基于知识融合的智慧能源课程体系内涵与构建方法探索

摘  要：综合能源时代，传统能源与动力学科专业向“智能”“智慧”化方向发展融合成为必然趋势。构建面向智慧能源的基础、特色和实践课程体系成为教学研究重点。该文拟围绕面向智慧能源高端人才培养的能源动力类专业教育教学体系改革，探讨智慧能源的基础、特色和实践课程构建原则、内涵与途径。能源动力专业课程知识与大数据、人工智能、信息控制等学科知识遵循“模型构建-数据分析-控制优化”的融合原则，是建设智慧能源的理论课程重要方法。针对智慧能源的交叉融合特性，充分利用海量实际生产数据，开发突破场地、资源、设备和人员等限制，实现多功能教学目标的虚拟仿真实践教学综合课程，实现多维培养目标，是构建完善的智慧能源课程体系的重要一环。

关键词：智慧能源；知识融合；课程体系；工程实践；人才培养

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）30-0019-05

Abstract： In the era of comprehensive energy， mergence with the intelligent and smart technologies have been becoming an inexorable trend for the major of energy and power engineering. Establishing new fundamental， characteristic and practice curriculum systems for smart energy expertise is a key topic for teaching research. This paper explores the principles， connotation and strategies to develop fundamental， characteristic and practice curriculum for smart energy， focusing on education and teaching revolution ofthe major of energy and power engineering regarding to the cultivation of talents specially for smart energy era. The course knowledge of energy and power and the knowledge of big data， artificial intelligence， information control and other disciplines follow the integration principle of "model construction-data analysis-control optimization"， which is an important method for the construction of theoretical courses of smart energy. In view of the cross-integration characteristics of smart energy， making full use of massive actual production data， developing comprehensive virtual simulation practical teaching courses that break through the limitations of sites， resources， equipment and personnel to achieve multi-functional teaching goals， and realizing multi-dimensional training goals are an important part of building a sound smart energy curriculum system.

Keywords： smart energy; knowledge fusion; curriculum system; engineering practice; talent cultivation

基金项目：中国矿业大学研究生教育教学改革研究与实践项目“基于工程教育导向的《高等燃烧学》课程教学模式改革研究”（2023YJSJ G034）；中国矿业大学教学研究项目重大课题“智慧能源高端人才知识、能力和素养图谱构建与达成路径”（2023ZDKT04）；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，硕士研究生导师。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。

能源领域是碳达峰、碳中和的主战场，能源革命是实现碳达峰、碳中和的重要抓手。通过传统能源新技术与数字技术、智能化技术的深度融合[1]，加快推动中国能源革命向纵深发展，实现能源行业由“质”到“智”的发展，建设清洁低碳、智慧高效、经济安全的能源体系是中国式现代化的基础。技术和产业的迅猛发展对智慧能源创新型人才的培养提出了紧迫要求。然而，随着信息化、智能化技术与能源行业的深度融合发展[2]，传统能源与动力类课程体系与实际需求的割裂愈来愈严重，已经难以支撑能源领域智慧化革命所需复合型、创新型人才的培养需求。

一  构建智慧能源课程体系的时代需求

（一）  智慧能源课程体系建设现状

高校作为高端人才主要输出端、知识发展传播主阵地，开展面向智慧能源的教育教学改革研究迫在眉睫。其核心任务之一就是构建智慧能源方向知识体系[3]，主要载体即科学、完善的智慧能源课程体系建设。科学、合理、完善的课程体系和教学方法是保证智慧能源高端人才培养教育教学体系实施效果的关键。因此，传统能源与动力学科专业向“智能”“智慧”化方向发展融合成为教育教学改革研究的热点和重点。

国外高等教育一直注重传统学科与新兴学科的复合交叉，以建设满足智慧能源工程教育的知识体系。欧盟最早开始智慧能源人才培养的教学体系改革，在其课程体系中，采用了人工智能技术来提高教学质量，并在各阶段中融入了人工智能，高等教育的基础课程是其中重要组成部分[4]。2004年普渡大学设置了工程教学系，促进人工智能、储能、智能制造等多学科交叉应用，以培养适应包括智慧能源在内的新兴产业的高端可塑性人才[5]。2016年麻省理工学院开始了新工程教育改革计划（NEET计划），其核心理念是高度强调人工智能时代工程人才培养的学科融合趋势，更加突出以学生为中心的自主学习能力，面向未来新机器新系统设计的知识和能力需求，完成适应智能化时代的工程人才培养学科专业体系重构[6-7]。2017年，伊利诺伊大学香槟分校已经开始了绿色综合能源系统的课程，主要关注了风能、太阳能、储能电站和传统电力的智能耦合，以及绿色能源的能源供给表现和经济性分析[4]。日本格外注意能源的智慧化，与能源智慧化实践相匹配，还构建了相应的培训体系，该体系包含素养教育、应用基础教育、专家培育等多个层次[8]。

国内多所高校已经提前布局智慧能源课程体系的建设和改革。2015年，华北电力大学整合校内外能源领域的优势科研力量，组成由经济管理、电气、能源与动力、可再生能源、信息与通信和人文社科等多学科、跨专业团队，研发了“综合能源系统仿真平台”；2020年，进一步依托其在智慧能源等相关领域优势开设人工智能专业，着力于培养服务智能电力行业的专业技术人才。2022年，浙江大学依托工程师学院启动智慧能源工程师项目[4]，通过动力工程、电气工程、控制工程和信息技术等多学科交叉互补，产教融合、需求导向，培养智慧能源新技术、新模式、新业态所急需的应用型、复合型和高层次工程专业人才；项目的核心专业课程包括智慧能源系统工程、综合能源系统集成优化、低碳能源系统理论与设计、智慧能源工程案例分析与实践、新能源发电与变流技术和物联网操作系统与边缘计算等，课程内容涵盖智慧能源系统体系架构、能源综合梯级利用、低碳能源系统、多能流耦合调度控制、智慧环保装置运行控制和能源系统建模仿真等。2022年，上海交通大学智慧能源工程专业正式招生，以上海交通大学-国家电投智慧能源创新学院产教融合为平台，课程体系融合能源类和信息类课程，突出强调了电气工程、动力工程、控制科学与工程、计算机科学与技术和材料科学与工程等多学科知识的交叉。清华大学、天津大学、华中科技大学将智慧能源方向设置在人工智能学院[4]。智慧能源专业的基础课程设置呈现出跨领域跨学科的特点、知识融合与学科交叉的鲜明特征。

基于智慧能源领域的知识融合、学科交叉、智能信息化等内在特征，如何提高学生的知识掌握效率、持续学习能力和实践创新素质亦成为智慧能源课程体系中的实践创新教学解决的重要问题。教育部于2018年发布《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》中提出“建设1 000项左右国家虚拟仿真实验教学项目，提高实验教学质量和水平”，强调信息技术与教育教学深度融合。2018年7月，工信部印发了《工业互联网平台建设及推广指南》，具备双向通路的工业互联网发展使数字孪生成为了有生命力的模型。法国达索公司基于数字孪生搭建3D EXPERIENCE数字化体验平台[4]，实现了针对产品从概念设计、生产执行到最终交付的全生命周期管理，有效地缩短了研发周期，通过模拟产品在加工过程中的状态，合理分配与使用资源，从而提升生产效率。GE公司基于Predix平台提供了设备虚实同步交付的新理念，通过采集现场实时数据，在虚拟孪生体上进行多方面分析，实现了数字孪生在设备产品故障检测、寿命预测等方面的应用，充分体现了数字孪生的价值，强化企业核心竞争力[9]。

综上所述，通过与信息、控制、计算机学科知识交叉融合，构建适应智能时代的智慧能源知识体系是能源与动力专业教学改革发展现状的本质特征。但是，目前对于智慧能源知识体系内涵和构建方法尚在探索中，还存在诸多问题：能源与动力学科与人工智能、大数据、物联网等学科的融合趋势的未来形态会是怎样的，融合的边界如何确定？如何灵活应用信息化、现代化的先进教学方法，在有限课时内实现融合交叉知识的教与学？智慧能源覆盖的专业理论知识和应用场景广泛而复杂，如何在有限资源下构建开放性、包容性、可移植性高的实训平台？

（二）  智慧能源课程体系的发展趋势

智慧能源系统是能源动力、电气控制、可再生能源和信息技术等多学科的交叉领域，其重大特征是学科交叉、知识融合、技术集成。因此，智慧能源课程体系必须具有与之匹配的内核，其在人才培养、知识构建、实践训练等方面的改革趋势如下。

1  人才培养内涵目标多维化

智慧能源系统的学科交叉、知识融合、技术集成特征决定了人才培养的目标是提高毕业生的综合素质，包括知识复合、能力复合、思维复合等多方面素质。综合我国当下培养人才的模式，通过开设多学科交叉复合课程，让学生了解、学习、领会其他领域的知识，学会利用其他领域的知识来解决自己领域的难题；同时融会贯通，把专业知识创新性地运用到其他领域。

2  课程知识体系交叉融合化

信息化和智能化促进学科融合是未来高等教育发展的必然趋势，是智慧能源课程体系构建必须遵守的首要原则。从能动类教育教学改革的视角来看，原有的以学科为单位的单学科或有限学科融合的课程体系，已不适应智慧能源时代的人才培养需要；刚性的学科边界设置和固化的课程体系架构，已成为禁锢高端人才培养的主要障碍。