储能科学与工程新工科本科培养模式探讨

巨 星，徐 超，沈国清，杜小泽，肖万里，杨勇平

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206）

在风电、光伏迅速发展的背景下，电力系统从“源网荷”向“源网荷储”转变，作为灵活电源的储能技术已成为新型电力系统的中枢环节和关键支撑。为提高储能人才培养数量和质量，支撑储能产业发展，国家教育部、发改委、能源局多次印发《储能技术专业学科发展行动计划(2020—2024 年)》、《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》等通知[1-3]，要求加快培养储能领域“高精尖缺”人才。目前全国40 所高等院校设立“储能科学与工程”本科专业，2022 年华北电力大学也首次获批设立“氢能科学与工程”本科专业，储能科学与工程等学科和专业发展已成为实现“3060碳达峰碳中和”远景目标的必要支撑。

储能科学与工程是典型的针对新兴产业的“新工科”专业[4-5]。储能领域“高精尖缺”人才的培养涉及物理、化学、材料等基础知识和能源动力、化工、自动化、电气等专业知识和实践技能，亟需打破学科壁垒建立健全涉及学科交叉的储能专业知识体系[6-8]。国内许多高校刚成立储能科学与工程专业，依托能源动力、电气工程、工程热物理等不同专业建设，培养方式各异，目标不一，尚未形成成熟完善的人才培养机制。储能领域学科方向众多，电化学、热能、机械、电磁储能等技术差异过大，难以统合。面对新兴学科，储能学科的教师队伍也多不具备该领域的多学科背景，亟需更新知识结构，健全教师队伍，并加强产教融合教师团队建设。总之，相比于以往的新设交叉学科“新工科”专业，储能科学与工程专业呈现出“基础学科多”、“专业方向多”、“教学资料少”、“经验丰富教师少”两多两少的特点，这为学科和专业建设带来了前所未有的挑战。因此，本文主要依托华北电力大学建设储能科学与工程专业的思路、方向和经验进行总结、分析和讨论，从学科建设实践和人才培养工作出发，为储能科学与工程专业建设提供有益参考。

1 华北电力大学储能学科和专业建设情况

1.1 储能科学与工程建设背景

华北电力大学2019年启动储能专业建设工作，整合配置与储能教学研究工作密切相关的多专业交叉教师队伍成立校级储能教研室。自2019 级专业方向分流建设储能方向，制定能源与动力工程(储能方向)本科生培养方案。2021 年获批储能科学与工程本科专业后，基于储能方向学科建设和人才培养的数年积累，完善储能科学与工程专业本科生培养方案，遵循了专业课程体系梯度建设和逐步完善的原则。目前，储能方向及专业已形成国内最大的培养规模，2019～2021 级本科生共340 余名，并在三年教学培养过程中初步培育了教学团队。2022 年学校作为首批三所高校之一获批承担国家储能技术产教融合创新平台建设任务，同时推动行业企业二十余家深度参与，推动产教融合的人才培养模式。在教育教学反复研讨迭代中，逐渐形成专业和学科培养思路，本文即针对上述建设工作的思路进行总结。

1.2 储能本科专业建设的主要问题

针对储能专业人才短缺、相关人才知识结构单一、产教融合薄弱、与新型电力系统结合的复合型人才培养基本空白等现状，储能科学与工程专业人才培养机制是非常具有改革试验特点的“新工科”实验田[9-12]。在储能专业建设的过程中，需要重点解决传统培养方式中存在的一些问题，建立适应新时代学生特点、学习方式、教师能力和社会需求变化的新培养体系，重点需要解决以下三个问题。

（1）如何构建合理的储能学科课程知识体系？传统上，特定学科的知识学习遵循“循序渐进，叠床架屋”的方式。储能科学与工程专业涉及学科领域较以往学科而言交叉更为显著，若以传统的培养体系，在目前整体快节奏社会下很难形成该学科完善的人才培养，无法在本科阶段形成能够符合产业实际需求的知识结构和素质能力。

（2）如何引导学生掌握必要工科基础技能？

过去在本科培养中，课程的设置以知识性内容为主，较少涉及学生的实际技能培养，“重道轻术”也是长期以来本科教育的方针，但技能的长期短板状态，导致知识学习更像“填鸭式”教育，提高实际培养质量需要“道”与“术”各有重视，互相促进和协同。

（3）如何强化学生的实验实践和创新能力？

传统培养模式中，仅有毕业设计等实践环节涉及知识和技能应用，培养阶段过程中匮乏贴近知识技能应用的实践，学以致用的桥梁不能贯通，导致毕业生有相当一部分不具有对应基础和专业能力。必须为学生创造出足够多的使用知识和技能解决实际问题的机会，激发学生自主学习，并促使基础知识和技能转化为解决问题的实践能力。

1.3 储能本科专业培养策略

作为新工科专业，适应新兴产业快速发展，实现高效率地培养高质量人才，是储能专业培养建设的主要任务。特别是打破“知识-技能-实践”三者的壁垒是最为迫切的问题。如图1所示，通过“知识-技能-实践”有机结合，将知识和技能之间通过实践机会不断建立机会通路并迭代升级，从而实现知识到能力之间断层的打通，是华北电力大学建设培养储能学科“高精尖缺”的复合创新人才的主要策略。

图1 储能科学与工程专业本科的培养策略Fig.1 The cultivate strategies for undergraduates majoring in Energy Storage Science and Engineering

在储能学科知识方面，以储能学科人才培养方案和课程大纲的知识体系主干和次干，构建兼具结构化和离散化特征的储能本科课程和知识体系。通过培养方案完善、知识图谱架构和电子化教材建设，构造基于新理念新技术，符合新工科内在需求的学科知识体系。

在工科基础技能方面，储能专业的学生需要掌握的基本技能主要包括制图、编程、计算、实验等类型，也包括一些其他应用型的软件和设备等。这些课程多适宜以选修课程模块的形式加以建设，通过“导师制”指导学生的技能型选修课程选择，实现知识和技能的协同。

在实践能力方面，储能学科交叉、场景复杂，提高储能领域人才的能力更需要通过创造出足够多的使用知识和技能解决实际问题的机会建立知识和技能连接应用的通路。一方面重点建设校内实践平台和校外实践基地拓展实习实践条件；另一方面，通过导师制和本科生创新项目、竞赛项目等充分发掘实践创新的软硬件资源，最终实现创新人才的培养。

2 学科方向定位和课程培养体系特点

2.1 储能学科的方向定位

储能学科涉及面过宽，本科培养无法面面俱到，必须既保障一定覆盖面，也根据自身特点找准主线方向。因此，面向新能源为主体的新型电力系统的发展目标，结合学校在能源电力领域的特色优势，重点围绕电化学、储热、氢能、储能系统4个方向架构储能学科的知识体系，建立与电力储能产业紧密连接、适应新工科专业核心知识与能力快速培养构建的储能科学与工程学科创新人才培养与产教融合机制。整体培养方案的思路如图2所示，从第一学年至第四学年，课程体系主要从学科门类基础课→专业基础课→专业核心课→集中实践课梯次过渡，根据具体需求和学生能力情况安排对应的专业选修课课程。

图2 储能科学与工程本科专业培养方案的思路Fig.2 The scheme of the undergraduate program for Energy Storage Science and Engineering major

2.2 课程培养体系分析

2.2.1 专业基础课的知识交叉

基于上述定位，储能专业基础课程的布局为工程热物理、化工、材料、电气、控制学科基础课程的结合，各学科学分分布如图3所示。

图3 专业基础课的学科交叉布局Fig.3 The interdisciplinary layout of the major basic courses

这部分课程的构建考虑专业知识的交叉和后续专业核心课程对不同领域基础知识需求。其特点主要包括：

（1）电气工程、控制工程、工程热物理课程为核心课程储能与综合能源系统、储能电站系统提供基础知识，工程热物理课程也为储热技术及应用课程提供支撑。化学工程学科课程主要为核心课程储能电池技术、氢能技术及应用提供基础知识。材料类课程为储能电池技术、氢能技术及应用、储热技术及应用提供基础材料知识。此外，增加数值分析等课程，主要为后续储能与综合能源系统、储能电站系统课程提供数学基础。

（2）课程体系中注重带入储能有关的元素，部分基础课程由储能专业教师进行授课，便于将该课程内容与储能领域应用关联，使教授的知识更具有针对性。

（3）在学科交叉融合过程中，知识点常有重叠问题，需进行系统梳理和调整，如化学类的主要基础课程如物理化学等与工程热力学存在一定程度的重叠，将基础化学知识合并为化学基本原理课程，有助于相关知识更具有针对性。

2.2.2 专业核心课体系的覆盖和侧重

储能专业核心课程的布局为储能技术课程、储能系统课程的结合，主要的课程分布情况如图4所示。

图4 专业核心课的布局情况Fig.4 The layout of the major core courses

这部分课程包括专业课程在储能技术方向上的扩展与在系统层面的集中，其特点包括：

（1）储能技术课程集中于储热、电池、氢能三种，包括《储热技术及应用》《储能电池技术》《氢能技术及应用》，原则是选择具有显著区别性特征，并在市场具有大量应用及潜力的储能技术，从而使所培养学生的知识体系兼具深度和广泛性。

（2）储能系统课程包括《储能电站系统》以及《储能与综合能源系统》。以《储能电站系统》课程为着力点，全面教授电化学储能电站全系统各环节，包括储能电站的架构、配置、控制、管理、安全、运维等，串联主要的基础课程，并使学生对储能电站系统具有全面认知。以《储能与综合能源系统》课程串联热、电、氢存储技术在系统中的应用，使学生对储能与新能源电力系统及不同类型能源系统各环节的联系具有更为清晰的认知。

（3）储能课程设计包括《储能电站系统课程设计》《氢能技术及应用课程设计》和《储能与综合能源系统课程设计》，重点对应于电化学系统、氢能系统以及热电氢综合能源系统的设计架构思路。

2.2.3 专业选修课程体系的辅助作用

储能专业选修课程的布局按照技能型需求和知识扩展型需求两大类型进行组织，包括技能掌握课程、新能源知识拓展课程、储能知识拓展课程三类。技能掌握课程包括计算机辅助设计(CAD)、先进测试技术、Matlab语言、本科生科研入门等；新能源知识拓展课程、储能知识拓展课程包括新能源发电、燃料电池技术、机械储能技术等。

专业选修课程特点包括：①重点希望通过导师制和学生意向结合进行选择，针对学生实践学习和差异化发展的特定需求，做到选修课有的放矢、学以致用，并在部分高年级相关课程的编制上考虑与研究生阶段需要的技能知识进行连接，兼顾贯通本硕培养过程的需求。②鼓励具有特定研究方向的教师开设短学时的储能知识拓展课程，提升技能型课程选择面和比重。增加其他学科新技术，如新型电力技术、纳米材料技术、人工智能技术等在储能领域交叉的选修课程，促进储能基础知识的交叉融合。

2.2.4 实践实验课程体系的衔接

实践实验课程体系通过课内实验和集中实践两部分共同构成。课内实验部分：基础实验内容，包括电气、化学、材料、自控实验模块，共46学时，折合2.875学分；专业课实验内容，包括储热、电池、氢能、综合能源系统等实验学时共22 学时，折合1.375 学分。集中实践部分：储能认识实习、储能专业综合实验、储能专业实习、科研训练-储能装置开发设计，共6学分。

实践实验课程体系的主要特点包括：

（1）充分利用京津冀周边储能、氢能大量已有的实践资源和条件，如国网张家口风光储示范基地、中国电科院新能源与储能运行控制国家重点实验室、中科院电工所北京延庆太阳能热发电实验基地、大兴国际氢能示范区等条件共建校外实践基地。

（2）重视虚拟仿真实验实践与真实实验实践过程的交融互补，如电芯单体制作检测/电池包模组制作检测/储能系统运维的虚拟仿真，与锂离子电池的制备及电化学性能测试实验/张家口风光储示范基地实践结合。

（3）在现有实验平台与实践教学平台资源的基础上，充分发挥华北电力大学理事会体制的优势，结合国家储能技术产教融合创新平台，开展储能学科校内校外一体协作的实践教学平台建设，打造一流的储能科学与工程专业实验教学工程中心。

（4）在实验实践中贯彻知识和技能的应用，与课程设计、科研训练等课程组成点-面联动，促进知识技能向实际能力转化。

基于上述“知识-技能-实践”结合的“新工科”建设理念，储能科学与工程专业的课程设置中，将知识部分划分为“先导知识”“基础知识”、“核心知识”和“拓展知识”4个模块，融合“专业技能”和“实习实践”学习，构成完整的培养体系，如图5所示。上述教学体系的设计，从培养方案角度支撑“知识-技能-实践”结合的建设思路，并充分考虑创新人才培养和导师制下创新实践的需求。

图5 储能科学与工程专业“知识-技能-实践”结合的课程设置Fig.5 The“knowledge-skill-practice”curriculum setting for Energy Storage Science and Engineering major

3 导师制在培养过程中的作用探讨

通过多学科交叉促进融合创新，建设高水平师资队伍，并进一步推动“导师制”体制和内涵建设。导师制建设的目的在于全方位指导学生的专业学习体系架构和创新实践活动，提升学生的专业认知、提高学生的实践能力，并同时起到加强师生沟通的作用，如图6所示。

图6 储能科学与工程专业本科导师制的目的和作用Fig.6 The purpose and function of an undergraduate supervisor for an Energy Storage Science and Engineering major

储能科学与工程学科导师制的开展需要借助合适的条件，包括：①专业教师的意愿和能力方面，中青年教师对培养本科生往往具有更高的参与度，在储能相关的专业知识和科研能力也能够形成有效指导；②一定的导师制经验及制度积累对师生工作内涵的落实推动有很好的帮助；③从外部激励和行政层面推动本科生参与科研实践活动，如设立工程训练与创新创业教育中心等，有助于提高学生参与导师制下实践活动的意愿。

在导师制的具体路径上，需要针对不同需求、不同特点的学生，采用不同的实施路径，主要包括以下几个方面。

（1）指导学科专业竞赛：推动学生在教师指导下参与重要的科技创新比赛，在校内举办动员会、培训会以及参与资格赛等活动，为学生的参赛与获取奖励提供专业的指导与支持。这些与储能科学与工程相关的国内外知名赛事，能够提高师生的创新热情，促进学生对储能科学与工程的深入认知。

（2）进入课题组实验室掌握科学研究基本技能：科研技能的学习需要依赖相关的课题和课题组资源，储能科学与工程基础交叉，涉及的方向较多，并且储能科学与工程属于正在发展完善的学科，培养的学生会有很大一部分进入技术开发和研究工作中，因此，提前进行相关能力培养，有助于学生锚定重点方向，将本硕博培养过程联系起来。

（3）与研究生同学共事与导师学习生活交流：导师制提供了另一个与高年级学生、研究生和导师的交流的渠道，进入课题组后，通过上述交流可以协助学生确定工作方向，解决学习和工作中的困扰等。

（4）参与教学教研活动深入掌握专业知识：深度参与教学过程，协助进行教学资料调研整理、知识图谱梳理，协助公众号等学习渠道维护以及电子化教材的技术处理等，上述活动亦有助于学生加深专业认识。

此外，在与产业的导师联合教学中，目前主要采取引进企业专业技术人员讲座授课的形式，基于产教融合，还需逐步探索企业导师与校内导师结合的形式，但本科生的企业导师涉及较多驱动制度的问题，实际落地实现难度较大，初步以校内导师基于个人情况合作为主，逐步探索合理模式。

通过上述思路，储能科学与工程专业实行“导师制”(创新实践体系)与“班级制”(课程培养体系)双环驱动的人才培养路径。通过一方面建设储能科学与工程相关的实验与实践教学平台，另一方面建设创新创业赛事的交流平台，并对储能科学与工程人才的培养进行实践考察与经验总结，可以为建立完善、专业的储能科学与工程人才实践培养奠定坚实的基础。

4 结语

储能科学与工程领域创新人才培养，对推动储能行业发展，推动新型电力系统发展和能源变革具有十分重要的意义。针对储能专业“新工科”培养的特点，构建“大类招生、交叉培养、通专融合”的培养体系，采用“导师制”创新实践体系与“班级制”课程培养体系双环驱动，促进“知识-技能-实践”链条的有机结合是建设储能科学与工程专业的有效途径。在课程体系方面，构建了学科门类基础课、专业基础课、专业核心课、集中实践课梯次过渡的课程体系，并根据具体需求和学生能力情况设计了专业技能型和知识拓展型专业选修课程。在导师制方面，探索本科生导师制，促进本科生基于导师制获得创新竞赛的全方位指导，掌握科学研究基本技能，建立与高年级学生及研究生同学的交流渠道，并参与教学教研活动深入掌握专业知识。上述面向储能科学与工程创新人才培养的教育体系探索，对储能相关的人才培养和学科建设具有一定的参考意义。