“新工科”背景下能源类通识课程综合实践教学项目的探索

林蔚然，汤 彬，陈 凯，赵 萌，李双寿

（清华大学 基础工业训练中心，北京 100084）

工科院校是培养社会主义现代化建设骨干人才和领军人才的摇篮，其教学内容的相对滞后是阻碍先进技术快速实现推广应用的主要因素之一[1]。工程教育如何使课程建设与时俱进，实现其与社会科学技术需求的协同发展，已成为教育界广为重视的课题[2]。2017年教育部办公厅发布《新工科研究与实践项目指南》，明确提出了“新工科”教育应对变化、塑造未来的教学建设理念，要求根据工程技术最新发展构建面向“新工科”的工程实践教育体系，推进基于成果导向的工科学生工程实践能力培养[3]。我校对通识教育课程体系进行了不断探索和思考，认为基于学习产出的定义、实现与评估成效的基准教育理念（OBE）适用于通识教育的课程设计[4]。

随着信息技术的不断进步，全球工业正加速进入4.0时代，信息技术已成为新一轮产业变革的核心驱动力，各领域技术创新的重要路径之一就是与信息技术相结合。作为人类社会正常运行和发展的重要基础保障，能源产业在自身发展迭代的同时，不断与信息技术深入融合，如将信息技术用于数据中心节能，将信息技术应用于油气勘探和开采，基于信息技术的虚拟电厂，以及将信息技术应用于太阳能发电及风能发电系统等。作为通识性能源技术课程，面对新形势和新任务，应积极响应产业发展和国家需求，不断深化能源类工程教育改革，应结合通识教育特点，合理更新和设置课程内容，实现人才培养目标[5-6]。

本文依据通识教育理念，以技术应用广泛、技术模块典型、装置规模适中、展示性强的太阳能光伏发电装置——智能追光光伏发电装置——的实践教学建设为例，从建设背景、建设内容以及考评方案设计三方面，深入探讨了如何在传统能源实践教学中融入信息传感、智能控制、电子电路、数控加工等多学科、现代化技术内容，如何在环环相扣的实践教学设计中保证不同专业背景学生都能完成所有教学环节，以及如何从考评方案上激励学生各展所长、协作互学、发挥创造性。本实践教学项目已用到我校能源类通识课程“能源技术创新与实践”中，教学反馈良好，是一种具有推广价值的能源类通识课程实践教学建设新思路。

1 智能追光光伏发电综合实践教学的建设背景

带有智能追光模块的光伏发电装置的制备涉及多门专业课程知识。我校与此密切相关的课程包括太阳能光伏发电及其应用、可再生能源与未来电力技术、可持续发展的能源战略、机器学习在能源动力工程中的应用、机电智能控制工程、智能控制、制造技术、电工与电子技术等十几门课程。这些课程多以课堂讲授为主，虽然其中一些课程安排有随堂实验，但其目的是加强学生对某一特定知识点的掌握。如何使学生将相对独立的专业课知识进一步融会贯通、实现综合运用，是“新工科”教育赋予每个专业教师的重要任务，也是构建与经济社会发展需求相适应的实践教学体系的必然要求[7]。

鉴于能源领域综合工程实践教学的重要性，不少高校的能源与动力工程专业对此进行了大量研究与探索。2015年，陆晓东等[8]介绍了光伏专业实践教学体系的建设情况，阐述了依据实际产业中的岗位需求进行专业体系课程设置的理念，提出的具体实践教学模块包括晶硅片加工及晶硅电池加工、电池组封装等，较全面地覆盖了传统太阳能光伏电池的制造技术。李媛等[9]将电气实践与新能源实践相结合，开发了全开放式新能源实验平台，针对新能源的发电特性及并网技术设计了独具特色的实践教学模块。袁小平等[10]研制了包括光电转换、风电转换、光热转换三部分内容的综合演示实验平台，能够很好地演示新能源转化和利用的过程及原理，更直观、生动地实现教学目标。邓清华等[11]围绕能源产业的发展趋势和人才需求，建设了综合性多能互补分布式能源系统实验平台，涵盖热力系统设计与测试、热力调度控制以及热力设备教学演示等技术模块，为能源动力专业及相关专业学生提供了教学、项目设计及科研创新平台。宋关羽等[12]集成了风力发电和光伏发电、蓄电池储能及可控负荷等产—储—用一体化微电网实验平台，取得了较好的教学效果。

综上，这些能源技术领域的综合实践教学项目具有较高的知识深度，较适于配合专业课开展，而不大适用于通识教育。而且这些已有的实践教学项目大多侧重能源系统及电网技术，以智能追光模块的光伏发电装置作为实践教学项目的探索不多。近年来，太阳能光伏发电效率不断提升，发电成本持续降低，装机容量不断增加。太阳能被普遍认为是最有潜力取代化石燃料成为社会主能源的可再生能源，开展光伏装置的实践教学具有现实意义。此外，以太阳能光伏发电装置为实践项目，可以将所涉及的数控加工、电子电路、人工智能等实践技术有机地串联起来，使学生在项目规划驱动下很好地掌握所涉及的诸多知识点。

2 智能追光光伏发电综合实践教学的建设内容

智能追光光伏发电综合实践教学项目是我校通识选修课“能源技术创新与实践”的一部分，设计8个学时完成。结合通识教育的课程设置理念，以技术融合与学科交叉为指导思想，以智能追光光伏发电装置为最终产出，以学生依项目需求进行自主探索为基础，确定了面向能源类通识课程的智能追光光伏发电装置综合实践内容体系，如图1所示。

本综合实践包括8个环节，要求学生以太阳能光伏发电装置为基础，以智能追光模块为必选叠加功能，以数据显示模块、电流电压测试模块、温度测量模块、整流限流模块、工作状态指示模块等为可选叠加功能，各学生小组要自主完成从背景调研、产品设计、工艺设计、机械结构设计与加工、电子电路设计与连接、程序设计与编制、产品组装与性能测试优化以及项目结题与成果展示的整个工程制造过程。在每一个实践环节的内容设置上，兼顾了综合实践的主线内容及其与相关专业课程知识的融会贯通。针对各实践环节，设置了相应的考核内容，指导教师将在一定的时间节点对学生实践任务的完成情况进行考查和评定，督促他们按时保质完成综合实践项目。

图1 面向能源类通识课程的智能追光光伏发电装置综合实践内容体系

值得注意的是，与通常的认知性、验证性实践项目相比，智能追光光伏发电综合实践的内容较多，且所含的8个实践环节相互关联。因此，如何保证学生在规定的时间内完成实践内容，从而确保各学生小组顺利完成整个综合实践项目，是该教学项目实施需重点关注的问题。此外，实践项目的完成不应作为加给学生的强制任务，而应充分激发学生的学习热情，发挥其学习主动性。为此，教学团队根据多年教学经验与学生反馈，在课程设计中采取了以下三项激励与保障措施。

（1）根据实践环节内容安排及工作量大小，将个人操作与团队协作相结合，提升每个学生的专业实践能力和团队协作能力。其中，产品三维设计、产品功能拆解、机械结构设计以及产品功能效果检测4个环节的大量工作需要软件操作及小组讨论，因此每名学生都应有独立的作品提交。而机械结构加工、电子电路设计与连接、控制程序设计与编制以及装置组装与调试4个环节则涉及具体加工和装配技术，难度相对较高、工作量较大，因此实行一名组员负责、其他组员协助的合作模式。同时，要求小组成员至少作为 1项实践环节的负责人，各小组成员产品的贡献度会体现在期末成绩中。

（2）在每个课程环节都为学生提供标准件，以确保各学生小组都能够按照教学计划完成实践内容。如在电子电路设计与连接环节，提供标准设计的 UNO R3电路板（见图2(a)），学生可在此基础上进行最基本功能的电路连接。而在基于Arduino平台的控制程序设计与编制环节，则为学生提供可实现最基本追光功能的程序代码（见图 2(b)）。由于通识课所面对的往往是非专业学生，提供这些标准件能够保证部分专业相距较远、相关基础知识较薄弱的学生小组能够跟上实践课进度，完成所有环节的学习。

（3）针对部分学生追求卓越的需求以及近专业学生学有余力的情况，本实践教学内容设置中还提供了附加功能选单，可对项目挑战度做一定程度的提升。可选的附加功能项目包括电动抽水模块、电机控制模块、数据显示模块、电流/电压测试模块、温/湿度测量模块、传感器模块及工作状态指示模块（见图 3）等。这些模块的选择会使整个光伏发电装置，在机械结构、电路设计和程序编制上增加一定的复杂度，但经评估都处在学生跳一跳能实现的范围。所列功能选单只供学生参考，同时鼓励学生根据本小组的知识结构和技术特长，自行添加更有创意的功能模块，从而呈现有特色、有创新性的太阳能光伏发电装置产品。

图2 综合实践教学过程中提供的标准件

图3 智能追光光伏发电装置的可选附加功能模块

值得一提的是，这些附加功能的实现均可通过在所提供的标准件基础上进行扩展和修改来完成。如图2(a)中所提供的Arduino UNO R3电路板，通过接线的合理规划，可实现功能模块的电路接入。对电子电路有特殊需求或者特殊兴趣的小组，可利用课程配套的课外学时在电子工艺实验室自行“量身定做”电路板。对于图 2(b)所提供的标准程序，各小组业可根据附加功能的设计要求，自主对程序相应功能语句进行修改并进行调试迭代。这些活动使学生对装置的技术内涵有了更深入的理解和掌握。

3 综合实践教学考评的多维度及梯度式方案设计

为了充分发挥每位选课学生的专业知识特长，激励他们深度参与动手实践，提升工程思维和实践能力[13-14]，本实践教学设计了三个维度的综合考评方案，包括课堂表现、展示汇报及产品完成情况。

课堂表现占比为20%，由每个实践环节的指导教师针对每位学生的课堂表现给出考评成绩，主要考核点是学生的学习态度和课堂参与度。由于整个综合实践以工程项目方式管理，旨在使学生对工程项目的全流程有所了解和体验，因此展示汇报占比为30%，包括开题报告和结题报告两部分，均以小组为单位进行，要求完成演示文稿答辩并提交报告文档。其中开题报告包括产品应用背景、设计思路、预期成果、创新点、小组分工、工程任务拆解、进度管理及成本预算等内容，目的是确保学生在准备开题报告过程中可以对整个项目进行深入思考和规划。在项目产品整体完成后，要求学生针对开题报告中各项内容的落实情况进行展示，并对完成项目过程中遇到的问题进行讨论和总结。

产品完成情况占比为50%，在学生总成绩中举足轻重，同时这部分的考评方案应对学生参与的主动性和小组产品的创新性具有激励作用。为使30%~50%的学生能在完成必选追光模块功能的基础上，自主挑战更有难度的实践项目，考评中计入自选功能模块的完成情况，并对产品整体完成情况设置了梯度式的考核评价标准，如表1所示。梯度式考评规则中相邻档的分值差距为总分的10%，对学生有较好的激励效果，普遍认为这种考评方式有助于推动学生在有限的学时内得到更大收获。

表1 智能追光光伏发电综合实践产品完成情况梯度式考评标准

4 结语

在对高校能源技术综合实践教学现状进行调研分析基础上，根据教育部及我校对工科教育的最新要求，对学生在能源技术类通识课程实践学习过程中的“产出”内容、实现方法及评估标准进行了思考和验证。以太阳能光伏发电实践教学为例，提出了以智能追光光伏发电装置为教学产出，以能源技术、电子电路技术、智能控制技术等综合实践技术为实现方法的综合实践教学项目，并提出多维度、由学生自主选择的梯度式考评标准。教学实践表明，该综合实践项目可使不同专业背景的学生，在工程实践能力、分析和解决问题能力以及理论联系实际能力方面得到提升，从而有效提高实践教学质量。课程团队将通过教学反馈不断迭代优化面向通识教育综合实践的内容设置、教学方式方法、过程监控以及考核标准，使我们的综合实践教学模块为培养兼具专业知识、创造性思维及沟通协作能力的复合型人才做出更多贡献。