储能科学与工程本科专业核心课程建设探讨

谈 鹏，胡茂彬

（中国科学技术大学工程科学学院，安徽 合肥 230027）

储能技术在促进能源产业发展、新能源技术实施方面发挥着至关重要的作用。为加快培养储能领域“高精尖缺”人才，教育部、国家发展改革委和国家能源局在2020 年2 月联合印发了《储能技术专业学科发展行动计划(2020—2024 年)》(下文简称《计划》)，其中提出“经过5 年左右努力，增设若干储能技术本科专业、二级学科和交叉学科”[1]，完善储能技术人才培养专业学科体系，并在本硕博人才培养结构规模和空间布局上科学合理[2]。同年，教育部增设了“储能科学与工程”本科专业，专业代码为080504T，学位授予门类为工学，修业年限为4年。西安交通大学在2020年2月成立了我国第一个储能科学与工程本科专业，多所高校也积极响应筹划储能专业。截至目前，全国共有26 所高校设置了“储能科学与工程”专业[3]。

储能科学与工程是一个多学科深度交叉的专业，涉及物理、化学、材料、能源动力、电力电气等众多学科[4]。为了让学生具备全面的视野和专业的知识，需要在核心课程的设计上有充足的考虑。一方面，从就业的角度出发，学生本科毕业后能基本胜任储能领域的工作，需要有若干门关键课程提供专业知识支持；另一方面，从深造的角度出发，核心课程的设置更利于学生在研究生入学、深造等方面有更强的身份认同而不是转入其他专业。

本文先调研了国内几个代表性高校开设储能科学与工程专业的课程设置情况，再根据从底层到顶层的设计方法，结合储能科学与工程相关专业的情况，分析其核心课程设计，最后提出一些针对储能科学与工程专业核心课程设置与建设的参考意见，期待为该专业培养方案制定和实施提供一定启示。

1 现有高校储能科学与工程专业课程设计情况

目前全国共有26所高校开设了“储能科学与工程”专业，各个高校根据自己的特色和学科基础，采取了相当不同的培养方案，核心课程也各有特色。

西安交通大学立足于本校的能源动力、电气、电子信息、化学、物理学和材料6个理工类优势学科，编制了“储能科学与工程”的专业知识体系和课程设置[5]。专业课程设置了数学基础、储能基础、热质储能、电化学与电磁储能、系统储能、前沿讲座及专业综合实验7大课程群。其中，根据储能领域中不同方向的特点，分别设置了热质储能模块、电化学与电磁储能模块和系统储能模块3个独立的课程群，为学生提供专业核心知识。学生在大一开展储能专业通识教育，除去专业大类基础必修课程外(数学、物理、计算机)，储能基础必修课程包括：工程力学、储能化学基础、自动控制理论、工程图学、电路、现代电子技术和储能原理。之后，进行模块分流，在热质储能课程群中，必修课包括储能热流基础、传热传质学和热质储能技术及应用；电化学与电磁储能课程群中，必修课包括储能材料工程、电化学基础和半导体物理；系统储能课程群中，必修课包括储能系统设计、电力系统分析、储能系统检测与评估、能源互联网和嵌入式智能系统。学生可在模块内选修课程，也可以跨模块选择特色专业课程。

中国矿业大学在2020 年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。其课程体系中围绕储能的专业知识主干课程包括储能原理、电化学储能基础、能源转化原理、储能材料基础、储热技术及应用、储能系统安全管理、储能电池技术、新能源与分布式发电，以及储能系统设计技术[6]。基于感兴趣的储能方向，可以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，包括储热技术、电化学储能、氢能技术等专业选修课程。

长沙理工大学在2021 年获教育部批准开设储能科学与工程专业[7]。依托学校动力工程及工程热物理、电气工程等优势学科，其核心课程包括储能原理与技术、储能材料、相变储能技术、储能电池技术、燃料电池技术、储能电站设计与运行、储能系统安全与管理、大规模储能系统开发与项目设计等。通过构建多学科深度交叉融合，形成学科体系和人才培养体系。

2 储能科学与工程相关专业的核心课程设计情况

由于储能科学与工程专业包含的知识内容繁多，和众多传统学科之间具有深刻的关联性，因此需要对储能技术相关专业的核心课程进行分析，从而得到储能科学与技术核心课程的合理方案。下面以几个典型相关专业为参考，分析其核心课程的设置情况。

化学：核心课程包括无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、化学原理、结构化学等，旨在培养学生具有广博的基本知识和系统扎实的基础理论以及实验方法和技能，以从事科研、开发、教学等工作。

物理：核心课程包括基础物理学原理与实验、分析力学、量子力学、统计力学、电动力学、近代物理实验等，培养学生具有扎实的数理基础知识、较强的动手能力，以从事基础或者应用型工作。

材料科学与工程：起源于物理与化学学科的交叉，专业核心课程包括材料物理、材料化学、材料科学基础、材料加工基础、金属材料等，培养学生具备材料设计、合成、加工、分析和应用等方面的科学研究和技术开发的综合能力。

能源化学工程：核心课程包括化工原理、化工热力学、化学反应工程、化工分离工程、能源化工设计基础等，培养学生在能源化工及相关领域从事能源高效清洁转化和新能源开发与利用等工作。

机械工程：核心课程包括机械原理、机械设计、材料力学、理论力学、自动控制原理、机械工程制图等，培养学生具备典型机械产品零部件结构设计、典型零件加工工艺分析的能力和创新思维实践能力。

动力工程及工程热物理：核心课程包括工程热力学、流体力学、传热学、燃烧学、热能与动力工程测试技术等，以流动、传热、燃烧、控制等领域的应用基础研究为依托，培养学生从事能源转换系统安全运行、降耗增效、节能减排和新能源动力系统等相关工作[8]。

电气工程：核心课程包括电路理论、电子技术、电力电子分析、自动控制原理等，培养学生从事电力设计、建设、调试、生产、运行、市场运营、科技开发等工作。

3 对储能科学与工程专业核心课程设置的建议

从以上分析不难看出，虽然目前的储能科学与工程本科专业所学的课程覆盖面非常广，但其核心课程与其他专业相比，尚缺乏自己的特色。因此，无论是对于本科生学习过程中的专业认同感，还是未来深造时的专业选择都可能带来不利影响。因此，急需从目前的课程中寻找贯穿储能科学和工程的主干课程，通过学科整合将其设置为核心课程。

图1展示了储能科学与工程重要需求和相关知识体系。从底层技术上看，储能科学与工程依赖于材料科学，例如储热材料，电化学储能的电池材料，机械储能(如飞轮储能)的高强度复合材料；从技术实现上，需要深刻理解能量转化原理，这就需要热力学的相关知识。《计划》中指出，“加快储能技术的机理和材料创新研究以攻克“储能领域储热/储冷、物理储能和化学储能中存在的低容量、低集成度，以及分布式储能等关键科学问题”[1]。因此，材料和热力学是储能专业的基础，在学生培养中具有重要的地位。在储能系统方面，《计划》中指出，“重点推进压缩空气储能、化学储能、各类新型电池、燃料电池、相变储能、储氢、相变材料等基础理论研究，强化储能技术的原始创新能力”[1]。虽然储能技术种类多样，但系统的实现依赖于结构设计与优化、热量和流量管理以及与电网的协调，这就需要工程力学、传热传质学及电工电子技术等课程提供坚实的知识保障。在储能技术的应用方面，《计划》中强调“加快可再生能源发电的并网储能技术与系统、大规模集成储能与应用、分布式储能技术及系统优化、储能技术规模化应用及管理等关键核心技术研究”[1]。因此，对储能系统的管理必不可少，这就需要控制学知识。综上所述，为了充分满足国家对储能方面人才的需求，在本科培养中建议将储能材料、工程热力学、工程力学、传热传质学、电工电子技术和控制理论这几门课作为储能科学与工程的核心课程，并且在具体实施中，对现有课程和教材的内容进行补充和完善。

图1 储能科学与工程专业重要需求和核心课程建议Fig.1 Requirements on energy storage and recommendations of core curriculum

储能材料：在先修课程(如物理化学)的基础上，从物质结构的基础出发，介绍应用于储能的材料基本特性、表征方法和应用方式，覆盖面包括储热相变材料、储氢材料、电极材料等。课程目标是使学生比较全面系统地认识材料在储能领域的应用现状，掌握储能材料性质与性能的构效关系，为进一步开发新型储能材料、研究新工艺及提升材料性能奠定基础。

工程热力学：以热力学三大定律为基础，介绍各种热力学过程，强调热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用；除此之外，补充多种储能系统例如电化学储能、储热/储冷、压缩空气储能等系统的热力学分析。课程目标是培养学生运用热力学定律和有关理论对储能系统的能量转化过程进行分析的能力，为提升储能系统效率和研究储能新机理打下必要的基础。

工程力学：不仅包含传统理论力学中关于静力学、动力学、运动学等基本内容，还包含材料力学中构件强度、刚度、稳定性等问题，并且包含流体力学的基础知识及相关流体机械原理；在理论教学之外，辅以相关的实验内容。课程目标是培养学生具备在储能系统中有关力学方面的分析计算和结构设计能力。

传热传质学：强调导热、对流和热辐射3种热量传递方式和传质现象的物理概念、基本规律以及相关计算方法，并介绍工程中切实可行的强化或削弱传热传质的措施。课程目标是使学生具备热质传递规律基本知识和分析储能系统中传热传质问题的能力，以胜任储热/储冷、电化学储能等系统中热量管理、流量管理等相关工作。

电工电子技术：主要包括电路分析、电工技术、模拟电子技术和数字电子技术等内容，介绍基本电子电路的组成、工作原理、性能特点、基本分析和计算方法。课程目标是使学生具备基础电路分析和设计的能力，并了解电工电子技术领域的新技术，为储能系统的电路及并网设计奠定电学方面的知识基础。

控制理论：主要介绍被控系统的数学建模主要方法、系统运动状态分析、能控性及能观测性和系统稳定性的分析，以及系统的综合设计方法和工程应用。课程目标是使得学生掌握系统信号的自动检测、控制器的设计和控制系统的分析，为储能系统的自动控制系统设计和系统管理打下基础。

4 结 语

随着“碳中和”和“碳达峰”的提出，加快推进储能技术和学科建设，培养储能方面专业人才，对我国的能源产业发展有重大的战略意义。目前，国内已有多所高校开设了相关专业，并且开始了本科招生和培养工作。可以预料，在几年后这些学生将面临就业和深造的选择。因此，急需梳理储能科学与工程的课程体系，确定核心课程，加强学生的专业认同。本文针对国家对储能科学和技术的发展需求，根据储能系统从底层到顶层的设计方案，在一系列课程中提出初步建议，选取储能材料、工程热力学、工程力学、传热传质学、电工电子技术和控制理论作为专业核心课程；并且，建议在原有传统内容的基础上进一步扩展储能相关的知识体系，最后形成一套具有显著储能专业印记的核心课程。同时，加快储能相关方向研究生专业的建设工作，形成从本科到博士的完整人才培养链条。

储能科学与工程是新兴初设本科专业，核心课程设置是至关重要的问题。本文有关该专业的建设性思考期待为相关专业培养方案的制定和实施提供参考。