融合虚拟仿真技术构建储能科学与工程专业创新教学体系

［摘 要］文章深入分析了储能科学与工程专业教学的现状及存在的问题，揭示了虚拟仿真技术在该专业教学中的应用价值，并提出具体实践策略与建议，为储能科学与工程专业教学的创新发展提供了融合虚拟仿真技术的可行路径。

［关键词］储能科学与工程；虚拟仿真技术；应用价值；教学实践

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2025）02-0037-04

在全球能源转型的大背景下，储能科学与工程的重要性日益凸显。随着可再生能源渗透率的不断提升，储能技术作为平衡电力供需、提高电网稳定性、促进能源结构优化的关键手段，其研发与应用已成为各国能源战略的重要组成部分[1-3]。在此背景下，培养既具备丰富的储能理论知识，又拥有熟练的实验技能和跨学科创新能力的专业人才，对于推动储能产业的快速发展具有重要意义。

虚拟仿真技术作为一种先进的工具，在高等教育领域展现出巨大的应用价值。虚拟仿真技术利用计算机技术模拟真实环境与过程，为学习者提供沉浸式、交互式的体验，有助于突破传统教学模式在时空、资源、安全等方面的限制，实现理论知识的直观展示、复杂实验的高效模拟、跨学科知识的有机融合以及个性化学习路径的灵活定制[4-6]。近年来，虚拟仿真技术已在诸多工科专业中得到广泛应用，并取得了显著的教学效果。

本文旨在探讨如何将虚拟仿真技术有效融入储能科学与工程专业的教学实践中，构建跨学科教学创新体系，以应对传统教学模式下理论与实践脱节、实验设施有限、安全风险大以及跨学科教育实施困难等问题。具体研究目的有三个：一是实现理论与实践融合。借助虚拟仿真技术，将抽象复杂的储能理论知识转化为形象生动的视觉模型与互动场景，帮助学生深入理解并牢固掌握专业知识，同时通过模拟实验环境，让学生在无风险、低成本的条件下反复操作训练，提升其实验技能。二是实现跨学科整合。利用虚拟仿真平台，打破学科壁垒，设计涵盖多学科知识的虚拟项目与任务，鼓励学生运用所学知识解决实际储能系统设计、优化与运维中的复杂问题，培养其跨学科思维与协同创新能力。三是帮助学生实现个性化学习。依托虚拟仿真系统的灵活性与可定制性，为学生提供个性化的学习路径与资源，满足学生多样化的学习需求，激发学生的学习兴趣，提升学生的学习效果。

通过上述改革，预期能够显著提升储能科学与工程专业教学的质量与效率，培养出既有专业知识，又拥有跨学科视野与实践能力的复合型人才，以满足能源行业对储能技术人才的迫切需求。此外，这一教学改革实践也将为在高等教育领域推广虚拟仿真技术、推进教育信息化进程提供有价值的参考案例。

一、储能科学与工程专业教学的现状及存在的问题分析

储能科学与工程专业是一个新兴的、跨学科的本科专业，旨在培养能够适应国家能源战略发展需求，特别是适应“碳达峰、碳中和”目标对新型储能技术的迫切需求的专业人才。该专业综合应用化学、物理学、材料科学、电气工程、热能工程等多个学科的知识，专注于能源的储存、转换与管理技术的研究与应用，解决能源供需在时间和空间上的不匹配问题。储能科学与工程的核心在于探索和发展高效、安全、经济且环境友好的储能技术，这些技术包括但不限于电化学储能（如锂离子电池、钠离子电池、液流电池等）、热储能、机械储能（如抽水蓄能、压缩空气储能）、超级电容器以及其他新型储能方式。通过这些技术，可以有效地储存太阳能、风能等间歇性可再生能源产生的电能，确保能源系统的稳定性和可靠性。该专业课程设置广泛，涵盖储能原理与技术课程、电化学原理课程、能源材料与器件课程、工程热力学课程、电工电子学课程、控制理论课程等基础和专业课程，旨在帮助学生构建扎实的理论基础并锤炼出色的实践技能。学生毕业后，能够在储能技术的研发、系统设计、工程实施、性能评估、项目管理等领域发挥重要作用，广泛服务于能源、电力、交通、环保、材料等多个战略性新兴产业，为推动这些领域的可持续发展贡献自己的力量。

自西安交通大学2020年获批首个储能科学与工程本科专业以来，开设该专业的高校已达84所[7]。尽管储能科学与工程专业的教学体系已基本成熟和完善，但由于专业开设时间较短，仍存在一些局限性：一是理论教学方面。理论教学以课堂讲授为主，辅以课后阅读、作业练习与讨论。由于储能科学与工程专业涉及的知识面广、概念抽象，传统的授课方式难以帮助学生直观、深入地理解复杂的储能系统。此外，由于课堂时间有限，难以组织学生展开深入的讨论与互动，从而影响了学生对专业问题的深入思考。二是实验实训方面。实验实训作为储能科学与工程专业教学的重要环节，受到实验室设施、经费、安全等方面的制约。例如，实验项目数量有限，且多为验证性实验，缺乏设计性、综合性实验，这不利于培养学生的创新思维与动手能力。加之部分实验设备昂贵、操作复杂，学生实际操作的机会较少，这进一步阻碍了学生实验技能的提升。此外，实验过程中可能存在的安全隐患，如电池爆炸、有毒有害物质泄漏等，也对教学环境构成威胁。三是实践环节方面。虽然许多高校设置了与储能相关的课程设计、毕业设计、实习等实践环节，但由于缺乏与实际产业紧密对接的项目，学生对储能技术的实际应用了解不足，难以将所学知识应用于解决实际问题。此外，由于储能领域涉及多学科知识，跨学科合作在实践中往往难以有效组织与协调，这也为学生的全面发展带来了一定的挑战。

二、虚拟仿真技术在储能科学与工程教学中的应用价值

虚拟仿真技术是一种利用计算机技术构建模拟环境的技术，能够复现真实世界或设想情境下的物理、化学过程，使学习者能够在虚拟环境中进行观察、操作和实验。近年来，随着信息技术的不断发展，虚拟仿真技术在工程领域的应用日益广泛，特别是在能源、航空航天、生物医药等行业展现出巨大的潜力。在储能领域，虚拟仿真技术已被应用于电池材料设计、储能系统建模与优化、安全评估等方面，为科研工作者提供了高效、低成本的实验平台。将这些技术引入教育领域，可以构建起一套理论与实践紧密结合的教学体系，帮助学生深入理解储能原理、掌握系统设计与运维技能。

面对储能系统设计、运行管理及故障诊断等复杂多变的实际问题，传统的教学模式已难以满足培养高技能、创新型人才的需求。因此，在教学中引入虚拟仿真技术，成为提升储能科学与工程专业教学质量与效率的重要途径。具体而言：一是可以实现理论知识可视化。虚拟仿真技术能够将抽象复杂的储能理论知识转化为形象生动的三维模型、动画演示和互动场景，帮助学生直观地理解储能系统的结构、工作原理及性能特性等，增强理论知识的直观性与趣味性，进而促进学生深度学习。二是可以提升实验实训的安全性与效率。通过搭建储能设备虚拟实验室，可以让学生在无风险、低成本的环境下进行实验操作，这不仅能避免实际实验中可能存在的安全隐患，而且不受时间和地点的限制，可以随时进行、反复操作，从而极大地提高实验教学的效率。三是可以促进学生跨学科知识的整合与创新能力的培养。虚拟仿真平台能够设计涵盖多学科知识的综合实验项目与任务，如储能系统的设计与优化、故障诊断与处理等，鼓励学生运用所学知识解决实际问题，培养他们的跨学科思维与协同创新能力。

三、虚拟仿真技术在储能科学与工程专业教学中的实践策略与建议

虚拟仿真技术在储能科学与工程专业的教学中发挥着重要作用。通过构建高度仿真的模拟环境，能够为学生提供一个既安全又经济高效的实验与学习平台。在教学过程中，教师应注重课程内容的整合与优化，设计涵盖电池工作原理、储能系统设计、安全操作规程等多维度的虚拟仿真模块。同时，采用互动式学习策略，鼓励学生通过模拟实验自主探索不同材料、结构对储能性能的影响，从而激发学生的学习兴趣和主动性。此外，教师可以分析学生在学习过程中的行为数据，以精准评估学习成效，为个性化教学提供依据。通过建立校企合作机制，引入行业实际案例，使虚拟仿真项目与产业需求紧密对接，提升学生的问题解决能力和就业竞争力。

（一）课程体系与教学内容改革

1.融合虚拟仿真技术的课程设计

将储能科学与工程专业课程划分为多个模块，每个模块围绕特定的主题，如电池材料科学、能量转换效率、储能系统集成与控制等。通过虚拟仿真软件模拟真实的场景，如锂离子电池内部的反应机理、太阳能电池板的能量转换过程、风力发电站的储能系统设计等，帮助学生理解复杂的过程。以“锂离子电池组热管理系统设计”为例，学生可以在虚拟仿真环境中进行热流模拟，预测不同散热策略对电池温度分布的影响，从而优化电池组的设计，这既能节省昂贵的物理原型制作成本，又能在安全的环境中反复试验并纠正错误。在“智能电网储能系统优化”项目中，学生需运用虚拟仿真工具模拟储能系统的运行，深入探究储能系统在智能电网中的关键作用，如实现频率调节、削峰填谷等功能，以提升电网的稳定性和效率。通过模拟不同储能技术（如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能）在电网中的运行表现，学生可以比较其经济性和效率，从而作出合理的技术选型决策。

2.开发储能系统虚拟仿真教材

编写结合虚拟仿真资源的教材或教学指南，提供配套的虚拟仿真模型、经典案例及操作说明，便于师生在课堂内外进行同步学习与实践。

3.跨学科知识整合

在储能科学与工程专业教学中，整合电化学、电力电子、控制工程、经济管理等多个学科知识。通过虚拟仿真，可让学生探索电池反应机理、电力变换控制、系统优化设计及经济成本分析，培养跨学科综合能力，为储能领域培养复合型人才。

（二）教学方法与模式创新

1.混合式教学模式

采用“线上虚拟仿真+线下讨论辅导”的混合式教学模式，线上提供丰富的虚拟仿真资源供学生自主学习，如锂离子电池电化学过程仿真平台，学生可在此平台上进行虚拟电池组装、电化学反应模拟、性能测试等一系列实验操作，并通过AI辅助学习系统获取即时反馈和指导，提升学习效率；线下则通过小组研讨让学生深化对锂离子电池电化学过程的理解，分享各自在线上学习中的发现与疑问，同时由教师进行针对性答疑，帮助学生解决实践操作中的难点和困惑，进一步巩固所学知识。

2.项目驱动与案例教学

以储能工程项目或典型应用场景为背景，引导学生利用虚拟仿真技术进行系统设计、性能评估及故障诊断等实践活动，旨在强化其理论联系实际的能力。以“微电网储能系统设计与优化”项目为例，该项目要求学生在虚拟仿真环境中构建一个包含光伏板、风力发电机、储能电池和负载管理等组件的微型电网储能系统。学生需分析该系统在不同天气条件下的稳定性和效率，模拟不同天气状况对系统供电的影响。此外，还可以引入“电动汽车快充站储能系统”案例，引导学生分析快充站的负荷特性，并设计相应的储能系统以缓解电网压力。学生需通过虚拟仿真验证所设计方案的有效性，实现电池SOC（荷电状态）的动态监控和优化算法的应用。

（三）软硬件设施与平台建设

1.虚拟仿真实验室建设

投资建设专用的储能系统虚拟仿真实验室，配备高性能计算设备、专业仿真软件及VR（虚拟现实）/AR（增强现实）设备等，为高质量的虚拟仿真教学提供坚实的硬件支撑。实验室可购置搭载最新一代服务器集群的高性能计算设备，以支持深度学习和大规模并行计算任务。例如，在模拟锂离子电池的电化学反应过程中，这些高性能计算设备可以加速计算速度，有效缩短仿真周期。

2.云平台与资源共享

构建储能科学与工程专业虚拟仿真教学云平台，整合各类优质虚拟仿真资源，实现校内校外、线上线下资源的共享，打破时空的限制，扩大教学受益面。通过建立一个包含各种虚拟仿真模型、案例研究、教学视频、实验指导手册的资源库，涵盖从基础的电池单元设计到复杂的电网储能系统集成，如“100 MW/200 MWh电网侧储能系统虚拟设计与运维”项目，供学生下载学习和教师备课使用。

（四）教学效果评估与持续改进

1.多元化评价体系构建

为全面评估教学效果，需构建多元化评价体系，涵盖学习成果、教学质量、资源利用及平台性能。特别关注学生在虚拟仿真操作中的实践能力与创新能力，确保评价体系的科学性与实用性，以支持教学的持续改进与优化。

2.教学反馈与调整

定期收集学生对虚拟仿真教学的反馈意见，了解他们仿真模拟操作的熟练度、对学习内容的掌握情况以及对教学效果的满意度，据此调整教学策略和内容，优化虚拟仿真环境，以提升教学质量和学生实践能力。

通过上述实践策略与建议的实施，可以有力推动虚拟仿真技术在储能科学与工程专业教学中的深度应用，构建跨学科教育创新体系，培养符合时代需求的储能领域高素质人才。

四、结语

本文系统探讨了储能科学与工程专业融合虚拟仿真的教学改革，通过对储能科学与工程专业教学现状的分析，指出了传统教学模式在理论与实践结合、实验实训条件、实践环节等方面存在的问题，并构建了一套基于虚拟仿真的储能科学与工程跨学科教学创新体系。未来，虚拟仿真技术在储能科学与工程教学中的应用有望进一步深化，具体体现在以下两个方面：一是技术升级与创新应用。随着虚拟现实、增强现实、混合现实等前沿技术的不断成熟，虚拟仿真教学将变得更加逼真，交互性也将进一步增强，从而为学生提供更为沉浸式的学习体验。二是跨学科融合与项目导向。储能科学与工程专业教学将继续强化跨学科整合，虚拟仿真平台将成为跨学科知识融合与实践的重要载体，通过设计综合性虚拟项目，可以有效提升学生解决复杂储能系统问题的能力。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 李巾锭，樊林浩，张寿行，等.“1+N+X”产教融合协同育人模式在储能专业人才培养中的探索与实践[J].储能科学与技术，2024，13（6）：2099-2106.

[2］ 周磊，王军锋，乔芬.双碳目标下储能科学与工程专业建设探讨[J].内江科技，2023，44（12）：83-84.

[3］ 巨星，徐超，沈国清，等.储能科学与工程新工科本科培养模式探讨[J].储能科学与技术，2022，11（12）：4084-4091.

[4］ 卞靖懿.基于虚拟仿真技术的高校思政课数字化教学平台构建研究[J].情报科学，2023，41（12）：91-98.

[5］ 白云，金文闻，朱圆敏，等.基于柔性虚拟仿真技术的智慧实验教学平台建设[J].实验科学与技术，2023，21（4）：132-136.

[6］ 王小丹，刘齐寿，唐上朝，等.应用于能源动力类专业的虚拟仿真实验建设及教学内容设计[J].高等工程教育研究，2023（增刊1）：159-162.

[7］ 黄国勇，王春霞，温嘉玮，等.储能学科专业人才培养体系建设及实践探索[J].高教学刊，2023，9（36）：173-176.

［责任编辑：梁金凤］