智能技术背景下新能源专业实验教学探索实践

杨俊伟 陈东阳

摘 要：实验教学是应用型本科教育的重要组成部分，它在培养学生创新实践能力方面发挥着其他教学环节不可替代的作用。针对新能源专业实验教学现有的各类问题，结合目前的智能技术背景提出了实验体系教学的改革思路，探讨其实施方案和具体评价措施。通过智能技术构建高效的实验教学模式，构建新时代符合新能源产业发展的实验教学改革思路。

关键词：实验教学;改革探讨;新能源工程

中图分类号：G642.0  文献标识码：A

Abstract：Experimental teaching is an important part of independent college teaching.It plays an irreplaceable role in cultivating students' practical ability and innovative ability.In view of the existing problems in traditional experimental teaching of renewable energy engineering，the current work proposes to the reform ideas of experimental systematic teaching，discusses its implementation plan and concretes evaluation measure under the background of intelligent technology.From teaching content，the renewable energy professional experimental system of talent training mode can be built in the new era.

Keywords：experimental teaching;exploration and discuss;renewable energy engineering

一、概述

随着社会高度信息化与人工智能的快速发展，传统工科人才培养模式已经不再适应当今社会的需求，新时代对工科人才培养赋予了新的内涵[1]。新一轮的能源革命的兴起，加快发展新能源技术已经成为各个国家普遍的共识。新能源科学与工程作为一门新兴专业，正是在新时代对新型人才的需求响应下，为了应对新兴科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略而急需设置的专业。如何打造专业特色，突显应用型新工科新能源工程类专业人才培养是新时期面临的重要课题。智能技术背景下的新能源科学与工程人才培养区别于传统工科的人才培养，在融合新兴学科的基础上，还需要从合适的角度切入，对相关人才培养体系进行进一步的完善[2]。同时实验教学是应用型本科院校实现培养目标的一个重要组成部分，也是培养学生应用及实践、创新能力的关键渠道。通过实验可以让学生更加直观地观察到本质现象，并在培养学生工程实践等方面发挥着其他教学环节无法代替的作用。目前教育部已批准的大部分新工科专业，他们实际上是面向新兴行业设置的，也就是说，新工科专业大多是从行业的角度进行设置，而非从学科角度出发，这必然会使得人才培养方面存在局限，和传统的化石能源相比，我国的新能源竞争力还是偏弱，技术水平和建设成本还需要进一步提升。探索研究智能技术背景下的专业人才培养有利于工科专业的健康发展，同时也为推动产业创新发展，布局相关新能源产业体系，有着不可替代的作用。

二、新能源专业实验教学中存在的问题

区别于传统理工科专业，新能源科学与工程专业是近年随着国家能源结构调整才出现的新兴专业，其教学及实验资源还在不断地完善。受到专业性的限制，在面向新时代智能背景下的新能源教学资源还处于空白，如何在原有的实验教学资源的基础上进行改进升级，真正做到符合培养创新人才的目标，是当前新能源专业面临的一个重要难题。

（一）实验教学内容不全及较为滞后

传统意义上的教学内容都是从学科门类的角度设置，各学科间无相互关联。而对于新能源科学与工程专业而言，其培养目标要求学生能够立足风力发电、光伏发电、智能电网、电力储能以及生物质能等领域，但传统新能源学科的相关课程教学体系中缺乏针对这些新技术的相关内容扩展，在知识结构、理论体系等方面与目前的发展状况相比较为滞后。鉴于专业技术的广泛性特点，相关实验教学的内容仍不够全面。

（二）实验建设资金投入有限，缺乏实验场所

由于新能源专业的学科交叉特性，因此实验项目以及教学所需的设备比较庞杂。缺乏必备的专业实验室及相应的测试设备，将新能源专业实验等同与其他类实验教学，严重阻碍了新能源专业实验教学的健康发展。例如新能源专业有关相关风力机、光伏发电等实验教学的模拟，需要配备专业的实验室及相应的测试设备，然而大部分高等学校的工程专业并不具备该实验的条件，新建设的实验室占地面积大，所需的测试设备要求高且费用贵，且一般高精密专业测试仪器多为科研院所专用。

（三）实验创新不足难以实现人才培养

目前电力行业中新能源风力发电已经成为我国第三大电力来源，但相比于国外高校和科研单位，我国目前相关开发还处于滞后阶段，如海上风电等领域核心技术依然使用的是国外技术。原有的实验教学仪器难以满足新的教学内容要求，仍然采用原有的实验方法将无法复现各类实际问题，如实际风力机运行时出现的各种动态特性、直流微网中电能质量优化改善及相关设备故障诊断与功率预测等相关知识的学习，无法进行实际的操作，这也一直是实验教学的一大瓶颈。

（四）社会需求难以适应

随着新能源技术的产业化步伐的加快，我国新能源取得了跨越式的发展，但隨之而来的是应用规模的不断扩大，随着国家相关能源战略布局快速进展，新能源的行业的相关核心技术的研究仍需进一步完善。应用型人才的培养和实际企业技术需求存在偏差，校企合作都是以解决实际技术问题的形式为主导，项目周期短，本科层次学生无法参与其中。

三、实验体系教学改革探讨

新能源科学与工程专业的人才培养从专业角度来看，需要较好掌握新能源电力装备技术、发电接入技术、电网智能调度与控制技术等应用，因此为了适应和满足新能源领域人才培养的要求，对实验教学体系进行改革，将成为新能源产业需求发展的必然选择。基于上述原因，实验体系教学改革探讨具体如右图所示，实验体系教学改革探讨需要建设跨学科教科研团队，推进新能源领域的多学科交叉。从满足较高的实验可视化、操作性以及较优的经济性的实验教学角度，需要充分应用现代计算机数字虚拟技术对相关实验教学方式进行改进是必由之路[3]，同时通过递进式的手段，全方位地推进实验课程的学习，并以解决新能源工程等领域的实际工程问题为导向，转化与利用相关方面知识。这样才能适用国家创新能源技术发展的需要，满足面向现代智能技术环境下的新能源工程人才培养的要求。

（一）实验体系教学内容改革

应用型本科院校新能源专业人才培养的目标主要是能够满足适应全球新能源发展急需性、可持续化的人才需求，具备优秀的人文自然科学文化修养、社会责任感使命感和厚实的专业基础理论，系统地掌握新能源专业知识的工程技术人才。因此，其中的实验系列教学要体现学科的综合性，并以新能源行业的产业链为基线，构建专业课程体系。既要反映出学科的综合性和交叉性，又能反映出新能源专业的专业内涵。且在实际教学时可以某专业方向为主，并在其他风能、太阳能、生物质能、水力能等领域开设相应的专业选修课程，促使学生能够掌握两种或两种以上的新能源技术和技能。

（二）实验体系教学方法探索

显然，要想实现内容丰富的实验教学方式，必须要将现有的实验教学资源以及相关专业知识的效用最大化发挥出来。通过对与专业有关的教学实验设施、设备、实验模块以及相关实验室进行整合更新和改造是进行实验体系教学改革的必由之路，在提升教学质量的同时，也同样能够为学生提供更多的实践操作机会，丰富学生感性认知度和理性逻辑思维，从而提高学生的创新实践能力。

1.运用智能技术开展实验教学，培养实践能力

运用智能技术开发建设虚拟仿真实验系统，有效地减少了传统实验教学中存在的问题。计算机数字虚拟仿真系统实验在形式上完全区别于以往传统的教学，实验教学中利用数字虚拟仿真可以解决传统的实验教学难于描述清楚的某些设备内部结构或比较抽象的实验行为[4]，学生通过身临其境的操作，通过实验效果观察，实现高仿真度的教学过程。以新能源专业风能方向实验教学为例，智能技术背景下通过虚拟仿真实验实现相关风力机相关空气动力学实验，掌握有关风力机叶片气动设计与分析方法，熟悉叶片气动性能的影响因素（翼型结构、风况、变桨/偏航、附加气动装置）及其变化规律，掌握风力机整机气动特性的试验与测量方法以及风电场的优化布局设计。这些都是在实际教学中难以真实实现的。同时虚拟仿真实验教学可反复多次进行循序渐进的测试，避免了物理模拟所产生的高风速、强电流、大电压等对实际实验室及测量设备的冲击，极大降低了实验教学成本，传统实验教学中存在的系列问题得到了有效解决。

同时将虚拟仿真实验与传统实验虚实结合，培养学生实验实践能力。根据实验的需要和计算机仿真实验的特性，科学合理地组织实验计划，设计教学结构。科学合理地安排设计计算机数字虚拟仿真实验教学结构，会直接影响到学生对实验知识掌握的程度。构建理论知识、仿真实验以及创新实践的虚拟实验体系，以解决问题为导向，提高学生实践能力，并增加具有工程价值、前瞻性实验的比例，以此完善实验课程的内容，打造高水平创新的实验项目。

实验教学是一门实践性很强的课程，其目的除了验证理论，更重要的是在实验中不断地开发培养学生的实验研究及创造思维能力。为了让学生的能力得到充分锻炼，在其应用过程中，可整体安排、分段实施。使学生从基本操作逐步过渡到具有一定独立工作能力的工程应用性、创新设计性实验。按照新能源工程应用型本科专业课程资源建设要求，从学生认知、实验内容设计与规律、工程应用实践经验方面出发，形成“发现问题—研究问题—解决问题”的完整实验过程，在不断反复的实验过程中提高学生的问题解决能力。

2.构建递进式的课程体系，注重强调效果评价

构建递进式的实验课程体系，通过“课设+科创+实验+竞赛+毕设”五位一体的递进式实验模式，融合基础专业知识与实践，学科竞赛与科创，实验教学与科研项目相互促进，毕业设计与实际工程相互衔接，大力推进创新实践能力培养。因此，在课时设置中增大实践教学课时量，建立以能力培养为主线，分层次、多模块、相互衔接的与理论教学有机结合又相对独立的实验教学体系，同时对已开的实验课程及时进行总结提升，整合实验教学资源，提高实践教学的系统性和创新性。

并且强调对实验教学评价，可以使得专业教师更加专注于实验实践课程。一套完整的实验教学评价规章制度可以高效率地加强对应用型人才培养的实施过程全面监控。在建设评价体系时，紧密结合实验教学实际，将教师、技术人员、学生、管理部门既作为评价的主体又作为客体，四个主客体间互评互换，同时邀请专家同行进行评价和监督，从而使体系指标更完善、更科学。大大提高了学院师生教与学的热情以及积极性，有效培养了学生之间的合作精神和创新能力，保证了人才培养的质量。

3.以产业链为基线，培养创新人才

新能源产业的发展要顺应科技革命和产业变革的发展趋势，并在此基础上积极推进产学研深度合作，探索校企合作新模式。因此可建立校企联合研发中心，将企业应用的前沿问题引入实验课程内容，聘任企业工程师担任客座教授，将企业工程问题引入毕业设计课题，采用与企业同步的技术实现与企业需求无缝对接，为理论知识实际应用直接打通渠道，并建立实验室开放的模式，打破学校部门之间的分割状态，充分发挥多学科综合优势，利用现有的各学科实验技术条件，为人才培养、科技发展、经济建设和社会发展提供服务。创建大学生工业园区，利用实验室的现有设备实验条件对学生开放，提供专业相关活动的场所。

同时鼓励青年教师到地方、企业进行工程实际锻炼，使教师能够参与到新能源工程建设、技术咨询、运维检测等工程实际环节，以产学研合作为契机与企业共同打造创新人才，实现技术创新共同研发，增加新能源专业教师项目参与程度。同时学校方面需要加强人才培养体系建设，明确新能源专业建设和教学改革职能，提高实验教学管理的制度化和规范化，致力于促进学生基础理论、实踐技能的综合发展，满足多学科交叉和国家能源战略需求，将国际优秀成果融入培养方案、课程建设、教学过程和考核方式等优化构建培养创新人才。

结语

针对新能源科学与工程的实验教学现有的问题，探讨了在智能技术背景下应用型本科教育实验体系教学的改革思路，尝试在智能技术的背景下改变原有的教学手段及内容，说明在实验教学中运用虚拟信息技术的优越及便利性，在此基础上对实验教学进行改进，优化新能源专业实验教学质量。随着新能源和智能技术的深度融合，以智能技术为特征的能源革命必将推动新能源专业人才的培养模式变革，实验教学的改革将为推动新能源产业高质量发展发挥巨大的作用。

参考文献：

[1]吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[2]徐晓飞，丁效华.面向可持续竞争力的新工科人才培养模式改革探索[J].中国大学教学，2017（6）：6-10.

[3]潘懋元，陈斌.“互联网+教育”是高校教学改革的必然趋势[J].重庆高教研究，2017，5（1）：3-8.

[4]陈晨，隋雪莉.计算机基础分层教学和任务驱动教学方法的探究[J].软件，2015，36（8）：41-43.

基金项目：江苏省自然科学基金项目BK20190871;国家自然科学基金项目12002301

作者简介：杨俊伟（1990— ），男，汉族，江苏扬州人，博士，讲师，研究方向：新能源科学与工程;陈东阳（1987— ），男，汉族，江苏连云港人，博士，讲师，主要从事流固耦合动力学研究。