面向学科交叉融合的储能课程建设探索与实践

［摘 要］ 储能专业建设是“双碳”目标下我国在高等教育领域的重大国家战略，储能专业学科交叉特征明显，涉及知识面广，在专业建设上没有先例可循。针对储能专业课程教学内容多、教学对象广、考核方式难的特点，“储能与能源互联网”课程结合新工科建设行动路线及解决复杂工程问题能力的教学目标，将实际工程项目作为课程实践内容，以学科竞赛为成果出口，明确了以问题为导向的课程理念，形成了储能专业开设学科交叉融合课程的建设思路，为高校储能专业建设及人才培养提供了实践参考。

［关键词］ 储能专业；课程建设；问题导向；交叉融合

［基金项目］ 2021年度天津大学本科教改项目“创新创业教育新模式——学科竞赛创新工坊”（20210065）

［作者简介］ 岳利可（1991—），男，山东济宁人，硕士，天津大学机械工程学院工程师，主要从事能源动力专业实践教学研究；梁兴雨（1977—），男，辽宁建平人，博士，天津大学机械工程学院教授（通信作者），主要从事能源动力专业教学研究。

［中图分类号］ G642.3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）11-0089-04 ［收稿日期］ 2023-02-17

面对全球能源格局由依赖传统化石能源向追求清洁高效能源的迅速转变，我国能源结构也面临前所未有的深刻调整。储能技术和储能产业是新能源结构的核心支撑，世界主要发达国家目前纷纷加强储能产业人才培养和技术储备，加快发展储能产业。近年来，我国的储能技术发展也开始向大规模产业应用加快推进，国内众多高校针对能源结构战略需求，在储能技术相关领域取得了大量研究成果。储能技术作为重要的战略性新兴领域，需要加快物理、化学、材料、能源动力、电力电气等多学科多领域交叉融合、协同创新，高校现有人才培养体系尚待完善，相关学科专业尚待健全，特别是学科专业壁垒急需突破［1］。目前高校通过将现有不同学科专业教学内容交叉融合，实现了学科之间动态交叉整合，不仅丰富了相关学科内涵，突破了单一学科局限性，而且满足了知识创新，有利于学生综合能力的培养［2］。自《储能技术专业学科发展行动计划（2020—2024年）》发布后，全国多所高校设置了储能科学与工程本科专业［3］。由于储能科学与工程是一个多学科深度交叉的专业，储能专业建设高校在专业培养方案制订、课程体系构建、师资队伍配置等方面都面临着诸多困难。其中基于培养方案的课程体系构建是专业建设的重中之重，从储能方式的基本原理到储能系统集成、容量配置以及经济评估、教材选编等诸多方面设计课程体系，才能为完善的储能专业教学体系构建提供基本保障［4］。在课程内容选择上，针对国家需求和学科体系中专业知识的覆盖程度，建议选取“工程热力学”“工程力学”“材料”“传热传质学”“控制理论和电工电子技术”作为储能科学与工程专业核心课程［5］。储能技术作为新兴领域，学生对储能专业认识并不全面，在努力增设储能技术专业课程的同时，还可以鼓励学生根据知识需求跨年级、跨学科选修与储能相关的课程，学习储能领域的基本专业知识技能［6］。由此可见，建设储能专业通识课程，加深学生对储能专业的认识，是实现储能技术人才培养工作的重中之重。

天津大学作为目前获批建设储能专业的高校之一，且作为全国新工科建设的领头羊，在储能专业建设过程中基于学科交叉的专业特点，结合新工科人才培养需求和学校特色，开创性地建设了通识课程——“储能与能源互联网”课程，通过跨学科的人才施教方式，最大化利用现有软硬件教学资源，以项目制教学为抓手，确定了独具特色的课程内容，为储能专业相关课程建设提供了理论和实践指导。

一、储能专业课程特征

储能专业课程具有知识覆盖面广、内容深等特点，如何让任课教师讲好，让不同专业学生都能学好，是课程建设过程中面临的重要问题，通过梳理各学科方向特色，发现课程建设主要面临以下几个方面的挑战。

（一）课程教学内容多

“储能与能源互联网”作为储能专业建设的先导通识课，需要具备全面介绍多种储能技术、深入解读储能发展的功能，交叉学科所包含的教学内容很多，涉及能源动力、电气、化工、材料、物理等。如此多的内容，在一门课程教学内容设计中如何取舍，如何用通俗易懂的方式向学生讲授这些专业内容，是课程建设过程中面临的首要问题。

（二）教学对象专业广

目前高校课程教学方法偏重理论知识的传授，存在重理论、轻实践、少互动的问题。具体表现在教师上课只传授书本知识，课下实践活动走过场或流于形式，没有真正地抓起来。其次，教师在教学活动中起主导作用，学生只是配角，教学过程中缺乏必要的师生互动和生生互动［7］。“储能与能源互联网”作为全校公选课，学生专业背景不尽相同，如果仍按照传统教学方式进行书本知识的传授，势必会消磨学生的学习兴趣。因此，在教学方法上如何满足不同专业学生的知识需求，同时充分调动学生的积极主动性是任课教师需要充分考虑的问题。

（三）课程考核方式难

课程考核作为课程教学的重要组成部分，直接体现了教学效果，同时也能为教学方案的更新迭代指引方向［8］。“储能与能源互联网”课程具有综合性强且又较为灵活的特点，同时又是一门新工科课程，课程采用项目制教学方式，仅凭平时成绩和期末考试来对学习效果进行评估，存在评价形式单一、主观性较强和综合性不够等问题。因此，设置一种能够科学、真实地反映学生学习效果的考核方式，也是一个需要思考的问题。

二、课程建设目标导向

“储能与能源互联网”课程是面向储能专业建设的校选课，作为一门新工科课程应充分考虑新工科课程应该具备的特点，以学生为中心，以问题为导向，以实际项目为牵引，将新方向、新技术、新方法融入课程体系。因此，应明确课程目标及课程理念，为课程建设提供方向引领和实践指导，同时也为课程教学效果评价体系建设提供依据。

（一）坚持立德树人，制定课程目标

“储能与能源互联网”课程以培养理论知识扎实、专业能力突出、具有家国情怀的卓越工程人才为课程目标。课程在理论知识层面，培养学生对能源形式、储能方式及能源互联网的深入认知、理论分析和模型设计能力；在实践能力层面，培养学生在项目实践过程中综合应用、分析问题、解决问题及任务协同、沟通交流能力；在职业素养层面，培养“能用、管用、实用、耐用”的具有“精益求精、追求卓越”工匠精神的创新人才，形成了层次分明、逐渐提升的课程培养目标。

（二）基于问题导向，明确课程理念

“储能与能源互联网”课程针对当下能源环境问题，以国家“双碳”目标为实施背景，以满足新工科人才培养要求为目标，明确课程理念。课程坚持使命驱动、问题导向，通过学科交叉将现有高校教育中尤其缺失的人文素质、工程伦理、项目管理等内容融入日常的课程讲授中，通过将课堂设在项目现场，实现以实际工程问题为牵引，强化分析问题、解决问题能力培养的教学目标。建立学生、教师和助教三方协调配合的课程管理机制，为学生学习理论、方案设计、动手实践构建全方位的教学保障体系，切实践行新工科教学育人理念。

三、课程建设实施举措

“储能与能源互联网”课程要求学生既要建立储能专业的相关基础知识体系，又要在实践中锻炼知识运用、实践能力。课程通过制定目标、明确理念、做好设计、收集反馈等方法，保障了教学流程的顺利实施，实现了培养储能专业技术人才的目的。

（一）融合多元教学内容

在理论知识层面，储能技术依赖于化工与材料科学；在实践应用层面，需要深刻理解能量转化原理，这就涉及传热学、热力学等相关知识；在系统设计层面上，系统的实现依赖于结构设计、能流管理及电网协调等技术，这就需要电力系统和控制原理的相关知识内容。课程内容融合了动力工程及工程热物理、化学工程与技术、电气自动化等5个学科的“工程热力学”“传热学”“化工原理”等7门课程，梳理了合理适中的教学内容。“储能与能源互联网”作为储能专业学生学习的先导课，需要对储能知识体系进行全面的梳理与普及，便于学生根据自身兴趣选择储热、储电或储氢等不同专业侧重方向。

（二）组建交叉教师团队

储能技术专业知识涉及面广，单一学科的知识内容无法满足人才培养的需求，且涉及学科一般分布在不同的院系，难以在课程体系、实践平台以及任课教师之间形成共享机制，给跨学科人才培养造成了很大的难度［9］。针对该问题，课程通过融合动力、电气、化学、材料等学科的优秀教师，组成学科交叉师资团队，实现了能量获取、能量转化、能量存储至能量利用的全流程师资支持。通过将教师和学生根据不同课程任务分成项目小组的教学模式，实现了项目导师和培养对象进行“一对一”指导交流，同时还可以充分发挥各学科教师优势，为学生提供储能专业知识全方位的指导。

（三）整合优势教学资源

储能技术人才培养离不开优秀教学资源的支撑，可以将储能领域的科研条件及成果转化为教学资源，充分发挥平台对于人才培养的支撑作用，鼓励学生参与教师科研项目衍生出来的设计课题［10］。“储能与能源互联网”课程充分利用国家重点实验室、教育部重点实验室等科研平台的优势资源，同时协调能源动力、化学化工、电气电子3个国家级实验教学示范中心的丰富教学资源，建成了集可再生能源利用、储能、测试及采集的储能新工科实践平台。学生参与由科研项目转化而来的课程任务，使其处于储能技术的前沿研究领域，加深了学生对储能技术理解；同时通过接触高精尖实验设备和平台，不仅能提升学生实践技能，还有利于学生建立起理论与科研、生产实践的联系。

四、课程教学设计样例

（一）做好顶层设计，落实交叉融合

课程以完成局域性能源利用碳中和方案设计为任务目标，坚持问题导向，围绕项目方案设计与仿真计算、测控与通信方案设计划分为7个课程项目小组，通过教师的介绍、引导实现小组任务的创意激发。学生以可再生能源的储能应用为目标，独自构思，需综合利用至少两种储能方式实现方案设计，并进行创意展示。通过创意互评遴选出优秀创意作为最终项目设计方案，提出优秀创意的同学作为课程项目小组负责人进行整个项目的实施和管理。项目实施过程包括学生自学、研讨、教师指导、现场实践等方式，最终完成课程项目任务。通过最终项目方案设计展示和成果汇报由学生和教师共同进行评分，并作为该课程成绩的主要组成部分。由于课程时间有限，对于有兴趣持续进行课程项目完善和实施的学生，组织参加相关学科竞赛。

（二）课上增强互动，课下积极反馈

在课程建设过程中，课前围绕新工科课程建设要求及学校专业特色确定了课程目标与实施理念。课上采用课程讲授及课程项目作业相结合的授课方式。第一课就将课程项目作业进行布置，围绕实现一座楼宇局域性碳中和目标，设立太阳能发电中心、电能存储中心等7个课题项目小组。每个组既要对局域性碳中和总任务有总体方案，又有小组侧重任务。学生分配采用“1+1+X”（1名教师+1名助教+X名同学）的分组机制，教师指导，助教督促，学生实施。在课堂教学方式上，采取半节讲课，半节汇报。在课程考核方式上，采用日常作业加项目汇报的形式进行。结课后，面向全体学生开展教学评价，以便进一步完善教学大纲，改进教学方式，最终形成“培养目标—培养方案—课程大纲—评价分析—课程报告—改进方案—培养目标”的闭环教学质量持续改进体系。

（三）落实课程任务，培育创新成果

“储能与能源互联网”课程授课对象多为大一、大二年级本科生，因此对各类学科竞赛具有浓厚兴趣。课程教师团队结合课程小组的任务目标及任务完成情况，遴选优秀创意参加相关学科竞赛，将课堂进一步延伸。课程结课后，组织学生参加全国大学生节能减排大赛、大学生方程式赛车等学科竞赛，比赛成绩均取得了历史性突破。此外，还获批了根据课程内容申报的多项大学生创新创业训练计划。通过多轮的课程教学实践，已形成了“课程—项目—竞赛”多层次教学内容，构建了培养学生“理论—实践—创新”全方位能力的培养体系。