面向储能技术的跨学科拔尖创新人才培养教学实践与探索

饶中浩，刘臣臻，霍宇涛，赵佳腾，刘昌会

（中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏 徐州221116）

根据国家能源局的相关通知，储能被列入可再生能源发展“十四五”规划编制计划中，且《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》也将可再生能源列为优先发展领域，并明确提出发展储能技术[1]。2020年1月，为加快培养储能领域“高精尖缺”人才，教育部、国家发展改革委、国家能源局联合印发了《储能技术专业学科发展行动计划(2020—2024年)》,并指出“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”[2]。而早在2018 年8 月，教育部、财政部、国家发展改革委印发的《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》在“培养拔尖创新人才”中明确指出“制定跨学科人才培养方案，探索建立政治过硬、行业急需、能力突出的高层次复合型人才培养新机制”，在“优化学科布局”中明确指出“整合相关传统学科资源，促进基础学科、应用学科交叉融合”[3]。拔尖创新人才的培养，是提升国家创新能力，坚持创新发展的主要驱动力，同时也是《高等教育法》赋予高等教育的主要任务。培养创新人才，必须要认识到实践教育的重要作用，而实践教育的重要内容之一便是实验教学[4]。因此，立足国家能源发展战略，围绕储能技术领域的多学科交叉特点，探索跨学科的教学模式，培养拔尖创新人才，对于推动储能技术的学科发展、人才培养以及行业进步都具有重要的现实意义。

1 跨学科教学在拔尖创新人才培养中的作用

随着我国高校争创世界一流大学和一流学科步伐的不断推进，不同学科、不同专业领域之间的交叉融合、相互借鉴和相互促进，有助于丰富相应学科内涵，提升应对社会新需求的能力。科学技术、知识体系的多元化发展，也必将促进高等教育由过去单一的专业教育向未来的跨学科或交叉学科教育转变。近年来，新工科建设的崛起，也促使各高校在专业设置、培养方案以及人才培养模式等方面进行全方位改革。储能行业的火热，也反映了社会发展对跨学科人才的现实需求。当然，跨学科的最终目的不是取代或消除传统学科，而是形成学科之间动态交互与整合的新环境，以适应知识创新和社会需求[5]。

1.1 满足能源可持续发展对储能技术拔尖创新人才的迫切需求

为应对全球能源短缺、环境污染等严峻挑战，世界各国均提出能源结构从传统化石能源向风能、太阳能等清洁可再生能源转变的能源发展战略[6]。但大多数清洁可再生能源在利用过程中存在能源密度低、间歇性、波动大等问题，给大规模应用带来很大难度。而储能技术能够解决能源利用过程中时间、空间、强度等不匹配问题，因此，储能系统在可再生能源电站、电网输配侧以及用户侧的应用能够促进可再生能源的消纳，是清洁可再生能源大规模发展与利用的关键，也是我国乃至全球能源结构调整的重要技术支撑。

随着清洁可再生能源开发利用规模的不断扩大，对储能市场的需求呈现大量增长，而储能行业发展的历史较短，并没有形成丰富的人才库，储能领域各层次的人才供给严重不足，导致储能行业面临人才短缺的严峻挑战[7]。因此，快速响应《储能技术专业学科发展行动技术(2020—2024)》，加快储能行业拔尖创新人才的培养，满足新能源利用、电网调峰、航空航天、新能源车、建筑节能以及余热利用等领域的人才需求(图1)，对于提高储能技术创新，促进储能产业及清洁可再生能源的快速发展，以及抢占能源战略制高点具有重要的意义。

图1 储能技术的应用领域及人才迫切需求Fig.1 The application field and the urgent demand for talents of energy storage technology

1.2 跨学科教学是储能技术领域拔尖人才培养的重要举措

随着科学与知识生产模式的发展，跨学科教学逐渐成为拔尖人才培养的重要途径[8]。教育部提倡多学科教学交叉融合，通过跨学科实验教学能够弥补单一学科局限性，有利于培养学生的综合能力[9]。

图2 储热技术知识体系Fig.2 Knowledge system of thermal energy storage technology

储能技术领域涉及动力工程及工程热物理、电气工程、材料科学与工程、化学工程与技术等学科，单一学科的知识结构无法满足储能行业人才培养的需求。以储热技术为例，其知识体系如图2所示。在储热材料层面，材料的加工与性能调控涉及材料科学基础、化工原理、化工过程分析与合成和化工过程测控技术等课程的内容；储热系统层面，储热系统的设计与控制，涉及电工技术与电子技术、机械设计基础、热工过程控制、能源与动力工程现代测试技术等课程知识；在储热过程中热能传输层面，热量的传递与输运涉及传热学和工程流体力学等课程知识；在能量转换层面，热能转换成其他形式的能量或其他形式的能量转换成热能则涉及能源转化原理和工程热力学等课程知识。上述所涉及的课程分布在动力工程及工程热物理、材料科学与工程、化学工程与技术和电气工程学科，说明储热技术具有多学科交叉的特点。

电化学储能、机械储能、电磁储能等储能技术同样具有较强的多学科交叉性。因此，必须突破学科专业的壁垒，交叉融合多学科领域，注重知识整合与跨学科教学协同，才能够培养出具有扎实储能技术基础理论、较强创新力以及具备解决储能领域复杂工程问题的综合型拔尖创新人才。

1.3 跨学科教学有利于提升储能技术人才科学研究创新力

习近平总书记在中国共产党第十九次全国代表大会上的报告中指出：“创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑”[10]。具有科学研究创新力的人才是建设创新型国家的重要支撑。储能技术创新力的提升已经成为我国清洁可再生能源应用与发展的核心竞争力。因此，为进一步推动能源结构调整，加快清洁可再生能源发展，加强储能技术人才在科学研究中的创新力显得非常迫切[11]。

研究创新力的培养是人才培养的重要内容，着重培养学生发现问题、提出问题、分析问题以及解决问题的能力。但目前传统的单一领域的专业知识难以支撑储能技术基础，无法有效解决储能领域相关的复杂问题。通过跨学科教学，能够改善创新环境，在进一步完善学生有关储能领域的知识体系、激发学生内在动力等方面具有重要的意义。此外，跨学科教学在很大程度上能够拓宽学生的知识结构与学术思维，强化知识转化能力，加强研究创新力，提高拔尖人才的研究创新力以及解决储能领域复杂问题的能力。

2 跨学科教学实践与探索—以中国矿业大学为例

2.1 面向储能技术的跨学科拔尖人才培养措施与方法

围绕储能行业的技术需求，为培养储能技术前沿的拔尖创新人才，对跨学科教学模式进行了实践与探索。开设储能科学与技术等课程，为学生讲授储能技术专业知识。以高层次平台为实践创新基地为平台，动力工程及工程热物理、电气工程、材料科学与工程、化学工程与技术等学科交叉，通过教学与科研协同，既注重专业知识的课堂教学，同时兼顾科研实践的带动与融会贯通，以科研项目带动科研激情。把握学科前沿，以点带面，突出激励学生主体性、创造性、能动性，促进储能技术领域的创新型、产业型综合拔尖创新人才的培养。

2.1.1 增设储能技术专业课，拓展学生跨学科的理论基础

储能技术相关产业迫切需求大量拔尖人才，但储能技术在前期并无相关本科专业，2020 年，西安交通大学成为第一个获批储能科学与工程本科专业的高校，揭开了储能技术人才系统性、专业性培养的序幕。中国矿业大学也是较早开展储能技术领域研究和人才培养的高校之一，围绕国内外储能技术行业人才需求，先后开设了先进储能理论与技术、储能技术概论、化学电源等储能方面的课程，并结合储能技术实际工程案例进行讲解，以提升学生在储能技术领域的专业知识和行业认知。

课程体系的合理构建是培养拔尖创新人才的基本保障。储能技术作为新兴领域，全国开设储能技术相关课程的高校较少。针对该状况，中国矿业大学早期针对本科生开设了《储能技术前沿》等通识教育课程，在2016 年利用本科生培养方案调整的机会新增了《储能技术》专业课；针对研究生，自2017 年起开设了《先进储能理论与技术》等专业课程。并先后编写了《储能技术概论》、《相变储能实验与分析》等教材，以及《电池热管理》等作为辅助参考书。同时，鼓励学生根据知识需求跨学科、跨年级选修课程，学习储能领域的基本专业知识技能。为学生在储能技术领域的科学研究及工程实践打下坚实的理论基础。

2020 年，中国矿业大学备案了储能科学与工程交叉学科，同时向教育部申报了储能科学与工程本科专业，形成了本硕博多层次的储能技术领域人才培养模式。为了推动储能科学与工程专业的建设，培养具备储能技术领域基础理论和基本技能，能够分析和解决储能领域相关复杂工程问题，从事设计、研发、管理以及教学等方面的储能技术专业人才，还制定了详细的课程培养方案(图3)，其课程体系包括通识教育必修课程、专业大类基础必修课程、专业知识主干课程、专业知识选修课程、跨专业选修课程、实践课程以及拓展课程等。通识教育课程学时占比29.7%，专业大类必修课程学时占比58.5%，专业课程学时占比24.8%，上述课程中所涉及到的实践环节课时占比为25.5%。通过学习通识教育课程，使学生树立起正确的人生价值观、国家情怀、人文素养，具备良好的外语运用能力，并拓宽国际化视野。通过对专业大类必修课的学习，掌握数学、物理、化学、材料、力学及电工等方面的基础理论和基本技能，为下一步的储能专业知识主干课程的学习打下坚实的基础。在专业知识主干课程方面，根据目前储能行业特点、社会需求，设置了储能原理、电化学储能基础、储热技术及应用、氢能技术及应用和储能系统安全管理等核心课程，以培养储热、储电、储氢及储能安全等方面的专业知识。学生还可针对感兴趣的储能方向，进一步侧重选择与该类别储能技术相关的专业选修课程进行学习，如将来从事储热技术方面的学生可选修热能与动力工程基础、制冷与空调工程基础等专业选修课程；将来从事电化学储能方面的学生可选修新能源汽车技术、电力系统分析导论等专业选修课程；将来从事储氢技术方面的学生可选修氢能技术及应用、燃料电池技术等专业选修课程。此外，还设置了跨专业选修课程，学生可根据自身爱好和社会需求，选择所需的课程。如将来继续从事储能学术研究或产品研发工作的学生，可选择人工智能控制、机械产品三维设计、供配电安全技术等方面的跨专业选修课程；如将来从事储能行业管理工作的学生，可选择人力资源管理、大数据等方面的跨专业选修课程。

2.1.2 建立交叉学科团队指导模式，充分发挥创新导师团队的正面引导作用

储能技术的专业知识涉及面广，传统的单一学科无法满足储能技术人才知识培养的需求。而且储能技术涉及学科一般分布在不同的院系，难以在实验平台、课程体系、以及指导教师之间形成可行有效的共享机制，给真正意义上的储能技术夸学科拔尖创新人才培养造成了很大的难度[12]。

图3 储能技术专业人才培养课程体系Fig.3 Curriculum system of energy storage technology

针对该问题，通过融合动力工程及工程热物理、电气工程、材料科学与工程、化学工程与技术等学科的优秀教师，组成人才培养团队，实现多学科交叉培养体系，融合多学科优质资源，实施团队指导模式(图4)。根据科研方向将创新导师分成若干个指导团队，创新导师和培养对象定期与不定期进行“一对一”或“多对多”面对面指导交流，分享在储能专业知识学习、研究或实验过程中发现的问题以及解决办法。从而通过组建多学科导师团队的形式，充分发挥各自学科优势，为学生提供在专业知识及科学实验等方面的全方位的指导，有利于帮助学生提高综合知识水平、开阔学术视野、提高研究能力，进而激发学生对储能技术的兴趣，提高主观能动性。

图4 多学科交叉人才培养Fig.4 Interdisciplinary talent training

2.1.3 利用高水平储能创新平台反哺教学，实现储能交叉学科产教研协同育人

储能技术拔尖创新人才的培养离不开科研平台的支撑，尽可能地将储能相关科研平台转化成实验教学平台[13-14]。为促近储能技术人才拔尖创新能力的培养，中国矿业大学申请了江苏省级高效储能技术与装备工程实验室、徐州市高效储能技术与装备工程实验室、徐州市矿物储能工程技术研究中心、徐州市储能安全与强化工程研究中心等科研平台，建成了电化学储能材料与器件(储电)、氢能与燃料电池技术(储氢)和储热技术与储能安全(储热)三个储能实验创新平台(图5)，并围绕创新平台形成了一支教学、科研实力雄厚的多学科高层次师资团队，面向我国未来能源战略发展需求，用于储能技术拔尖创新人才的培养。

通过依托高水平创新平台，以储能科研项目为支撑，将科研条件转化为教学资源，通过学生参与科研项目，开展实践教学、逐步将相关科研成果融入到实践教学当中。为立足储能技术领域前沿，充分利用教师纵向横向科研项目，大学生创新创业训练项目等，面向国家储能技术行业的重大需求，提供创新源泉。此外，鼓励学生积极参加科技竞赛，通过参加科技竞赛的过程，锻炼学生的科研思维、组织能力以及创新能力。在学生参加比赛的过程中，平台教师为学生在参加科技竞赛过程中进行全方位的理论指导，并提供基本的科研平台、经费保障和资源支持。同时借助储能实验室相关平台邀请储能领域高层次人才来我校开展主题讲座，为学生提供更多的交流平台，拓宽学生视野，促进储能技术拔尖创新人才的培养，以适应储能行业的需求。

以开展电池储能技术教学实验为例，采用校内导师与企业导师共同指导，产教研协同育人模式进行教学。电池储能技术涉及的电池储能原理、电池材料组成、材料性能调控方法等理论知识采用课堂教学的方式进行讲授；电池材料制备、电池组装、储能性能测试等实验教学可在实验室内完成，也可通过生产实习、毕业实习的方式在企业中完成。通过上述环节对学生的储能技术基础理论与实践能力进行全面的培养。

2.2 储能技术拔尖人才培养成果与质量分析

通过前期的面向储能技术的跨学科拔尖创新人才培养实验教学的实践与探索，在储能技术人才培养上取得了良好的效果。目前通过该模式培养与正在培养的近40名本硕博各层次学生中，已发表高水平期刊论文70余篇，授权发明专利20余项，1人获省级优秀博士学位论文，3 人获校级优秀博士学位论文，4人获江苏省优秀硕士学位论文，8人获校级优秀硕士学位论文。学生的知识层面逐渐从单一学科向多学科拓展，实践能力得到锻炼与提升，创新能力也得到大幅度提高，培养出能够独立分析问题与解决储能复杂问题的能力，能够适应储能行业的需求。目前所培养的学生部分在清华大学、西安交通大学、天津大学、华中科技大学、东南大学等高校继续深造，部分进入中航锂电科技有限公司、东风日产乘用车公司、上汽大通汽车有限公司、比亚迪汽车工业有限公司、上海蔚来汽车有限公司、欣旺达电子股份有限公司等储能相关领域知名企业工作，具有很好的发展前景。

3 结 语

储能技术拔尖创新人才的培养，对于弥补储能行业严峻的人才空缺，推动储能及清洁可再生能源行业的发展具有重要的意义。为培养储能技术拔尖创新人才，针对储能技术涵盖多学科知识结构特点，中国矿业大学通过跨学科培养模式，采用增设储能技术专业课强化储能跨学科基本知识，建立多学科交叉创新指导教师团队对学生进行全方位进行指导，并采取高水平科研创新平台进行产教研协同育人等措施，对学生的专业基础知识、科研能力、创新意识、实践能力等方面进行培养。目前已取得了良好的成效，所培养的学生拔尖创新能力有了显著提升，并取得丰富的成果，获得社会的普遍认可。本文所介绍的面向储能技术的跨学科拔尖创新人才培养教学实践与探索，对储能技术行业高水平人才的培养具有一定的建议与参考价值。