(yè)選修課程，促使學生能夠掌握兩種或兩種以上的新能源技術(shù)和技能。

（二）實驗體系教學方法探索

顯然，要想實現(xiàn)內(nèi)容豐富的實驗教學方式，必須要將現(xiàn)有的實驗教學資源以及相關(guān)專業(yè)知識的效用最大化發(fā)揮出來。通過對與專業(yè)有關(guān)的教學實驗設施、設備、實驗模塊以及相關(guān)實驗室進行整合更新和改造是進行實驗體系教學改革的必由之路，在提升教學質(zhì)量的同時，也同樣能夠為學生提供更多的實踐操作機會，豐富學生感性認知度和理性邏輯思維，從而提高學生的創(chuàng)新實踐能力。

1.運用智能技術(shù)開展實驗教學，培養(yǎng)實踐能力

運用智能技術(shù)開發(fā)建設虛擬仿真實驗系統(tǒng)，有效地減少了傳統(tǒng)實驗教學中存在的問題。計算機數(shù)字虛擬仿真系統(tǒng)實驗在形式上完全區(qū)別于以往傳統(tǒng)的教學，實驗教學中利用數(shù)字虛擬仿真可以解決傳統(tǒng)的實驗教學難于描述清楚的某些設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)或比較抽象的實驗行為[4]，學生通過身臨其境的操作，通過實驗效果觀察，實現(xiàn)高仿真度的教學過程。以新能源專業(yè)風能方向?qū)嶒灲虒W為例，智能技術(shù)背景下通過虛擬仿真實驗實現(xiàn)相關(guān)風力機相關(guān)空氣動力學實驗，掌握有關(guān)風力機葉片氣動設計與分析方法，熟悉葉片氣動性能的影響因素（翼型結(jié)構(gòu)、風況、變槳/偏航、附加氣動裝置）及其變化規(guī)律，掌握風力機整機氣動特性的試驗與測量方法以及風電場的優(yōu)化布局設計。這些都是在實際教學中難以真實實現(xiàn)的。同時虛擬仿真實驗教學可反復多次進行循序漸進的測試，避免了物理模擬所產(chǎn)生的高風速、強電流、大電壓等對實際實驗室及測量設備的沖擊，極大降低了實驗教學成本，傳統(tǒng)實驗教學中存在的系列問題得到了有效解決。

同時將虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗虛實結(jié)合，培養(yǎng)學生實驗實踐能力。根據(jù)實驗的需要和計算機仿真實驗的特性，科學合理地組織實驗計劃，設計教學結(jié)構(gòu)?？茖W合理地安排設計計算機數(shù)字虛擬仿真實驗教學結(jié)構(gòu)，會直接影響到學生對實驗知識掌握的程度。構(gòu)建理論知識、仿真實驗以及創(chuàng)新實踐的虛擬實驗體系，以解決問題為導向，提高學生實踐能力，并增加具有工程價值、前瞻性實驗的比例，以此完善實驗課程的內(nèi)容，打造高水平創(chuàng)新的實驗項目。

實驗教學是一門實踐性很強的課程，其目的除了驗證理論，更重要的是在實驗中不斷地開發(fā)培養(yǎng)學生的實驗研究及創(chuàng)造思維能力。為了讓學生的能力得到充分鍛煉，在其應用過程中，可整體安排、分段實施。使學生從基本操作逐步過渡到具有一定獨立工作能力的工程應用性、創(chuàng)新設計性實驗。按照新能源工程應用型本科專業(yè)課程資源建設要求，從學生認知、實驗內(nèi)容設計與規(guī)律、工程應用實踐經(jīng)驗方面出發(fā)，形成“發(fā)現(xiàn)問題—研究問題—解決問題”的完整實驗過程，在不斷反復的實驗過程中提高學生的問題解決能力。

2.構(gòu)建遞進式的課程體系，注重強調(diào)效果評價

構(gòu)建遞進式的實驗課程體系，通過“課設+科創(chuàng)+實驗+競賽+畢設”五位一體的遞進式實驗模式，融合基礎專業(yè)知識與實踐，學科競賽與科創(chuàng)，實驗教學與科研項目相互促進，畢業(yè)設計與實際工程相互銜接，大力推進創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。因此，在課時設置中增大實踐教學課時量，建立以能力培養(yǎng)為主線，分層次、多模塊、相互銜接的與理論教學有機結(jié)合又相對獨立的實驗教學體系，同時對已開的實驗課程及時進行總結(jié)提升，整合實驗教學資源，提高實踐教學的系統(tǒng)性和創(chuàng)新性。

并且強調(diào)對實驗教學評價，可以使得專業(yè)教師更加專注于實驗實踐課程。一套完整的實驗教學評價規(guī)章制度可以高效率地加強對應用型人才培養(yǎng)的實施過程全面監(jiān)控。在建設評價體系時，緊密結(jié)合實驗教學實際，將教師、技術(shù)人員、學生、管理部門既作為評價的主體又作為客體，四個主客體間互評互換，同時邀請專家同行進行評價和監(jiān)督，從而使體系指標更完善、更科學。大大提高了學院師生教與學的熱情以及積極性，有效培養(yǎng)了學生之間的合作精神和創(chuàng)新能力，保證了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

3.以產(chǎn)業(yè)鏈為基線，培養(yǎng)創(chuàng)新人才

新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要順應科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的發(fā)展趨勢，并在此基礎上積極推進產(chǎn)學研深度合作，探索校企合作新模式。因此可建立校企聯(lián)合研發(fā)中心，將企業(yè)應用的前沿問題引入實驗課程內(nèi)容，聘任企業(yè)工程師擔任客座教授，將企業(yè)工程問題引入畢業(yè)設計課題，采用與企業(yè)同步的技術(shù)實現(xiàn)與企業(yè)需求無縫對接，為理論知識實際應用直接打通渠道，并建立實驗室開放的模式，打破學校部門之間的分割狀態(tài)，充分發(fā)揮多學科綜合優(yōu)勢，利用現(xiàn)有的各學科實驗技術(shù)條件，為人才培養(yǎng)、科技發(fā)展、經(jīng)濟建設和社會發(fā)展提供服務。創(chuàng)建大學生工業(yè)園區(qū)，利用實驗室的現(xiàn)有設備實驗條件對學生開放，提供專業(yè)相關(guān)活動的場所。

同時鼓勵青年教師到地方、企業(yè)進行工程實際鍛煉，使教師能夠參與到新能源工程建設、技術(shù)咨詢、運維檢測等工程實際環(huán)節(jié)，以產(chǎn)學研合作為契機與企業(yè)共同打造創(chuàng)新人才，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新共同研發(fā)，增加新能源專業(yè)教師項目參與程度。同時學校方面需要加強人才培養(yǎng)體系建設，明確新能源專業(yè)建設和教學改革職能，提高實驗教學管理的制度化和規(guī)范化，致力于促進學生基礎理論、實踐技能的綜合發(fā)展，滿足多學科交叉和國家能源戰(zhàn)略需求，將國際優(yōu)秀成果融入培養(yǎng)方案、課程建設、教學過程和考核方式等優(yōu)化構(gòu)建培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

結(jié)語

針對新能源科學與工程的實驗教學現(xiàn)有的問題，探討了在智能技術(shù)背景下應用型本科教育實驗體系教學的改革思路，嘗試在智能技術(shù)的背景下改變原有的教學手段及內(nèi)容，說明在實驗教學中運用虛擬信息技術(shù)的優(yōu)越及便利性，在此基礎上對實驗教學進行改進，優(yōu)化新能源專業(yè)實驗教學質(zhì)量。隨著新能源和智能技術(shù)的深度融合，以智能技術(shù)為特征的能源革命必將推動新能源專業(yè)人才的培養(yǎng)模式變革，實驗教學的改革將為推動新能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮巨大的作用。

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基金項目：江蘇省自然科學基金項目BK20190871;國家自然科學基金項目12002301

作者簡介：楊俊偉（1990— ），男，漢族，江蘇揚州人，博士，講師，研究方向：新能源科學與工程;陳東陽（1987— ），男，漢族，江蘇連云港人，博士，講師，主要從事流固耦合動力學研究。