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

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。围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。将最新科研成果，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。