新工科背景下新能源专业课程设计教学改革探索*

任娜 贾彦 施永红

内蒙古工业大学能源与动力工程学院 呼和浩特 010051

0 引言

新工科建设是应对新经济的挑战，从服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展的高度，在“卓越工程师教育培养计划”的基础上，提出的一项持续深化工程教育改革的重大行动计划[1]。新工科建设对人才培养提出了新的要求，指出要以培养学生工程应用能力为主线，实现从学科导向转向产业需求导向、从专业分割转向跨界交叉融合、从适应服务转向支撑引领，加快培养新兴领域工程科技人才，改造升级传统工科专业，主动布局未来战略必争领域人才培养。

面对以培养促进经济和科技产业未来发展人才为目标的教育改革，最基本的依然是课程改革。面向未来是新工科建设的主要目标，这就要求高等学校在教学过程中注重深层次的学科交叉融合，培养能够解决复杂工程问题、具备创新能力的复合型人才。课程设计作为将理论课程与工程实际相结合的实践教学环节，对培养学生的应用能力、创新能力、解决实际工程问题能力等综合能力具有重要作用。在新工科建设背景下，面向新经济挑战和科技变革，以培养符合未来产业发展、专业建设和人才需求为目标，通过调整课程设计的教学目标、更新教学内容、优化教学手段进行课程设计的改革是非常必要的。

1 课程设计教学的目标与定位

课程设计的目的在于实现课程理论向实践的转化，以加深学生对课程理论知识的理解与掌握，锻炼学生运用课程所学知识解决复杂工程问题的能力。其主要通过具体的案例教学与实践，让学生利用课程所学理论知识，采取多种手段去解决某些实际工程问题，形成一个完整的知识体系。新能源专业作为一个新兴的工科专业，在改变能源结构、实现“碳中和”中发挥着重要作用。同时,在新工科背景下，高等学校培育人才要以工程应用能力为主，助力新兴产业发展。这就要求在教学体系中要以实际工程为依托，注重课程设计等实践教学，培养学生的工程应用能力和创新能力，为其更快、更好地服务社会、推动经济发展奠定基础。

以太阳能光伏发电原理课程设计为例，作为与笔者所在学校新能源专业理论课程相配套的实践类课程，它一般被用来考查学生对太阳能光伏发电原理及相关理论知识的掌握程度及应用能力。该课程以太阳能光伏发电系统为主要学习载体，将典型太阳能光伏发电系统的设计、分析、技术要求和设备选型有机融合，是一门理论知识和工程实践相融合的课程，具有较高的实操性、专业应用性、自主性和综合性。该课程要求学生在掌握关于太阳能光伏发电原理与技术理论知识和技能的基础上，熟悉太阳能光伏发电系统设计的基本思路，具备开展太阳能光伏电站设计的能力，进而可以对太阳能光伏发电系统进行技术改造、经济性分析和应用技术研究等，构建起扎实的知识体系和服务于工程技术应用的能力。

2 课程设计教学中存在的问题

2.1 课程设计题目单一且更新慢，难以满足新工科建设要求

目前太阳能光伏发电原理课程设计的题目基本为“离网型光伏发电系统设计”，题目单一且设计要求相同，每个学生的任务书只是参数不同。这就导致学生在完成课程设计的过程中有固定的流程，只是计算的数据不同，同学之间相互借鉴的现象比较严重，创新性严重不足。同时，每一届学生的任务也基本相同，不能做到紧跟学科发展前沿，无法激发学生探索新知识及实践方法的兴趣。造成新能源专业学生的实践能力及创新能力得不到锻炼，难以满足新工科建设对人才的培养要求。

2.2 课程设计内容及时间安排不合理，不能有效锻炼学生的工程应用能力

太阳能光伏发电原理课程设计的主要内容包括太阳能光伏组件、蓄电池、控制器、逆变器、硬件安装的设计计算以及光伏发电系统总图的绘制，设计的内容较为简单，与实际工程有关联但存在一定差异，不能够有效锻炼学生的实际工程应用能力。同时，课程设计的内容主要围绕太阳能光伏发电系统，与其他相关专业课如自动控制原理、热力学原理、风力机原理等关联度较小，难以通过课程设计将相关理论知识串联起来，形成知识体系，不利于学生专业知识系统的构建。课程设计目前通常安排在理论课程的下学期，时间差较大，导致学生对理论知识的遗忘较多，学生在做课程设计之前需要花费较多时间和精力去复习理论知识，做设计的时间被压缩，进度安排得不到保障。

课程设计时间一般为2 周，其中老师讲解、复习理论知识、查看相关资料、撰写设计说明书等大约要占用1 周时间，实际投入课程设计实践内容的时间只有1 周，时间较短，学生没有时间对知识进行系统消化和思考[2]。这会导致课程设计完成的质量下降，雷同作品较多，学生的创新能力得不到有效锻炼，课程设计目标达成度大打折扣。

2.3 考核评价方式单一，无法做到对学生进行全方位考核

课程设计的考核评价以设计说明书、图纸的完成质量以及平时的出勤考核为主，形成性评价不足。导致学生在做课程设计的过程中以完成课程设计说明书和图纸为主要目的，而不是探究如何将理论知识运用到实际工程当中，背离了课程设计的实质目的。这种单一的评价方式也会导致个别学生借鉴他人的设计成果，甚至出现成绩反而比完全依靠自己探索完成设计的学生成绩高的现象[3]，失去基本的公平性和客观性，影响了学生的积极性、主动性和创新性发挥。

3 新工科背景下课程设计教学改革的具体措施

3.1 制定符合新工科建设要求的课程设计教学目标

新工科建设要求高校坚持采用“应用为本，学以致用”的教学理念[4]，将其与太阳能光伏发电原理课程设计有机结合，培养新能源专业学生的实际工程应用能力以及解决复杂工程问题的能力、创新能力、学习能力、团队协作能力等综合能力，使学生具有助力新能源产业发展、服务地方经济的意识，增强社会责任感。为此，制定本课程设计的具体教学目标如下，框架如图1所示。

图1 课程设计教学目标框架

1）以多学科交叉融合为导向，立足国家和自治区新能源产业，以太阳能转换利用技术、电工电子技术、自动控制原理、大数据信息技术等课程理论知识为基础，结合太阳能电站实际工程，理论联系实际，使学生具备从事新能源及相关行业工作所需的基础理论、设计、制图、软件应用、工程实践等知识，逐步完善新能源知识体系。

2）能够基于科学原理并采用科学方法设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的太阳能电站，收集、计算、处理、分析与解释数据，并能够通过技术成熟度、经济性评价对设计方案进行可行性研究和优选，注重创新性和实用性，以多种形式体现设计成果，力求通过信息综合得到合理有效的结论并应用于工程实践。

3）进行太阳能电站的开发和设计，提高学生理论联系实际进行实践设计与分析解决实际工程问题的能力、进行技术改造与创新的初步能力、信息获取能力、终身学习能力、交流沟通能力、科研能力、报告撰写能力、在项目开发中的团队合作能力、创新能力等。

4）使学生具备较强的创新意识和进行太阳能及新能源技术的开发利用、设计改进等专业素养。能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全的影响。了解新能源相关职业和行业的设计、生产、研究与开发、环境保护和可持续发展等方面的方针、政策，为今后承担相应的社会责任奠定基础。

3.2 课程设计题目及任务多样化、自主化

基于新工科建设背景，课程设计的题目和任务应立足太阳能光伏电站和新能源产业，以实际工程应用为导向，力求多学科交叉融合，理论联系实际，做到具有多样性和自主性，使学生具备从事新能源及相关行业工作所需的基础理论及工程实践等知识，逐步完善新能源知识体系。目前太阳能光伏发电原理的课程设计主要围绕离网型太阳能光伏发电系统，这一题目可以延续，但是需要根据实际工程应用增加其多样性。比如设计“并网型光伏发电系统/电站”“针对不同的应用场景，甚至一些极端应用环境下的离/并网光伏发电系统”“太阳能热电站”“太阳能与大型储能相结合的光伏/光热电站”“太阳能光伏与风力机、超临界二氧化碳循环发电机组、燃料电池等分布式电源相结合的微电网”等。任课教师也可以依据培养方案的目标、要求，结合自身的科研、项目等制定课程设计题目及任务，也可以以大学生创新创业、挑战杯、节能减排等科技竞赛为导向制定题目，增加多样性，让学生学习到更多前沿专业知识，并锻炼其学习、创新、解决问题的能力。题目及任务的多样化可以增加学生的选择，激发其做设计的兴趣和动力，也能避免学生之间相互借鉴，更好地达到课程设计的教学目标。除此之外，学生也可以根据课程设计的要求、自己的兴趣和自身掌握的知识来自主设计题目，增加题目及任务的自主性。

3.3 优化课程设计教学模式，提高教学目标达成度

3.3.1 采用任务驱动教学模式，优化课程设计时间安排

以往的课程设计与理论课程通常是分开进行的，存在时间差，不利于教学目标的达成。将课程设计与理论课程安排在同一时间段，同时将课程设计的教学时间比理论课程延长1 ～2 周，以便学生对课程设计的内容进行整合、完善和回顾。课程设计与理论课程同时进行，在上课初期布置课程设计的题目和任务，让学生带着任务去学习理论课程，采用任务驱动的教学模式，可以激发学生的学习兴趣和动力，加深对理论课程的理解。同时理论课程内容的安排可以以课程设计的任务为依据，帮助学生更好地完成课程设计，理论与实践相结合，提高教学目标的达成度。课程设计周期的延长也可以避免学生因为时间紧张而敷衍了事、相互借鉴，更加有效地锻炼其创新能力、实践能力以及解决复杂工程问题的能力。

3.3.2 采用线上线下混合教学模式，开展多元化教学

随着信息化进程的推进，线上教学模式在近几年得到了广泛应用。线上教学具有不受空间限制、可利用资源广泛、教学内容存储便利、教学方式灵活多样等优势，可以弥补传统线下教学模式教学方式单一、受时空限制大、对教材依赖性大、学习资源有限等不足。但是单纯的线上教学也存在教学管理难度大、与学生的交流沟通受限、拿来资源多、“甩手掌柜”式教学、教学质量难以保证等问题[5]。对于课程设计类实践课程，可以采用线上线下混合教学模式，开展多元化教学，最大程度地保证教学目标达成度。在进行课程设计的教学过程中，主体内容依然采用线下教学模式，但是可以利用各类线上教学手段来扩充教学内容、提高教学质量。比如可以依托中国大学MOOC 平台、优慕课网络教学平台、学习通平台、雨课堂等网络教学工具给学生发布课程设计相关图像视频、工程案例等，使学生更加全面、深刻地了解课程设计的内容、目的等。也可以邀请一些行业专家或企业工程师在线上开展有关产业发展、技术难题、实际工程案例实施等主题讲座，使课程设计更大程度地与实际产业、工程相关联。也可以依托网络教学平台对课程设计进行难点划分，针对重点、难点的设计内容，在平台上发布更多的教学资源供学生参考，同时针对这些重难点布置单独的任务并要求学生在设置的时间节点前提交，老师根据学生完成任务的情况来判断其对课程设计内容的掌握程度、设计的进程以及存在的问题，并及时反馈给学生，提升教学质量。

3.3.3 结合模拟计算或实验验证，提升学生的工程实践能力和专业素养

目前实际工程当中的设计计算大多依托商用软件或者实地实验进行，满足复杂工程问题需要且保证了计算精度，确保了实际工程的经济性、安全性、稳定性等。而传统课程设计以手工计算为主，辅以机械制图软件绘画图纸，计算准确度和精度难以保证，与实际工程在设计流程、设计方法等方面存在较大差异。目前实际工程中对于太阳能电站的设计，大多采用PVsyst、ArcheliosTMPro、Candela3D 等软件。为了使课程设计最大程度地贴合实际工程，可以在课程设计中加入此类软件的模拟计算，将模拟计算结果与手工计算结果相对比，找到二者的差异及其成因，激发学生学习和探究的兴趣，增强其解决实际工程问题的能力。或者在课程设计当中加入实验内容，将实验结果与计算结果相对比，探寻理论和实验之间的差距并分析其原因，增强学生的动手实践能力、科研能力等。在课程设计中加入模拟计算及实验验证部分的内容，也可以增加学生从事太阳能及新能源相关行业工作所需的必备技能，以提升其专业素养和就业竞争力[6]。

3.4 建立具有丰富经验的行业专家指导机制

与传统工科相比，新工科人才培养需要更深入的产学结合和创新实践。课程设计作为高校实践类课程的重要组成部分，聘请行业专家指导参与，建立具有丰富经验的行业专家指导机制，更能贴合实际工程，有效地培养学生的工程应用能力和创新能力。首先，在制定题目和任务书的阶段，在行业专家的指导参与下，把学科导向转变为产业需求导向，使课程设计的总体导向与行业实际工程或产业发展方向相一致，更加符合新工科背景下对人才的培养要求。其次，在学生完成课程设计的过程中，邀请行业专家开展与行业发展、产业动向、工程思维等主题相关的讲座，指导学生在做课程设计的过程中选择符合实际工程的设计思路与设计方法，把学生在课堂学习到的理论知识通过课程设计这一媒介更加合理有效地应用到实践当中，培养学生的专业素养以及工程素养。最后，在课程设计评价阶段，行业专家对学生的实践能力、工程素养、创新能力等进行评价，教师对学生的理论知识掌握程度、转化应用能力、课程设计完成质量等进行评价，二者相结合，实现对课程设计从理论到实践、从知识到能力的全方位评价。

3.5 使用形成性评价与总结性评价相结合的考核方法

课程设计是一门实践类课程，传统的总结性评价往往是片面的，极大地限制了学生的主观能动性和评价的客观性、公平性。

改革考核方法，使用形成性评价与总结性评价相结合的方式，使考核贯穿于课程设计的全过程，才能引导学生注重设计的过程和改进，督促教师及时对教学内容和方式进行调整，科学有效地利用评价结果促进教学目标的达成。考核方法由形成性评价和总结性评价组成，其中形成性评价占40%，总结性评价占60%。

形成性评价主要考核学生的阶段性工作、对待课程设计的态度、完成课程设计过程中表现出的素养及能力等。其作用是对学生日常学习过程中的表现、取得的成果以及反映出的态度、能力等方面作出评价，以激励学生学习、帮助学生有效调控自己的学习过程，同时帮助指导教师了解学生的学习情况、及时发现教学中存在的问题进而进行调整。评价方式具体包括自评、小组互评、专家评价、教师评价等。

总结性评价主要是对学生完成的课程设计成果进行考核评价，包括设计说明书、图纸、计算结果、模拟结果、实验结果等。其目的是对学生的学习成果进行全方位考核，具体的评价方式包括指导教师评价和答辩两个环节。

形成性评价与总结性评价相结合的考核方法注重课程设计的全过程考核，旨在形成对学生的激励和调控，以及对指导教师教学的反馈和调整，具体的考核方法如图2所示。有着明确考核内容、方式、标准、比例的科学的评价体系，是从多维度检验课程设计教学目标达成度并进行持续性改进的有力支撑。

图2 课程设计考核方法

4 结束语

随着社会、经济的发展进步，社会对各方面人才需要具备的能力的要求也会随之变化。本文对照新工科建设要求，以太阳能光伏发电原理课程设计为例，指出新能源专业课程设计教学当中存在的问题并进行改革探索。制定符合新工科建设要求的课程设计教学目标，立足新能源产业，以多学科交叉融合为导向，提升学生的专业素养及工程应用能力。紧贴新能源产业发展方向和实际工程需求，制定具有多样性和自主性的课程设计题目。综合运用多种教学模式，包括任务驱动、线上线下混合教学、加入模拟计算和实验验证等，有效提高教学目标达成度。建立具有丰富经验的行业专家指导机制，进行更深入的产学结合和创新实践。采用形成性评价与总结性评价相结合的考核方法，引导学生注重设计的过程和督促教师对教学内容和方式进行持续性改进。

以课程设计这一实践类课程为基础，通过多方面的改革探索，力求使新能源专业的学生成为具备实践能力、创新能力、科研能力、解决实际工程问题能力等综合能力的复合型新工科人才。