“双碳”战略和新工科背景下多学科交叉人才培养与Chem-E-Car 竞赛的融合实践

刘君腾，杜乐，肖宁，邹德勋

（北京化工大学化学工程学院，北京 100029）

“双碳”是碳达峰与碳中和的简称。2020 年，我国提出力争于2030 年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和[1]。“双碳”目标已经成为国家性战略，我国进入“双碳”新时代。“双碳”目标的提出，坚定了中国大力发展可再生能源、绿色低碳发展的决心，描绘了中国未来实现绿色低碳高质量发展的蓝图，展现了大国担当[2]。高校是人才培养的主阵地，在“双碳”战略背景下，高校应加快培养具有科学素养和创新实践能力的复合型人才[3]。

2022 年，教育部印发《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》，明确规划和引导高等学校在发展服务国家“双碳”目标下加快专业人才的培养，为实现“双碳”战略目标提供坚强的人才保障和科技支撑。在“双碳”背景下，新工科建设的重要目标是建立适应“双碳”产业和科技发展需求的人才培养体系，大力推进“双碳”领域的科技创新、实践创新人才培养[4]。新工科建设“以学生为中心”，具有多学科交叉的特点[5，6]。多学科交叉是高等学校提高教学、科研水平的重要支柱[7]。新工科背景下，多学科交叉与学科竞赛相融合是加强“双碳”人才培养的重要手段。

1 Chem-E-Car 竞赛简介

Chem-E-Car 竞赛由美国密西根大学Scott Fogler教授创立、由美国化学工程师协会（AIChE）组织，是一项考察本科生运用化学工程技能的竞赛[8]。Chem-ECar，即Chemical Engineering Car，译为“化工车”，是一辆由化学反应提供动力、由化学反应精确控制行驶距离的车辆模型，要求竞赛团队运用化学工程技能并跨学科应用，设计、制造一辆可实际行驶的车辆模型。这项竞赛结合了理论与创造力，为传统沉闷的工程教育带来了蓬勃生机[9]。

Chem-E-Car 竞赛分为海报和性能竞赛两部分。海报竞赛是各参赛队伍以海报形式展示制作的化工车，介绍车辆模型的设计原理、安全和环保措施。海报竞赛过程中，参赛队伍接受责任评委的现场质疑和车辆检查，确认制作的车辆模型符合竞赛规则，方可进入性能竞赛环节。性能竞赛是考察参赛队伍对车辆模型行驶距离的控制能力。比赛前1 h 由评委组宣布性能竞赛的目标行驶距离（15.0～30.0 m），参赛队伍依据目标距离计算车辆化学反应控制系统与动力系统所需的化学品浓度、用量等参数，现场称量药品、配制试剂、组装调试。竞赛中化工车须在2 min 内完成行驶，实际行驶距离与目标行驶距离偏差最小者获得冠军。国内性能竞赛的冠亚军和东道主队伍可以参加当年在美国举办的全球Chem-E-Car 竞赛。

Chem-E-Car 竞赛经过近30 年的发展，吸引了全球众多顶尖高校参与，已经成为一项化学工程领域的全球性赛事。

2 多学科交叉人才培养与Chem-E-Car竞赛

“双碳”战略背景下，我国经济社会发展将迎来重大变革和挑战，需要持续的科研技术投入，多学科、多产业、多部门的深度融合[10]。学科交叉、思维交叉是创新的动力和源泉，多学科交叉使学科之间耦合互动、多向交流，提高知识创新的速度和密度。

以Chem-E-Car 国际竞赛为纽带，组建跨院系、跨专业、跨年级的学生竞赛团队，搭建教学、科研一体化创新实践平台，是一种多学科交叉融合的新工科“双碳”人才培养模式。人才培养与Chem-E-Car 竞赛相融合，有利于打破固有的专业领域界限，更多地运用学科交叉、思维路线的交叉方法，通过多学科交叉融合的方式，提高“双碳”人才的科学素养和创新实践能力。

Chem-E-Car 竞赛的核心是考察本科生对化学工程知识的掌握和运用，但是竞赛队伍需要多个学院、多个专业的学生共同组成。化学工程学院学生负责设计化学反应驱动、控制车辆；机电工程学院学生负责3D建模，设计、制作车辆模型；信息科学与技术学院学生要解决化学反应信息如何转变为电信号的问题。除了多个学院参与，各个专业也紧密配合。车辆由化工反应控制和驱动，需要化学工程与工艺专业、能源化学工程的学生负责。评估化学反应的安全性，以及废气、废液排放对环境的影响，环境工程和安全工程专业必不可少。车辆的机械结构、传动、外观，以及零部件加工、装配、调试，需要机械设计制造及其自动化、机械工程及自动化、工业设计专业参与。自动化、测控技术与仪器专业则负责设计各种传感器监控反应过程、编制程序进行参数计算和判断。

Chem-E-Car 竞赛是多学科交叉培养“双碳”人才的有益载体。将“双碳”理念融入竞赛全过程，各个学院、专业、年级的学生在竞赛及培训过程中瞄准循环经济、节能减排、绿色能源等技术重点调研学习，强化绿色低碳意识，激发学生的学习兴趣和主观能动性，培养符合时代发展需要的“双碳”科技创新人才。

3 “双碳”人才培养与Chem-E-Car 竞赛融合实践方法

3.1 培养实践创新能力

基于Chem-E-Car 竞赛，整合各学科优势资源，以多学科交叉融合为着力点，强化本科生实践创新能力培养。以学生在竞赛中遇到各种实际问题为切入点，利用学生对解决实际问题的渴望，调动学习积极性，从传统的“填鸭式”被动学习转变为独立的主动学习，激发学生的创新精神和创造热情，培养学生的创新意识、创造能力及工程实践能力，注重学生综合素质与能力培养，调动学生投身科技创新活动的积极性，营造浓厚的学术氛围，推动大学生科技活动蓬勃发展，促进学习教学质量的全面提高。

3.2 扩展学生培养途径

以Chem-E-Car 竞赛为着眼点，通过作品研发、现场竞赛、国际合作交流，拓展人才培养途径。学科竞赛是学校课堂教学的重要补充和延续，是培养新工科人才创新精神和实践能力的必要手段。其辐射面广，受益面大，可推广性强，是有效的“双碳”人才培养模式。建立由本科生构成、由学生自主管理的“美国化学工程师协会国际分会”（AIChE International Chapter）国际性学生社团组织。通过学生社团的自管、自治，对竞赛队员、团队进行管理，组织学生进行内部交流学习，邀请各学科教师进行授课指导。为学生社团提供跨院系、跨学科、跨专业学习的机会，组织多种跨学科的基础性、综合性和设计性的工程科学技术实践活动，改善传统教学内容脱离实际、纸上谈兵的状况。作品原理设计要求紧密结合学校学科优势，具有国际化意识，提升作品实用性、系统性、完整性和科技含量，努力培养一批高水平新工科“双碳”人才。

3.3 完善竞赛培训体系

基于Chem-E-Car 竞赛，深化多学科交叉融合的教学改革工作，学生针对实际问题进行分析设计，提高动手实践能力及工程设计能力，提升新工科“双碳”人才培养水平。以充分利用各学科教学、科研资源为着手点，重视竞赛培训体系完善，打造长期、有效的新工科人才培养模式。将Chem-E-Car 竞赛中的具体任务与各学科的优势科研方向有机融合，使学生了解多学科发展的动态和前沿，丰富专业知识，拓宽专业视野，营造良好的科技创新氛围，让学生在高起点参与科研创新活动。重视培训体系完善以及培训内容的研究性，体现各学科专业知识的衔接性和渗透性，设立多学科交叉综合课程，与多维立体教学相呼应，激发学生实验的兴趣，提高思考能力和创新能力，真正使学生体会到学以致用的魅力。在教师指导上，耐心细致、多用启发式教育；在成果总结上，鼓励学生多思考、多反思、多借鉴和多学习。提高学生学业能力、学术能力、工程实践能力培养水平，建立对学生全方位全员化的考核培养机制。

3.4 建设指导教师队伍

以加强竞赛指导教师团队建设为落脚点，为持续培养高质量新工科“双碳”人才提供保障。加强指导教师队伍建设，鼓励不同专业、不同学院教师组建多学科交叉的竞赛指导教师团队，既突出科研理论水平，又重视工程实践能力。建立长期有效的激励机制，调动教师科研、教学积极性，使教师的科研教学活动与Chem-E-Car 竞赛紧密结合。通过优势集成，组织多学科交叉、上下游结合的国际学术研究队伍，实现指导教师培养及励练，进而提高指导教师自身的学术水平和育人能力，形成指导教师培养特色。

4 结语

在“双碳”重大战略背景下，我国面临产业升级转型、增强国际竞争力等多重压力，高校要适应新工科发展要求，加快培养“双碳”领域工程科技人才。多学科交叉人才培养与Chem-E-Car 竞赛相互融合，有助于打破学院、专业、年级限制，突破原有课程、培养体系边界，创新教育理念，深化培养模式改革，面向课程交叉、工程实践、团队工作、系统思考和创新设计，构筑新工科背景下多学科交叉融合的“双碳”人才培养模式，培养一批优秀的具有国际化视野的“双碳”人才。