浅谈当前形势下如何开展氢能专业人才培养

李蕴琪

（北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191）

引言

氢（H）作为元素周期表中排名第一的元素，可以形成世界上最轻的气体氢气（H2）。当人类在选择燃料用于维持现代文明体系时，能量密度是一个重要的考察指标，特别是作为运载工具的能源，单位质量能量大就意味着能驱动运载工具行驶更远的距离。由于相对分子质量小，与其他常用燃料（如甲烷、氨等）相比，氢气具有更大的单位摩尔和单位质量的燃烧反应化学热值，无疑是非常有益的燃料[1]。

氢能是指通过发生反应将氢气中储存的化学能直接转化成热能或电能，其反应产物通常是无毒无污染的水[2]。全球已有16个国家制定了国家氢能战略，占世界经济总量75%的国家和联盟已经有了明确的氢能发展战略。我国已从国家层面开始布局，出台了一系列国家级的战略规划。自2020年9月国家主席习近平向全世界宣布中国的“双碳”目标后[3]，我国氢能产业的发展已从燃料电池汽车产业链发展模式上升到了国家未来可再生新能源体系中的重要一员。2021年上半年中央企业经济运行数据显示，我国已有超过三分之一的中央企业在布局氢能全产业链发展，预计到2050年我国氢气产业链年产值约12万亿元[4]，未来氢能产业对人才的需求量非常巨大。

氢能全产业链构图包括氢能端和燃料电池端产业链，产业发展需要不同背景的人才。根据企业招聘职位统计，氢能产业需要的人才专业主要包括材料科学与工程类、化学工程及技术类、物理学类、材料类、化学类、交通运输工程类、机械工程类、动力工程及工程热物理类、热能与发电工程类、电子类等。氢能产业对多元化专业人才的需求，对我国高等教育发展提出了新的要求。

2019年，教育部确定将氢能技术应用（专业技术代码：530309）列为9大增补专业之一，主要为氢能制造企业、氢燃料电池生产企业、氢能汽车生产企业、加氢站及氢能应用领域的企业提供人才。由于缺少前期氢能专业教学经验的积累，目前氢能专业人才培养还存在很多空白需要填补。本文从专业方向凝练、课程体系规划、专业教材准备及人才队伍建设几个方面初步探索了氢能专业人才培养方案[5]。

一、现有人才培养情况概述

在本学院人才培养体系中，还未将氢能作为一个完整的专业设置，专业发展方向及人才培养目标不够明确，缺少统一明晰的顶层设计和规划。目前，包含氢能相关内容的专业课程（如“汽车排放与控制”“动力电池技术与应用”“新能源汽车概述”）缺少统一的课程内容规划，课程知识点前后衔接不足，课程内容多有重复。这样既不利于培养学生系统、全面的专业知识结构和专业技术技能，也不利于锻炼学生的思维水平和实践应用能力，严重制约了氢能专业技术人才的培养质量。此外，师资队伍较薄弱，缺少有经验的教师，尚未形成“传帮带”的教师队伍。

二、教学改革思路

根据学院在交通运输和新能源汽车专业方向的优势，整合现有教育资源和师资力量，凝练专业发展方向，提出教学目标及核心知识点，推进课程专用教材规划建设，培养具有创新性和协作精神的专业教学团队，具体改革思路阐述如下。

（一）强调校企协作育人

为了服务国家对氢能行业发展的战略规划，高等院校担负着为行业发展培养急缺、急需人才的重要使命。通过加强与企业、地方政府及产业园区管理部门的交流沟通，首先梳理出氢能行业未来短期、中期和长期发展中的人才需求情况，参照教育部2019年高校增补新专业氢能技术应用的人才培养目标，凝练出本专业发展方向，突出专业性和实践性的人才培养目标。

（二）探索“本研一体化”课程体系建设

参照教育部规定“掌握氢能技术专业知识与技术技能”和工程教育专业认证标准，结合专业特色和优势，建立一套科学、系统的“本研一体化”课程体系。明确本科教学重基础知识和理论，研究生教育强化应用和实践，在原有课程中统一梳理教学目标和重点知识，推动新课程的开设，完善课程体系建设。

（三）注重专业教材建设

目前，出版的相关书籍内容更多是知识性的介绍，表现出来的共同特点是：需要具有一定化学或电化学基础才能阅读；书籍涵盖的内容太宽泛，缺少一定的深度，不适合作为教材使用；书中的知识点较空，缺少与氢能行业实践应用的结合；缺少典型实验课程设计。书籍内容和组织结构不适合用作课程参考教材。在教学实践过程中注意积累，提炼出符合人才培养的知识结构、思考题、例题和实验。

（四）增强师资队伍培养

以习近平总书记在全国教育大会上的重要讲话精神和《中国教育现代化2035》为指导，坚持把立德树人作为根本任务，完善专业师资队伍建设，注重青年教师和骨干教师的培育，形成一套系统和长效的教师培育制度，提高教师队伍综合素养。

三、教学改革措施

针对现在急需大量专业型人才发展我国氢能产业的问题，根据提出的教学改革思路，形成了以下具体改革措施及效果（见图1）。

图1 改革措施框架图

（一）以产业需求为导向，凝练专业发展方向

目前，已明确氢能专业紧密围绕燃料电池汽车的核心部件氢燃料电池系统的前沿技术开展专业建设，建设面向氢燃料电池装配、维护及设计、氢能应用等工作的高素质技术人才培养的课程体系、专业教材和师资队伍，使专业发展方向与氢能行业需求相适应。

（二）合理规划课程体系，保证育人质量

为了实现“本研一体化”的育人目标，现在的课程体系已涵盖了从大学二年级到研究生一年级的专业课程，同时辅以大学一年级的“大学化学”基础课，即“大学化学”“车用先进电池技术”“传热学”“动力电池技术与应用”，构成了基础和实践应用有机结合的专业知识体系。“大学化学”作为基础课，已经重点介绍了后续学习需要的电化学基础知识；在“车用先进电池技术”课程中，安排一个章节介绍氢能开发演变历程及关键技术，另外还有一整个章节介绍车用氢燃料电池技术概述；在专业课程“传热学”中，安排燃料电池热管理实例学习，有利于加深学生对基础知识的理解。为研究生开设了专业课“动力电池技术与应用”，更加深入和全面地向学生介绍燃料电池关键材料和关键技术。通过不同年级和不同深度课程的设计，初步构建了面向培养氢能技术人才的课程体系。目前，我们的教改工作主要是对原有课程知识点的梳理和课程体系的构建，初步探索氢能专业人才培养方案，随着后续师资队伍逐渐壮大，会增设集中讲解氢能技术相关内容的课程。现在已规划好了“氢能应用技术”课程大纲，以期帮助学生更系统、全面掌握氢能技术专业知识与专业技能。

采用多元化授课方式，提高课堂教学质量。所有课程以讲授为主，同时引入课堂讨论、多媒体学习和分组学习的环节，激发学生的上课热情，锻炼其思维创新能力。在“车用先进电池技术”授课过程中，设计分组调研的环节，以组为单位进行自主选题、资料查找、数据分析和总结、口头汇报；在研究生课程“动力电池技术与应用”授课中，针对性地安排氢能产业专家讲座，帮助学生开阔眼界，了解最新的行业发展动向，使其深刻了解氢能专业的发展前沿。

（三）丰富专业教材，增强实践应用能力

由于现在出版的书籍都不适合用作课程教材，我们根据培养目标，充分参考了多本书籍的内容，编撰了符合课程体系建设要求的学习资料，包括基础化学及电化学知识回顾、氢能开发及氢燃料电池关键技术，深入浅出地讲解氢化工基础、燃料电池基础及氢能应用技术等。这套学习资料的最大创新点有两方面：每一章节结束后有思考题，帮助学生加深对知识点的掌握和理解；针对性地设计了综合实验，增强学生的实践动手能力，规范学生实验报告撰写方法，强化氢能专业人才的实践能力培养。

（四）强化师资队伍建设，探索“校企”协同育人机制

由于氢能技术应用专业是一个新兴专业，专业授课教师严重不足，但是有相关科研背景的教师数量具有一定规模，其中以中青年教师为主，因此，特别为青年教师的发展制定了专项措施，请具有多年教学经验的教师给予“一对一”的指导和帮助，为青年教师职业发展提供领航、护航帮助，同时支持青年教师积极参加行业内教学研讨交流，鼓励创新和改革。教师队伍长期稳定、可持续的发展是氢能专业人才培养的根本。为了实现这一目标，我们建立了教学资料库，共建共享教学资源；同时，我们探索了校企协同育人机制，聘请了行业内具有丰富经验的工程师担任授课教师，丰富实践课程内容，充分发挥实践课程对学生综合工程实践素养的培养。

四、教学改革创新工作

（一）分组调研学习小组工作

由于授课方式主要以讲授为主，为了调动学生的学习热情，在高年级课程中引入了调研学习小组。通过启发式、讨论式和参与式教学方法，指导学生自主学习最新燃料电池技术发展动态。采用自主命题且不限制展示形式的方式，促使学生学习热情高涨、调研内容广泛、准备的展示内容丰富、全面并具有创新性，有利于培养学生科学的学习方法和思维方式。

（二）氢燃料电池综合实验设计

开设综合实验课可以帮助学生直观、具体了解氢能和燃料电池工作原理，加深对专业理论知识的学习和理解。我们选取了最具代表性的氢燃料电池作为实验主题，综合实验分为催化剂选取、催化剂浆液准备、膜电极制备、电池组装和测试四个环节。催化剂选取环节的学习重点是观察和认识催化剂，比较几种催化剂物理和化学性质的不同；催化剂浆液准备环节的学习重点是了解浆液的组成和基本制备技术；膜电极制备环节的学习重点是认识膜电极的组成结构和基本制备技术；电池组装和测试环节的学习重点是了解电池的组成结构和学习电池的关键电化学参数。通过综合实验课程，帮助学生巩固对燃料电池基础知识的学习，同时考查实际影响电池输出电压、电流和功率的影响因素。

（三）教学资源共建共享数据库建设

氢能相关教学资料具有知识面广、更新快和系统性差等特点，为了能让课程内容与时俱进，同时兼顾基础和实践的要求，需要保持对课程内容的更新和完善。通过建设教学资源共享数据库，共同丰富和完善数据库内容；通过科学系统地梳理知识点，做到教学资源多而不乱。这样既可以保持数据库资料的新鲜度，也能节约任课教师查找相同资料的时间成本，确保教学团队输出资料的一致性和正确性。

五、改革效果和展望

随着我国向全世界承诺了二氧化碳的排放目标，作为可再生能源，氢能的发展将迎来快速增长期，预计到2050年，氢能在能源体系中的占比将提升至10%。氢能产业快速发展急需大量专业人才的支持。目前，高等院校对氢能专业技术人才的培养方案还处于发展初期，笔者基于近年的教学和科研总结，从课程体系、专业教材、师资队伍三方面初步探讨了氢能专业人才培养措施，寻求校企协同育人机制，为氢能行业培养合适的专业人才。

本论文介绍的改革措施已在笔者所在学校初步实施，探索氢能专业人才培养的有效方法。学生普遍反馈效果良好，认为改革后的课程体系能更系统、全面地帮助他们规划选课计划。优化后的授课方式也更受学生欢迎，课堂上学生参与度明显增高，更愿意与教师讨论行业的最新发展动态，而且选课人数有所增加。笔者在具体实施过程中也碰到了一些考虑不周全的问题，特别是在校企协作方面还需要积累更多的经验，提出更具有创造性的授课模式，有效保证人才培养质量。