碳中和及新工科背景下新能源专业的教学改革探索

肖 媛，崔国民，陈家星，应 芝

（上海理工大学能源与动力工程学院 新能源科学与工程研究所，上海 200093）

在2020年9月22日的第七十五届联合国大会一般性辩论上，习近平总书记提出了“2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和”的目标，这两个目标不仅是我国实现可持续发展、实现美丽中国目标的重要抓手，也是我国履行大国责任、推动构建人类命运共同体的责任担当。2021年，中共中央国务院提出了关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见，指出应加快构建清洁低碳安全高效能源体系，积极发展非化石能源，坚持集中式与分布式并举，优先推动风能、太阳能就地就近开发利用，构建以新能源为主体的新型电力系统，提高电网对高比例可再生能源的消纳和调控能力。因此，高等院校如何最快地适应国家新能源产业的发展需求，保障新能源专业人才能够满足新能源领域的持续发展具有重要的意义。

1 新能源专业的人才培养模式

为主动应对碳达峰、碳中和目标下的科技革命和产业变革，高等院校正积极探索相关本科专业的教学新模式[1]，以新工科建设[2]为抓手，培养多元化、创新型卓越工程人才[3]。上海理工大学以建设特色显著的国内一流理工科大学为目标定位，以建设成为引领产业技术进步的创新型大学为发展愿景。在新工科建设背景下，发展新能源科学与工程特色专业，培养适应国家发展战略的卓越工程人才，是实现学校目标定位和发展愿景的有效途径之一。新能源科学与工程专业是2010年经教育部批准设立的全国首批高等学校战略性新兴产业相关本科专业，依托在能源与动力工程领域坚实的研究基础，已在太阳能、生物质能、天然气水合物、氢能、海洋风能等新能源的开发利用、系统集成方面形成了独特的人才培养优势。

在国家推进实现碳中和目标的背景下，以新工科建设要求为抓手，以学生为中心[4]，改革教学方法和考核方式，不断提升新能源科学与工程学生的实践能力、综合素质、探索精神、科学思维和创新能力[5]，对实现新能源领域创新型人才培养目标具有重要意义。目前专业开设的与新能源开发利用和系统集成相关的课程包括：必修课程《新能源理论基础》《新能源装备系统集成技术》《热力设备及系统优化》《风力机原理与设计》《核反应堆工程》《氢能与新型能源动力系统》《太阳能光热光电利用技术》；选修课程《泵与风机》《生物质能转化与利用》《热力发电厂》；以及《新能源专业实验》《专业课程设计》等工程实践类课程及毕业设计。其中，《新能源理论基础》《新能源装备系统集成技术》《专业课程设计》是掌握新能源科学与工程的基础理论、专业技能和工程实践能力的关键课程，以这三门课程为例，探索碳中和目标下的教学内容及考核方式的改革，对探索新能源专业的教学改革具有重要的参考价值。

2 新能源专业课程教学内容的改革

从教学内容上，专业核心课程应紧跟国家发展战略需求，将实现碳中和目标的意义、技术难点、实现途径融入课程教学环节，在与其相关的理论基础、装备系统集成、工程实践、系统设计等课程中加入与碳达峰、碳中和相联系的内容，使新能源科学与工程专业的学生能够掌握新能源科学与工程的科学前沿、发展状况与趋势，系统地掌握本专业的基础理论、专业技能和工程实践能力，具备本专业领域相关装备与系统的创新设计能力。

2.1 《新能源理论基础》

《新能源理论基础》概述了新能源基本概论以及主要的新能源形式（太阳能、风能、核能、生物质能、天然气水合物、氢能利用技术、地热能与海洋能）利用技术，其教学内容改革可分为以下两点：

（1）在新能源基本概论中介绍新能源对于实现碳达峰、碳中和的重要意义，使学生认识到碳达峰、碳中和的必要性及可实现途径，了解新能源开发利用与国家社会、经济发展的关联，明确作为新能源专业学生的使命，努力成为新能源科学与工程领域工程型、应用型、创新型高级人才。

（2）增加分布式能源系统的介绍，学生可自主选择新能源形式，通过《新能源理论基础》课程的学习能够构建新能源系统的基本流程和实现方案，为后续专业类课程的深入学习奠定基础。

2.2 《新能源装备系统集成技术》

《新能源装备系统集成技术》基于前期学习的太阳能热/光伏发电、风力发电、氢能制备与利用等新能源系统的设计优化，使学生掌握系统优化方法及新能源系统集成的基本知识，理解经典系统优化方法，能够熟练运用于新能源系统设计优化过程。在碳中和背景下，新能源装备系统集成技术是提升能源利用率、提高能源系统效率的必然途径之一，其教学内容改革可从以下两个方面入手：

（1）优化教学内容配比，合理分配最优化方法、新能源系统设计与优化以及分布式能源系统设计与优化的课时，协调前两部内容和其他课程的重合部分，使学生能够真正全面地掌握分布式能源系统的设计和优化。

（2）增加新能源系统与传统能源系统（热力发电厂、冷热电三联供）的结合分析，使学生能够真正地将所学知识与工程实践相联系，为学生将来从事能源系统改造或新能源系统工程方面的工作奠定基础。

2.3 《专业综合课程设计》

《专业综合课程设计》旨在培养学生的新能源装备设计能力，使学生掌握各类新能源装备设计的基本方法和步骤，具备创造性地设计新能源专业设备的理论和实践基础。近三年新能源科学与工程专业的综合课程设计主要包括：管壳式煤油冷却器的设计、固定床生物质气化系统的设计、夹套式天然气水合物反应器的设计、核反应堆热工设计这4类，尚未涉及多能互补的新能源系统的设计及集成。

因此，增设多能互补的新能源系统的设计和集成，使学生能够独立地设计风光储一体化的分布式供能系统，掌握计算、模拟、优化的基本方法，培养具备新能源科学与工程专业创新实践能力的高素质、创新型人才。

3 新能源专业课程考核方式的改革

为了进一步适应碳中和目标下新能源科学与技术卓越人才的培养需求，从考核指标、考核方式上应更注重对学生掌握新能源系统的整体设计及优化的考核，使学生能够独立完成新能源装备系统的设计和集成。

课程的考核方式应更加多元化，除了考试之外可增加与学生的互动，例如学习报告、作品展示或翻转课堂，实时了解学生对新能源领域科学与技术的理解程度，使学生在掌握新能源领域基本概念、基本理论、基本计算的基础上，训练提高思维能力、创新能力、自主学习能力及实践和解决问题能力。

对于《新能源装备系统集成技术》，前期课程的考核要点主要包括：（1）系统集成、新能源装备和最优化等基本概念及优化问题剖析，占比35%；（2）经典最优化方法理论及其运用于新能源系统设计优化，占比50%；（3）优化方法在分布式能源系统设计优化中的运用，占比15%。课程的考核内容仍比较偏重于系统集成理论和方法，对于系统集成技术在新能源系统的应用考察不够充分；在对新能源装备系统集成的考核中，更加侧重学生对于新能源系统的基本概念的认识和理解，尚未正式考察分布式能源系统的设计与优化过程。因此，从考核方式上，新能源装备系统集成技术应更加侧重学生对新能源系统设计能力的考察，使学生具备分布式能源系统设计、模拟、优化的实操能力，能够掌握新能源装备的基本原理、类型特点、设计计算、基本优化。

4 结论

本文探索了碳中和及新工科背景下新能源专业的教学改革，为新能源专业的人才培养提供了教学内容、考核方式方面的参考。通过在新能源专业课程中针对性地阐述“碳达峰”“碳中和”与新能源专业的关系，激发学生的学习兴趣，提升学生的使命感；在专业课程及课程设计中增设分布式能源系统的设计和优化，能够使学生在理论和实践层面深入地掌握新能源系统的基础理论知识，提升实际动手能力和创新设计能力。总之，应该从课程设置、考核内容、考核方式等方面关注学生对于新能源系统的实际理解和设计能力，不断提升新能源学生的专业素养，从而适应社会节能减碳对于新能源专业人才的需求。