新工科背景下的新能源专业实践教学模式探讨

文 | 谭剑锋，陈捷，薛慧芳，孙后环

高等教育发展水平是一个国家综合实力的重要标志。国家推动创新驱动发展，实施“一带一路”“互联网+”等重大倡议和战略，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，同时也对工程科技人才提出更高要求，迫切需要加快工程教育改革创新。高等学校需要采用先进的工程教育理念，加强新工科背景下培养学生解决复杂工程问题的能力，更加重视实践教学环节。为此，南京工业大学新能源科学与工程专业从实践教学课程规划、课程体系设置、教学内容、授课形式、课外实践活动等多方面加强对学生解决复杂工程能力的培养。

专业背景

南京工业大学具有百年办学历史，是首批入选国家“高等学校创新能力提升计划（2011计划）”的14所高校之一，是国家首批深化创新创业教育改革示范高校和全国高校实践育人创新创业基地。从办学特色出发，经过充分调查研究，基于资源共享、优化匹配的原则，以本校机电控制工程学科群为依托，联合化工机械、机械工程及自动化等学科资源，从2008年开设风能与动力工程专业方向。风能与动力工程本科专业于2010年申请获批，2011年开始招生。2013年，国家对专业目录进行统一调整，专业名称改为新能源科学与工程。经过近几年的大力投入和发展，以及对新能源领域人才需求的充分调研，更加明确培养目标，并对培养方案不断修订完善，形成较为稳定的课程体系。在新工科背景下，不断地强化本专业的优势和特色，将教师科研成果恰当地融入本科生的培养中，更加注重培养学生的工程实践能力，不断探索实践教学培养模式。

图1 新能源科学与工程专业基本情况

实践课程规划思路和建设

一、实践课程规划思路

根据本校人才培养的目标定位，深入调研社会需求与学科发展，参考《高等学校理工科学科专业指导性规范》和“工程教育专业认证”通用标准与行业补充标准，确定培养从事清洁能源生产、新能源开发利用、能源环境保护以及新能源装备设计与制造的跨学科复合型人才。为此，于2015年修订了南京工业大学新能源科学与工程专业培养方案和课程体系。本专业实践类课程贯穿本科教学始终，加强在素质教育、实践创新方面的培养，促进素质、能力、知识协调发展。

二、实践教学建设

1. 优化课程关系，构建递进式实践课程体系

根据新能源科学与工程专业的培养目标，采用递进方式逐步提高学生在工程实践方面的能力。为此，建立基础课程和专业课程实验的知识型实验教学环节，工程训练和生产实习的生产型实践教学环节，学科基础课程设计和专业课程设计的设计型实践教学环节，以及新能源工程综合实训和毕业实习的综合型实践教学环节，从而培养在问题分析、设计/开发、团队沟通等方面的能力，形成从简单到复杂的工程实践能力培养模式。

（1）知识型实验教学环节

知识型实验教学环节包括基础课程和专业课程实验。基础课程实验涵盖自然科学和工程基础类课程，如大学物理、材料力学等课程。通过此类课程实验加深学生对实验现象和理论知识的理解。专业课程实验涵盖风力发电原理、风电机组设计与制造、太阳能利用技术等专业课。通过此类课程实验加深学生对新能源技术的理解，同时通过增加综合性实验提高学生的创新能力。比如在风力发电机组性能实验中要求学生设计实验过程，并搭建实验线路，测量发电功率，分析风力发电机组性能特性，提高学生对风力发电技术的理解和实践动手能力。

（2）生产型实践教学环节

生产型实践教学环节涵盖工程训练和生产实习。通过工程训练让学生掌握新能源装备涉及的机械零部件加工流程和工艺，如增速器的主轴加工流程和工艺要求等。工程训练要求任课教师根据教学大纲的要求，先讲授相应的理论课，再安排学生进入“现代装备制造大学生工程训练中心”进行现场实习。工程训练的目的在于增强学生在机械制造领域的感性认识，激发其求知与创新欲望，培养学生的机械零件工程实践能力，为后续新能源装备理论课程的学习奠定基础。

图2 实践教学课程体系

图3 风力发电原理课程实验

生产实习教学中创造性地构建企业高级工程师进校讲解与现场实习指导相结合机制，提高学生对新能源装备制造主流技术的理解和掌握程度，更好地在实习过程中发现问题，激发在工程技术和工程实践方面的创新点，让学生更全面了解新能源装备领域的研发设计、生产制造、安装与检测等过程，为后续新能源装备设计类课程奠定机械制造领域的知识体系。如在齿轮箱制造实习环节，通过高级工程师讲解齿轮箱的设计思路、设计流程和加工工艺要求，并现场学习从基本材料到齿轮机加工和热处理等加工工艺、再到齿轮箱整体装配与检测等全流程，更深入掌握实际齿轮箱的设计、生产制造、安装与检测流程。

（3）设计型实践教学环节

设计型实践教学环节涵盖学科基础课程设计和专业课程设计，如机械设计基础课程设计、风力机空气动力学课程设计、风电机组设计与制造课程设计等。通过课程设计让学生综合使用理论课知识，培养学生在新能源领域复杂工程问题的分析与研究、设计/开发解决方案、信息检索等方面的能力。以此三门课程设计为平台，加强风力发电机组中机械部件设计、风力机空气动力学技术及风力发电机组部件设计技术的应用，对风力发电机组进行一次较全面的模拟设计训练。

（4）综合型实践教学环节

综合型实践教学环节包括新能源工程综合实训和毕业实习。新能源工程综合实训在各新能源企业进行，通过在生产一线实际锻炼，进一步加深学生对新能源装备的理解和对复杂工程实际问题的分析能力。比如由企业工程师讲授风电机组装配流程和工艺要求，并按照风电机组总装车间作息时间，在工程技术人员的指导下，全程跟踪风力发电机组的总装，从而更加深入理解变桨距系统、传动系统、偏航系统、刹车系统等的安装与调试等环节。随后深入风电场，通过工程师的现场讲解和讨论，学习风电场日常运行、远程监测、保养与维护等方面的知识，了解风电设备运行与管理模式。

图4 实践课程指导书

毕业实习则在新能源企业和校内同时开展。校内实习内容包括风电机组主要部件的拆装，帮助解答毕业设计过程中有关风电机组的疑问。校外实习依托实践教学基地进行，每个同学记录毕业设计过程中碰到的新能源装备工程问题，通过与企业工程师现场实际沟通，加深对实际设计与制造过程中的解决措施理解，从而让毕业设计更加符合新能源装备的实际要求。

2. 加强实践能力培养，优化实践课程授课方式

理论替代不了实践，但实践可以完善理论，因此，本专业适当减少理论课的学时，调整部分课程内容的授课方式，将部分纯理论的课堂教学转变为结合实际的现场教学，让学生对新能源装备增加感性认识。比如在风力发电组原理课程中，将部分风电机组结构课堂教学转为在新能源科学与工程综合实验室的大型变桨距风电机组模拟试验系统平台上进行授课，通过对大型风电机组结构现场讲解，让学生更加直观理解大型水平轴风电机组基本结构和动力传递路径，从而把枯燥的理论课程转化为生动活跃的实践课程。

此外，还提高了综合性、创新性实验所占的比重，鼓励教师将一些成熟的研究成果转化为实验教学项目，以开放性实验形式对学生进行实践训练。比如基于教师承当的风电机组回转支承系统监测项目，将项目中复杂的内容简化为适合于本科实验教学的风电机组监测与控制实验，分析偏航系统控制目标，让学生分组设计偏航控制流程，利用PLC语言编写偏航控制编码，并导入到大型变桨距风电机组模拟试验系统，进行实际操作验证，从而让学生更直观理解风电机组的控制，锻炼学生在解决风电机组复杂控制系统的能力。

3. 丰富实践教学形式，开展优秀本科生导师制

图5 新能源综合实践教学

开展第二课堂和创新活动，增设菁英人才班，进行素质拓展与创新培养，鼓励学生按照个性发展，以多样化的实践教学形式培养学生在工程实践方面的能力。素质拓展途径包括参加科技创新及竞赛、开展社会调查、参与教师科研工作等多个方面。为充分挖掘优秀本科生的发展潜力，实施“优秀学生导师制”措施。从大学二年级开始，鼓励优秀学生加入各新能源科研团队，为他们配备专业指导教师，指导开展各种形式的实践研究活动。比如部分新能源专业的学生利用课余时间学习风电机组系统检测技术，在专业教师的指导下开展基于LabView的风电系统检测平台，实现对风电机组齿轮箱的检测。

图6 大型变桨距风电机组模拟试验系统实验

图7 风电系统检测平台

此外，大学生实践创新项目和大学生实践创业项目的设立，激发学生创新、创业的积极性，创新项目的申请、评审、考核和鉴定与科研课题运作模式一致，由新能源专业导师指导学生撰写申请书，开展相应创新实践活动，培养学生创新意识和创业精神。

总结

根据新工科背景下对新能源领域的人才要求，建立与之匹配的培养目标，确定实践教学环节对培养目标的支撑关系，培养学生在解决新能源领域复杂工程方面的能力。通过从知识型实验教学环节、生产型实践教学环节，到设计型实践教学环节，再到专业综合实践教学环节，实现从简单到复杂，以递进式的实践教学体系培养学生的工程实践能力。同时，通过优化实践教学授课方式，开展优秀本科生导师制度，加强实践能力的培养。为评价实践教学效果以及对各实践教学环节的持续改进，将逐步开展基于OBE评价体系的实践教学环节评价，通过对各教学环节质量监控和评价，并反馈与各实践教学环节，努力提高实践教学质量和学生的工程实践能力。