面向综合能源时代的动力机械原理课程建设与实践改革探索

陈玉民 史承静 崔鑫 任燕燕 周怀春

摘  要：综合能源时代动力机械系统的重大特征是多元化、智能化和低碳化，人才培养需求强调学科交叉融合和工程实践导向。圍绕当前动力机械原理课程的知识体系滞后于实际需求、工程实践教育内涵与实践不突出、产教研协同育人融合途径缺乏等问题，该文结合教学团队的实践经验，借鉴国内外同领域高等院校先进措施，探讨面向综合能源时代的动力机械原理课程与实践改革方案。通过课程内容重构和教学方法融合、基于数字孪生的综合动力系统实训平台建设、产业专家进课堂深度广度拓展等协同，打造适应综合能源时代需求的新型精品工程教育课程，拓宽学生知识体系，提高工程实践素养，培养继续学习能力，支撑能源动力机械行业的人才培养需求。

关键词：动力机械原理;综合能源;专业课程建设;工程实践;人才培养

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）23-0001-05

Abstract： Diversification， intelligence and low-carbon were the major features of power devices in the comprehensive energy era， which draw more emphasis of interdisciplinary integration and engineering practice orientation on the professional education. Concerning the problems facing by Principles of Power Machinery course， including the lagging of course knowledge behind industrial demands， the targets of engineering practice education is not outstanding， and praxis of industry-education-research collaboration is absent， this paper investigate and discuss the strategy to rebuild the knowledge system and practice scheme of the power device source. Through coordination of methods including the reconstruction of course content and the integration of teaching methods， the construction of comprehensive training platform based on digital twin methods， invitation of industrial experts into the classroom， a new high-quality engineering education course that fulfill development of power device in the comprehensive energy era would be constructed. The improvement in the power device course aims to broaden the knowledge system of students， improve the engineering practice capacity， and cultivate continue-learning ability， so talent demand from the power devices industry would be responded satisfactorily.

Keywords： Principles of Power Machinery; comprehensive energy; professional curriculum construction; engineering practice; talent cultivation

多能源网络互联已成为现代能源系统的发展趋势。综合能源系统作为分布式电源、储能、氢能等的复合载体，能满足多能源、多行业的需求，是实现“双碳”目标的关键支撑。《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》明确了综合智慧能源系统的构建，能源动力类专业响应综合智慧能源发展趋势，开展专业课程改革势在必行[1]。动力机械原理课程作为能动类起重要支撑作用的专业基础课程，承担了面向综合能源时代培养创新性、复合型卓越工程人才的重要任务[2-3]，是能源动力类专业改革的重要内容。

一综合能源时代动力机械原理课程改革需求

（一）综合能源时代动力机械产业发展趋势

以燃烧为能量来源的内燃机等燃烧动力装置未来一段时间内将仍然是交通、物流、电力行业的主流动力系统。同时，在国家“双碳”政策引导下和新能源技术刺激下，综合能源系统中可再生电力、氢能等融合比例稳步提升，以动力电池和燃料电池为能量来源的电驱动力设备在交通领域的应用比例越来越高。以汽车行业为例，2012—2021年，国内汽车保有量从0.93亿辆增加至3.021亿辆，增幅超过300%;新能源汽车从1.25万辆增加至784万辆，增幅更是超过700%[4]，如图1所示。据公安部发布的统计数据显示，截至2022年6月底，全国汽车保有量为3.10亿辆，新能源汽车达到1 001万辆，占汽车总量的3.23%。其中纯电动汽车保有量为810.4万辆，占新能源汽车总量的80.93%[4-5]。可见，以汽车产业为背景的动力机械行业，其发展趋势具有以下特点：①内燃机等燃烧动力系统需求保持基本主导地位，但是增长速度逐步放缓;②电驱动力系统需求增长旺盛，且暂时以纯电动系统为带动龙头。因此，综合能源时代，动力机械向电动化、多元化发展是必然趋势。

（二）面向综合能源的动力机械产业人才需求

技术发展和社会需求带动产业的变革，进一步推动人才需求导向的变化。国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》明确指出：坚持电动化、网联化、智能化发展方向，推动我国新能源汽车产业高质量可持续发展。我国每年从事新能源汽车相关的企业注册数从2012年的0.32万家迅速增加到2021年的16.70万家，同比增长51.2倍，如图2所示。以电驱动力系统为核心的新能源汽车行业人才吸纳能力将呈现爆发式增长。

内燃机将在长途、重型商用车领域继续保持稳定发展势头，未来重点发展方向也很明确：①电气化，通过先进控制技术提高热效率和环保性;②新能源，采用氢、氨、生物燃油等低碳能源以降低碳排放。2019年，上汽集团和博世集团分别发布了2.0 T的缸内直喷增压氢内燃机;2021年，丰田汽车公司的氢内燃机汽车在日本富士赛道进行了24 h拉力赛;国内的中国一汽、广汽集团、长城汽车等公司也分别推出不同型号的缸内直喷增压氢气发动机样品[6]。内燃机行业需要掌握信息控制、先进材料、智能制造等交叉邻域知识的复合型人才，以支撑产业的持续稳定发展。

同时，随着新能源技术、信息控制技术的迭代更新，动力机械与互联网、人工智能、物联网等行业的深度融合，对人才素质、能力、可塑性及交叉性等要求也愈来愈高。动力机械专业领域学生不宜再局限于对单一动力机械系统知识的了解与学习，还要对耦合动力系统，和支撑不同动力装置的能源互联网，以及综合动力装置动力系统衍生的交通物联网有全面认知。如何培养符合综合能源时代需求，能够适应产业发展趋势、推动技术进步、协调整合知识的新型动力机械专业人才刻不容缓。

（三）  动力机械原理课程内涵与教学改革需求

动力机械原理是能源与动力工程专业的核心专业课[7]。但是，综合能源时代，原有的动力机械原理课程内容难以支撑社会、产业和技术发展，造成了教学内容、方式与社会、产业实际需求的严重割裂。由于新能源汽车技术的发展革新，不断有理论、工程难题被攻克和出现，课程知识尤其是实践应用知识迭代速度快[8]。目前存在的以下主要问题。

1  课程知识体系滞后于实际需求

目前的动力机械原理课程大多还以内燃机等燃烧动力装置为单一核心内容，从系统部件、热力循环、性能指标、工作过程、污染物控制及运行特性等方面设置教学内容;而面向电驱动力系统，如驱动电机系统、动力电池系统、燃料电池系统和混合动力系统的内容严重缺乏，知识体系不完善。

2  工程实践教育内涵与实践不突出

动力机械专业涉及机械工程、燃烧学、工程热力学和材料学等多学科知识，现在进一步与计算机技术、信息控制技术、环境科学技术等专业领域交叉融合，是一门典型的综合性、前沿性和应用型的工程专业课程。随着新能源技术的迅猛发展，动力机械进一步与清洁能源、人工智能、综合能源系统深度交叉。

3  产教研协同育人融合途径缺乏

校企协同育人，仅仅注重了对学校创新型人才的培养，而忽略了对企业的科技创新提升和人才培育的反哺功能[9];校企协同育人，真正参与高校工程教育过程的高级研发人员、高级工程师不足，导致工程教育人才培养体系和方案建设、教学体系不够健全。校企协同育人，高校层面的教师教学评价制度有待改革，教师层面缺乏有效激励。

综上所述，基于燃烧驱动和电驱动动力机械系统协同发展的趋势，需要根据社会产业需求、技术发展趋势和国家政策定位，对动力机械原理课程体系进行符合变革需求的完善和重构，并通过有效的实践课程开发，推动符合综合能源时代需求的人才培养。因此，开展动力机械原理课程内涵与教学改革需求迫切。

二  动力机械原理课程改革途径

（一）  动力机械原理课程内容重构

1  线下线上混合教学

结合信息化技术，在多学科交叉、复合知识融合背景和有限课时条件下，采用多元教学方式，合理实现教学课堂学时分配，实现教（教师教学）学（学生学习）进度的协同。充分利用“慕课”“微课”“雨课堂”等线上教学平台，结合虚拟仿真教学平台[10]，通过自主学习、线上拆装等方式，开展内燃机结构方面知识的学习与教授，包括内燃机整体结构、机体组与曲柄连杆机构、进排气系统、燃油供给系统、润滑与冷却系统和起动与点火系统等。

2  课程内容专宽并重

内燃机动力系统原理涵盖的课程内容包括：内燃机工作过程、内燃机工作指标与影响因素、内燃机工作循环与能量平衡、内燃机换气过程与进气充量、内燃机混合气形成与燃烧过程分析、内燃机排放特性与控制技术及内燃机运行特性与工况匹配等。

电驱动力系统原理涵盖的课程内容包括：电驱动力系统结构与应用、驱动电机系统工作原理、动力电池工作系统、燃料电池系统工作原理和混合动力系统工作原理。將最新科研成果，通过课堂讲授、实际操作等方式反哺动力机械原理课程的教授与学习，促使学生掌握新能源动力系统技术的前沿成果，加深对课堂教学知识的理解与进一步拓展升华。

3  教学方法突出融合

课程教授整体框架设计中，强调燃烧动力系统与电驱动力系统对比分析的主线，促进学生对综合能源时代不同动力机械结构特性、工作原理、运行特性、应用范围等知识的掌握和应用。充分融合自动控制原理、热工过程控制、动力电池热管理、节能原理和燃烧污染物控制等课程原理性知识，为分析动力系统设计所面临问题提供方法参考。

4  教学团队复合交叉

课程教学科研队伍构建中，突破以往相同学科或专业老师组建单一教研室或教学团队的方法，突出强化面向综合能源时代的动力机械原理课程是一门综合性、多学科课程的新内涵，聚集机械、电控、电池和化学等领域学科专家教师，打造多学科交叉融合的新工科教学科研团队以适应综合能源时代发展需求。

（二）  动力机械原理实践教学建设

动力机械原理是能源与动力工程专业的基础课程，其首要导向为面向工程教育，以提升学生灵活运用所学知识发现、分析和解决实际工程问题为主要目的。因此，实践教学是强化动力机械原理课程教学效果，实现课程培养目标的重要保障。然而，由于受场地、资源、设备、人员和课时等多因素限制，以往的试验教学环节已经滞后于理论教学环节，严重制约了高素质人才的培养。综合能源时代，动力机械系统呈现燃烧动力装置、电驱动力装置并行的发展态势，而且动力系统与信息技术、智能控制的集成程度更高，对实践教学环节的内容完整性、方法先进性、平台集约性、维护简便性、用户交互性等提出了更高的要求[11]。因此，为了与课程教学内容协同，适应综合能源时代的动力机械人才培养需求，加强动力机械原理实践教学的创新和升级迫在眉睫。突出强调工程教育导向，紧扣动力机械行业背景，结合虚拟现实交互、大数据分析、人工智能等先进技术手段，从构建基于数字孪生的开放性虚拟仿真总成动力系统实践平台、教学-训练-实践-研发贯通融合的实践教学体制两方面着手，建设了面向综合能源时代的动力机械原理实践教学平台和方法。

1  基于数字孪生的综合动力系统实践教学平台建设

建设融合多个动力系统的综合动力系统实验室耗资巨大，且牵涉设备繁多，结构复杂，实验设备维护难度大，造成综合实践教学开展困难[12-13]。结合数字孪生方法、大数据挖掘技术和开放交互式远程实践教学，建设虚拟仿真实验课程能够有效降低实验、实践教学成本，且可将实践生产过程以数据为纽带引入实践教学中、通过虚拟现实交互方式增强学生对课程知识的直观理解、通过开放式接口和数据分析系统提高学生的系统分析和设计能力。基于先进计算机网络技术和数字孪生平台，建设“综合动力系统虚拟实践教学平台”包含以下三大模块。

1）燃烧动力虚拟仿真综合实验平台。基于远程虚拟实践方法和线上教学资源、开发内燃机虚拟拆装实验环节，提高学生对内燃机构造和工作原理的直观认知。利用Ansys Fluent、CAE、Simulink等仿真计算平台，开展内燃机燃烧、喷油与物化、冷却系统设计和污染物脱除的仿真训练课程，加深对内燃机供油、换气、燃烧、污染物生成与控制技术等知识的认知。结合数字孪生平台，建设内燃机虚拟仿真实验课程，开展以下虚拟仿真实验：内燃机性能测试、发动机燃烧光学在线测试与分析、内燃机振动噪声测试、内燃机供油系统设计优化、内燃机进排气系统设计、内燃机高压喷雾过程模拟，以促进课堂理论知识的融合与实践应用。通过信息技术和教育教学推进更深层教学融合，对在线开放课程进行建设和推广应用，已经成为智能时代的必要实践教学手段。

2）电驱动力系统虚拟综合仿真实践平台。为了满足电驱动力装置（动力电池+驱动/能量回收电机+双离合动力耦合装置+主减差速器）及其智能控制系统的教学和研发需求，建设电驱动力与传动系统综合仿真试验平台。通过实时映射和交互结合CAE技术，设计三维虚拟组态化方法，将主流配置的电动动力系统映射到虛拟仿真实践平台，以其为基础开发搭建一个完整的车用电驱动力系统虚拟实践教学平台。系统可以模块化组装，且能够进行360°VR展示，以达到直观演示和讲解电驱动力系统结构、工作原理。实验实践教学目标主要涵盖：①直观展示动力电池内部结构组成，演示动力电池系统工作过程;②通过上位机演示动力电池状态监控，电池系统控制指令发送、执行;③将Matlab与数值计算分析、机械控制理论融合，使理论学习实践、软件编程算法与实物驱动三者有机结合。培养学生对电驱动力系统控制算法、提升电驱动力系统多应用场景体验、加强对控制系统驱动展望应用，实现面向新工科需求的实践应用能力提升。

3）运行大数据挖掘与分析实践训练平台。面向综合能源时代的动力机械涵括关联多个生产行业，海量实际生产、运行数据未被挖掘利用。虚拟教学平台可以将复杂结构实体化展现、把复杂过程原理细节化演示，有助于强化学生对课程知识的理解、掌握和应用。利用实时大数据分析平台，以自动控制、优化决策、知识融合为特征，构建工业软测量建模、数据可视化、过程控制、企业优化调度、生产管理及故障诊断为一体的多层次课程体系。探索如何强化学生对数字孪生仿真系统和能源工程工艺的认识、促进对实践存在问题及解决方法的理解、提高智慧能源算法运用、以讨论答辩+报告撰写的形式培养学生综合能力，及时对学生的各实践环节进行评价，鼓励学生自主探索学习，从而激发学生对新知识、新技术、新理论的求知欲，培养其树立自主学习与终身学习的价值观。

2以学生为中心的试验-实践-研究贯通制实践教学方法

工程实践教育从传统的教师单向传授、示范、指导的被动式学习，向以学生为中心、强调自主探索、突出多样性和创新性的教学方法转变已经成为被广泛认可的教学理念[9]。但是，受限于课时、人员和空间，一直难以大规模推广。通过所构建的综合虚拟仿真实践平台，可以将学生的实践训练时间从课堂时间拓展至课外，提高实践教学的覆盖度和操作灵活性;把同步教学单元从班级精确至小组甚至个人，而同时在线教学规模可拓展至多个班级甚至全年级，提高实践教学覆盖规模;给予学生围绕实践目的自主设计实验方法方案的自由发挥空间，突出个人差异性和过程考核。

从教学单位做好顶层设计，开展有组织的阶梯式、融合式实践教学，促进试验-训练-实践-研究紧密结合。针对综合能源背景下动力机械学科的交叉融合特征，促进学生与专业老师科研工作的深度融合;建设以项目制为内核，充分发掘先进科研实验设备和平台在本科生、研究生试验教学的应用潜力;通过专业和科研训练，激发学生主动学习动力机械关联的专业基础和工程应用知识，加深对难点、重点知识点的理解。实践中发现，通过将燃烧可视化诊断试验、等离子体助燃试验等科研探索结合到动力机械原理实践教学课程中，学生对于柴油机、汽油机混合气形成，燃烧过程，单阶段、多阶段着火方式等课程教学重点，有了更清晰和形象的理解;通过动力电池热管理系统性能测试、燃料电池封装、电极制备等科研训练，学生对动力电池结构、工作原理有了更直观的了解。针对动力机械原理课程的工程教育背景和动力机械应用特征，通过参与节能减排、挑战杯、“互联网+”等创新创业竞赛，和国家级、省级、校级的创新训练[14]，激发学生将课程知识与产业发展结合，把抽象的知识原理转换为实际可行的产品，进一步促进试验-实践-研发的有序融合;同时提高学生沟通协作、宣传讲解、设计分析能力，通过实践教学达到面向综合能源时代的多维度育人目标。

可见，通过以学生为中心的试验-训练-实践-研究贯通制实践教学，能够增强学生对动力机械原理知识的理解和掌握，强化学生学习自主性和差异化发展，提升解决实际工程问题的能力，又可以培养学生独立探索、继续学习兴趣。为学生以后从事动力机械相关产品的设计、开发和研究等方面的工作奠定必要的基础。

（三）产教研融合协同育人模式拓展

产教融合、科教融合、协同育人是推进教育综合改革、加强创新性人才培养、提升国家战略的重要举措[15]。推动产-教-研融合，形成“技、创、工、学、辅”五位一体育人模式，是培养面向综合能源时代、满足动力机械行业发展趋势和多维素质需求人才的重要途径。

科学研究与课程教学结合遵循了知识演变的科学途径[16]。实践问题是知识产生的源頭，而科学研究正是通过探索、分析、解决实践问题，进而发现、总结、提升问题背后科学知识的工具。因此，没有科学研究的进步，就没有知识体系的更新;如果课程不和科研结合，课程知识就会与产业发展割裂。科学研究与课堂教学结合，促进了知识转化和能力提升。通过参与导师科研项目或创新创业科技活动，能够有效促进学生将眼光从课堂拓展至社会，从教材拓展到未来，强化运用知识解决实际问题的能力和自主思考的能动性，符合问题认知-能力训练-知识应用-科学创新的成长逻辑。

1强调动力机械原理课程和关联课程与产业的联系，进一步推进“产业专家进课堂”产-教融合模式的融合深度和广度

一方面，邀请动力机械行业及与之密切关联产业（如综合能源系统、智能控制、物流网等）具有丰富生产、设计、运行经验的一线专家以远程或课堂教学的方式，每学期按规定课时为学生授课，促进动力机械原理课程内容的丰富。另一方面，学校或者教学单位向企业开放课程内容设置方案的咨询渠道，鼓励行业龙头企业通过捐赠、基金、项目等形式，把企业相关研发或者人才培养需求体现在动力机械原理课程体系中，进一步加强教学与产业的结合，促进协同创新和交叉融合。麻省理工学院在开展新工程教育转型中采用此课程体系内容该方法，有效突出了学生学习与工程实践的紧密联系[9]。

2教学组织顶层设计方面，通过教学工作量、教学绩效考评、职称评定条件等多渠道激励教师参与产教研融合育人模式的推广

中国矿业大学低碳能源与动力工程学院在实践过程中，对于邀请产业专家进课堂教学的课程教师，在课程额定学时外再核实增加规定课时量;同时对于聘请产业专家也落实了课程内容审核，实现教学内容实践性、科学性的有效协同。教师团队组建方面，由于面向综合能源的动力机械原理课程涉及机械、燃烧、控制、电机、电池、化学和管理等多学科领域，必须进一步打破以往以研究方向、教学经历、专业领域为标准的教学团队组建模式，由不同专业背景教师切实协作，结合产业教师的聘任，才能将课程打造为适应综合能源时代需求的新型精品工程教育课程。

三结束语

综合智慧能源时代，动力机械原理课程与燃烧理论、机械原理、智能控制、动力电池、电机拖动和能源管理等多学科知识交叉融合，成为能动专业理论性强、综合性强和工程性强的一门重要专业基础课，是能动类专业面向智慧化、低碳化、智能化发展趋势开展课程改革的重要着力点。课程内容构建中，要注重基础知识与实际发展结合紧密，坚持传统能源与新能源的协同，更强调与多专业、多学科创新融合，突出教师队伍的交叉复合性;实践教学过程中，注重与数字孪生、大数据分析、虚拟现实交互等技术的结合，推动实践教学平台的开放性、包容性和可交互性;人才培养过程中，从产教研结合方式创新、教学评价标准方案改进、教学组织顶层设计改革，推动注重产教研的深度融合。未来在教学工作中需不断开拓探索和积累总结，真正使动力机械课程成为面向综合能源时代培养从事动力机械生产、运行或科学研究高端人才的基石。

参考文献

[1] 孙志坚，俞自涛，郑梦莲，等.学科交叉复合的“智慧能源系统理论与应用”课程建设研究[J].高等工程教育研究，2019（S1）：153-155.

[2] 谢翌，李伟，阮登芳，等.“内燃机原理”的教学创新与综合培养方法[J].教育教学论坛，2020（50）：139-141.

[3] 尚正阳，徐凯佳，潘家保，等.面向新时代教育教学改革的工科授课方法探讨——以《内燃机原理》课程为例[J].教育教学论坛，2020（12）：138-139.

[4] 陈柳钦.中国新能源汽车政策盘点[J].汽车工业研究，2012（3）：14-21.

[5] 陈娟，鲍大同.中国新能源汽车产业发展现状分析[J].产业创新研究，2022（3）：8-10.

[6] 祝勇，黄翔，陈昊，等.氢内燃机发展状况及展望[J].当代化工研究，2021（24）：5-7.

[7] 崔馨，严煌，陈玉民，等.面向工程教育专业认证的《内燃机原理实验》多层次教学体系构建[J].内燃机与配件，2019（15）：272-274.

[8] 张佩，颜伏伍，候献军，等.新工科背景下新能源汽车专业方向课程体系改革[J].高教学刊，2021（33）：125-128.

[9] 刘进，王璐瑶.麻省理工学院新工程教育转型：源起、框架与启示[J].高等工程教育研究，2019（6）：162-171.

[10] 何旭，张卫正，杨清.基于虚拟仿真的“内燃机原理”实验慕课探索与实践[J].课堂教学，2021（11）：129-130.

[11] 郑坤，陈诚信，杨家豪.现代能源系统虚拟仿真实验教学平台设计[J].能源与节能，2019（11）：1-5.

[12] 郭世永，尹菲.电动汽车教学实验学习模式与学习环境设计的构建与应用探索[J].教育现代化，2019（6）：70-72.

[13] 焦冰，杨正林.电动汽车电机驱动系统教学实验平台设计[J].中国教育技术装备，2016（20）：50-52.

[14] 王富强，张传新，余秋红，等.“能源与动力工程专业”阶梯式科教融合的教学方法对创新人才培养的探讨[J].教育教学论坛，2020（15）：226-228.

[15] 王峰.新工科背景下的科研反哺教学模式探索-以电动汽车系统分析课程为例[J].课堂教学，2019（31）：118-119.

[16] 成晓北，黄荣华，叶晓明，等.动力机械学科设计型创新型实验教学方法探讨[J].科教文汇，2010（5）：82-83.

基金项目：中国矿业大学教学研究项目“教-学-用融合的《内燃机原理》创新实践教学平台构建与应用”（2020YB69）;国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“燃烧火焰自由基、颗粒物、主要气态产物光谱/成像检测系统”（51827808）;江苏省高等学校教育技术研究会2019年高校教育信息化研究课题“基于超星系统的线上线下混合式信息化教学改革与实践”（2019JSETKT074）

第一作者简介：陈玉民（1986-），男，汉族，湖南衡阳人，工学博士，副教授。研究方向为氢能，智慧能源。

*通信作者：周怀春（1965-），男，汉族，湖北仙桃人，工学博士，教授。研究方向为智慧能源，热辐射分析及燃烧监控。