新工科储能专业《储能与综合能源系统》的课程建设与实践

郝俊红，杜小泽，徐 超，巨 星，肖万里，陈 群，杨勇平

（1华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2北方工业大学储能科学与工程学院，北京 100144）

1 概 述

1.1 新型能源体系与储能

能源是国民经济的基础和命脉。2020 年9 月，我国积极宣示要实施“碳达峰”“碳中和”目标[1]。在此背景下，由“双碳”目标驱动的新型能源体系应运而生[2-3]。2022年3月，国家发改委、能源局发布了《“十四五”现代能源体系规划》，要求加快构建现代能源体系。党的二十大报告明确指出：“推动能源清洁低碳高效利用”“加快规划建设新型能源体系，确保能源安全”。随着“双碳”目标和新型能源体系建构的推动，可再生能源得到了迅速发展[4]。截止到2023年7月，可再生能源装机容量首次超过了火电机组。然而，风能、太阳能等新能源发电具有随机性和不确定性，大规模并网会严重冲击和影响电力系统的稳定安全运行。储能技术对保证电网稳定、改善电网效率、降低电网负荷波动、改善电网供电容量等具有关键作用，能够有效保障电网稳定和提高电网效率。作为可再生能源发展的重要支撑之一，具有电源侧、电网侧与用户侧等多方面的应用需求。由此可见，储能已成为全球能源革命的关键技术、双碳目标的重要支撑和新型能源体系建设的重要组成[5]。截止到2022年，我国储能技术在基础研究、关键技术与集成示范等方面，已经成为世界储能技术发展中最为活跃的国家[5]。然而，储能产业与技术的深耕与研究，亟需一批具备丰富技术知识和实践经验高水平人才，其中高等教育机构作为人才培养和科学研究的重要基地，亟需立足能源革命战略需求，培育专业紧缺人才，建设专业高水平研究团队，从而引领储能技术的蓬勃发展。

1.2 储能科学与工程专业建设

2020 年，教育部、国家发改委、国家能源局联合制定印发了《储能技术专业学科发展行动计划(2020—2024年)》[6]。2020年，教育部增设“能源动力类-储能科学与工程”本科专业，并批准西安交通大学开设全国首个储能科学与工程专业；2021 年，我国新增建设“储能科学与工程”专业院校达25所；2022年，共有23所高校增设“储能科学与工程”专业。截止到2023 年，我国已有63 所高校开设储能科学与工程专业，新时期储能领域专业型人才培养已初具规模。储能科学与工程是典型面向新兴产业的“新工科”专业[7]，核心是建设专业知识体系[8-9]。作为新开展的专业，具有学科交叉性强、培养方式不一、方向多样化、教师队伍经验少、教学资料少等特征与挑战[7]，课程与教材建设等均面临着缺乏成熟的可借鉴方案、专业脉络构建困难等诸多问题。同时由于各类储能技术研究相对独立，相互间专业壁垒较高，要求储能领域人才具备良好的交叉学科和综合知识运用能力，这对课程、教材和培养体系的建设更具挑战性。

围绕储能专业与培养体系的建设，众多研究也从学校特点、专业定位、学科交叉等多方面进行了探讨[10-12]。如巨星等[7]针对储能专业“新工科”的培养特点，围绕华北电力大学储能专业三届学生的培养情况，从学科、专业和学生等三方面探索了储能专业新工科的培养模式，并提出构建“导师制”创新实践体系与“班级制”课程培养体系双环驱动，积极开展储能人才培养新体系。张强等[10]根据开设储能专业的学校层次与定位，提出了针对理科、工科、职业院校的典型定制化、有侧重的培养体系，尽快填补储能领域高水平研究员、高级工程师以及总工的专业需求。李建林等[13]在新工科背景下，提出了储能学科体系建设的构想，从人才素质、知识和能力三个方面探讨了人才培养思路，并指出了跨学科交叉融合的课程设计方法。王祥锋等[14]探讨了储能专业建设中校企协同的育人机制，对新型研发机构下的育人效果进行了评价，以此适应储能技术与产业的发展趋势。陈奇成等[15]围绕东北电力大学在储能科学与工程本科专业建设经历，指出储能科学与技术专业的建设应该制定并完善专业人才培养体系。

1.3 储能与综合能源系统课程建设

面向储能产业的蓬勃发展、人才的迫切需求及学科的建设意义，加快培养储能领域“高精尖缺”人才，亟需为储能产业构建研发型、管理型、生产型等全面的人才培养体系，如图1所示。储能科学与工程专业离不开课程建设和学生培养。特别是以电气工程、控制工程和工程热物理课程为核心的储能与综合能源系统，作为储能专业的专业核心课，串联了热、电、氢、储等技术在系统中的融合与应用[7]，涵盖了热能、电气、储能与控制等学科，交叉特征显著，既承接和融合了专业基础课程中不同领域的基础知识，又能够紧密围绕和面向储能产业与行业需求，是储能专业人才培养中承上启下的重要环节。因此，如何围绕储能科学与工程专业的学科体系，开展储能与综合能源系统的课程规划与建设，是储能人才培养提质行动的核心内容与重要支撑，也是国家储能产教融合平台建设的重要内容之一。

图1 新工科背景下储能科学与工程专业的人才培养体系Fig.1 Cultivation system of energy storage science and engineering in the context of emerging engineering education

2 课程建设内容与特点

2.1 课程整体概述

面向“碳达峰”与“碳中和”的国家能源发展战略，在构建新型能源体系和新型电力系统的背景下，围绕新工科背景下课程的开设与建设目标，结合专业培养目标，《储能与综合能源系统》作为储能科学与工程专业的核心课，是促进学生将理论知识与实践能力相结合的关键桥梁，需充分调研和分析现有相关专业教材或专著。目前尚未正式出版《储能与综合能源系统》课程的相关教材。因此，本课程内容重点参考了储能科学与工程专业的培养计划及培养目标，充分借鉴了《分布式能量系统》《能源互联网》《综合能源系统》《综合能源服务系统与模式》《新一代能源系统》《热系统分析与优化的热量流法》《综合能源系统中的智能控制与优化技术》《电力系统储能》《储能技术及应用》《电网储能技术》《大规模储能系统》、Integrated Energy SystemsforMultigeneration、Intelligent Integrated Energy System、Technologies for Integrated Energy Systems and Networks、Large-Scale Integrated Energy Systems Planning and Operation、Energy Storage in Electric Power Grids等近年来国内外出版的教材和专著，同时结合近年来开展的相关国家重点研发项目等示范工程项目，形成了《储能与综合能源系统》的课程讲义框架，主要包括绪论、综合能源系统的概念、结构与特点，并从综合能源系统的物理建模、规划方法、评价指标及调度控制等几个方面展开，由此构成了系统完整的课程教学内容。同时，课程教学主要通过课堂讲授、小组讨论和课外实践三维相结合的方式开展，上课学时不少于32 学时，课外实践学时不少于16 学时，分别占总学时的67%和33%。

2.2 课程核心特征

本课程基于华北电力大学能源电力特色及储能科学与技术的专业特点，提出了具有“能源电力大背景、储能应用新特色、行业发展宽领域”的课程建设总脉络，重点是围绕储能科学与工程的本科专业培养计划，结合先修课程，通过充分吸收和融会贯通储能、热学和电学等不同学科的知识壁垒，构建储能与综合能源系统的核心概念及理论体系，从而促进储能专业建设的发展。因此，该课程的特征具体体现为：

（1）学科涉及领域广泛，课程知识交叉明显

本课程涉及储能、能动、电气、控制等多个学科领域，围绕综合能源系统中的异质能量转换、传输与储存，涉及领域广泛，需要通过学习和融会不同学科的关键知识点，以此培养学生的跨界思维和解决问题的能力；综合能源系统的综合性使得课程跨足了储能、电力、热能等多个能源领域，具有明显的知识交叉特点，强调综合能源系统的整体优化与管理，在获得更全面、更综合的知识基础上，促进学生形成从整体角度思考能源问题的能力。

（2）课程体系涵盖丰富，内容结构立体鲜明

本课程涵盖了储能技术与可再生能源利用、综合能量管理与建模仿真、系统规划与调控等多个方面，通过深入学习异质能源及其相互关系，掌握现代能源系统的多样性。课程内容结构包含基础层、应用层等，其中基础层包括基本概念、原理、方法和技术，侧重于系统规划、建模及运行等理论方法，而应用层则强调与先进技术相结合，包括多能互补、多能流协同、混合储能技术、智能控制等内容，以此培养学生在应对能源挑战和推动能源创新方面的综合能力。

（3）应用场景类型多样，专业方向覆盖广泛

综合能源系统课程中涵盖了园区、建筑、住宅等多尺度的应用场景，课程内容建设能够涵盖和满足不同领域与行业的需求，注重实际应用，强调通过实践掌握储能和综合能源系统相关的技能和技术，课程紧密追踪综合能源系统的最新发展动态，通过对分布式能源系统、智能微网、能量枢纽等实践案例的仿真分析，理解储能和综合能源系统相关的规划、评价与调控，为未来综合能源系统的实际应用奠定理论基础。

2.3 课程主要内容

华北电力大学储能科学与工程专业自2019 年启动建设以来，已有2019、2020 级两届储能方向的学生及2021级、2022级、2023级储能专业的学生共五届，其中2019 级储能方向的学生已顺利毕业。目前大一、大二阶段已经设有各类储能技术、热物理、电工电子等基础课程。在前期各类储能技术、设备及电、热系统等了解和学习的基础上，储能专业在本科第六学期(大三上)，设置了《储能与综合能源系统》专业核心课，融合与集成了多类课程和专业知识。图2展示了本课程的基本框架和简化知识图谱，主要包括基本概念、建模理论、规划评价、运行调控和工程应用五大模块。①基本概念模块：涵盖综合能源系统的历史与发展、概念与分类、异质能量的转换传输与储存单元及系统关键特征，是在能源电力大背景下的系统性介绍和完整性学习；②建模理论模块：介绍和对比热力系统、电力系统的经典概念和建模理论，重点介绍现有关于综合能源系统建模中广泛使用的热力学方法、能量枢纽法、能量流法等，阐述并对比不同学科的建模视角，是本课程学科交叉的重要体现和课程学习的重要核心；③规划评价模块：围绕不同尺度的综合能源系统，介绍系统规划的基本思路、方法和流程，从技术、经济、环境等多方面介绍综合能源系统的综合评价指标概念，通过实际规划案例促进学生对系统规划与评价的理解；④运行调控模块：基于电力系统的调度概念，介绍综合能源系统中的优化调度概念，介绍调度模型及系统的能量管理平台组成，结合人工智能算法，介绍智能化技术在综合能源系统中的应用；⑤工程应用模块：结合实际示范工程项目等，通过冷热电联产系统、含储热电热综合能源系统、分布式能源系统、能源互联网等不同视角介绍综合能源系统的高效灵活与清洁低碳的应用。

图2 《储能与综合能源系统》的课程架构Fig.2 Curriculum architecture of energy storage and integrated energy system

结合图2 给出的课程框架，表1 列出了课程相关的主要章节、核心知识点及相关授课方式，建模方法、规划评价与优化调度是储能与综合能源系统课程的核心内容，学时也超过了总课时的70%，具有课程内容难、知识点多、交叉性强、时间周期长等特点，主要通过课前调研、课堂讲授、小组讨论、课后练习以及课程设计等多种方式开展和完成。另外，创新课堂展示是本课程重要组成部分，也是本课程的主要考核方式和特色之一。基于课堂学习的基本知识和概念，围绕综合能源系统的主要特点及核心前沿，要求学生通过课后文献调研与讨论总结，形成一篇规范的科技论文，并整理PPT进行课堂展示。展示部分的评价也是本课程主要创新之一，通过总体评价、研究内容、实施方案、目标成果四个方面设置了评价指标和标准分值，通过学生互评与老师评价，充分调动学生的课程学习与参与的积极性，使得学生能够立足课程基础学习的同时，进一步探究课程前沿理论与知识，形成了“课上课下互动、课内课外融合”的良性循环。

表1 课程核心知识点及相关授课方式Table 1 Core knowledge points of the course and related delivery methods

2.4 课程与课件建设的主要特点

《储能与综合能源系统》课程作为储能科学与工程专业的核心课，涉及到热力学、传热学、物理化学、电力系统与储能、燃料电池与储能电站等众多基础课程的知识内容，是储能专业学生培养中理论与实践的联系桥梁，实践环节是本课程建设的重要组成部分。通过在两届学生中的调研，储能与综合能源系统的课程内容中，45%的学生认为与电力系统储能、储能电站系统、储热技术、储能电池技术等专业课关联度较高，39%学生认为与电工技术基础、传热学、电化学工程等专业基础课程相关，16%的学生认为与物理化学、大学化学等基础课程相关。因此，本课程建设在新型能源体系和新型电力系统发展与建设的背景下，通过课程、课件与课堂的三维深度融合，形成了“内嵌式、交互式、探究式、迭代化、情景化、数字化”的“三式三化”创新特色，如图3所示。

图3 “三式三化”的课程特色Fig.3 Course characteristics of the "three styles and three forms"

（1）构建内嵌式课程思政，强化专业自信和理想信念

课程教学引入与实际相关案例，让学生深入思考自身在其中的角色和作用，感受到课程思政教育的现实意义和价值；结合能源电力等相关的作品，通过选取与综合能源系统课程相关的主题视频、示范项目介绍等，引导学生进行专业认知，深刻感受到本课程思政教育所倡导的专业素养、人文关怀和社会责任；通过组织社会实践和工程实践，依托储能技术产教融合平台、实习基地等，让学生走出课堂和走进社会，提高社会责任感和参与感，沉浸式体验课程思政的实践价值。

（2）打造交互式课堂教学，提高学习兴趣和学习成效

基于课程内容，在课件制作和课题教学的多个教学环节设置了课前问题、课上问题和课后问题，引导学生进行交互讨论，鼓励学生积极参与；设置可投票的问题，通过投票互动的方式，激发学生的参与感和探究兴趣，从而深入理解课程内容；设置开放式问题，引导学生课后查阅资料，激发学生亲身参与课堂教学，延展课程内容，提高教学和学习效果。

（3）塑造探究式案例课件，助推知识转化和实践应用

课程充分收集典型综合能源系统案例，归纳案例核心特点，构建与课程核心知识点的拓扑关系，通过教授综合能源系统实际案例，增强学生的认知能力。整理典型、具有指导性和示范性的案例，塑造探究式经典案例库，为储能专业的教学提供跨学科、跨领域、跨行业的案例支撑，提高学生有深度、有广度和有高度的跨学科综合素质。

（4）构建迭代化课程体系，紧随行业前沿和发展趋势

课程内容设置汇总充分考虑了综合能源系统发展的时代性，及时引入最新的、前沿的和具有实用价值的技术及理论，对已有的知识进行及时的更新和迭代，保证课件内容的时效性和实用性，充分体现课程与时俱进的特点。引导学生主动获取新知识，建设教师与学生之间的知识共享平台，将有价值的知识及时分享，促进学生形成系统化的知识体系。

（5）设计情景化课堂研讨，激发问题聚焦和合作创新

针对综合能源系统课程知识交叉、内容交织等特点，充分把握课程、课堂与课件三位一体，通过小组讨论、情境教学等方式构建情景化教学场景，提高学生的活跃度和参与的积极性。教学与考核中设置小组讨论环节，让学生自主组成小组，围绕特定主题开展文献调研、整理PPT、现场答辩等环节，模拟真实项目答辩过程，通过问答进一步理解课程内容，并提高学生认知体验和沟通能力。

（6）创作数字化融合课件，增强学习体验和学习效果

围绕课程内容，设计和制作课堂课件中充分利用图片、音频、视频、网络等数字化技术，通过网络教学方式开展课前、课中和课后的多维度教学，通过可视化数据展示复杂的数据分析结果，通过教学动画生动形象地展现知识脉络，通过二维码等方式快速分享关键案例、经典视频等，充分实现课件数字化，增强学生的学习兴趣和形成良好的师生互动。

总之，储能与综合能源系统作为典型的新兴交叉学科专业课程，跨学科要素多、迭代快，无形中增大了对教学积极性、教学工作量的要求。而本专业课程涵盖的多种储能方式、多种能源应用模式的发展和创新日新月异，相关研究和进展呈现百花齐放之势，局限于某一本教材的单一教学难免无法跟上其发展节奏。因此，“三式三化”的课程创新教学模式，可以确保学生获取知识的前沿性和及时性，通过学生自主阅读和课程平台分享，实现储能与综合能源系统领域知识及研究进展获取的双层次保障，推动课程学习立足发展，推陈出新。

3 课程建设目标与实施情况

3.1 课程目标和培养目的

通过储能与综合能源系统的课程建设，实现了课程思政、理论知识、应用研究三个方面的课程目标和培养目的，支撑新工科专业培养的目标。具体如下。

（1）在课程思政方面，通过我国能源电力及装置的现状和发展，培养学生的道路自信、专业自信、使命奉献等核心价值观，通过学习科学家精神、大国工匠精神等，培养学生的科学和创造精神，通过学习新循环、新工艺、新系统等内容，形成可持续发展理念。

（2）在理论知识方面，能够理解综合能源系统的基本理论与基础知识，重点掌握综合能源系统的基本构成、主要概念和核心特征，掌握系统中储能的作用与特点，深刻理解电、热等学科交叉内容，为分析综合能源电力行业中的复杂工程问题奠定坚实的理论基础。

（3）在应用研究方面，通过课程学习和课程设计，能够对能源行业的实际工程问题进行抽象、简化和归纳，依据综合能源系统的典型理论方法，分析能源动力领域相关技术问题，通过创新课堂、论文写作等实践方式，培养学生应用研究能力。

3.2 课程实践和实习培训

面对储能产业的建设和发展对高层次综合技术型人才的需求，《储能与综合能源系统》课程在理论教学的基础上，力求将课堂理论与知识应用相辅相成地在人才培养体系中发挥作用。如图4 所示，基于储能专业开放式、启发式的人才培养模式[8]，依托华北电力大学国家储能技术产教融合创新平台，本课程围绕课程教学内容，设置了课程设计与专业实习，课程设计重点在电热综合能源系统的建模与优化调度，培养学生对电、热系统及综合能源系统调度概念的理解，专业实习则主要引导学生走出课堂，带领学生到相关储能产业、零碳综合供能园区等，接触能源领域最新技术，通过实践中的主动观察、思考和交流，形成课内与课外双驱动的知行合一培养体系。

图4 课程实习实训与理论学习的关系Fig.4 Relationship between practical training and theoretical studies in course

3.3 课程实施情况与反馈评估

《储能与综合能源系统》课程授课已完成2019 级、2020 级两届，作为一门集成多专业知识的专业课程，在课程实施过程中，以培养学生专业知识的整合与应用能力为主要切入点。在电力系统、热力系统、储能科学等已有知识的基础上，通过课程、课堂与课件深度融合，形成了“三式三化”的课程创新模式，构建了完整稳定的授课体系。围绕储能与综合能源系统课程的实施效果，在完成学习的108名储能专业的学生当中展开问卷调查，并进行了统计分析，图5展示了课程教学实施的调研结果，通过统计发现储能与综合能源系统课程的内容整体难度较大，课程设置的逻辑性较好，课程内容结构合理，与先修课程的紧密性较高。

图5 课程实施的调研结果Fig.5 Results of the research on the implementation of the course

为响应国家对储能技术创新、资源整合的人才需求，情景化课程讨论以文献调研为基础，小组合作为途径，力求让学生更深层次、多方位地了解、整合各储能及综合能源系统领域主题的发展成果和应用原理。图6展示了课程作业完成时间及课题创新作业平均阅读文献数量，作业完成基本都需要10 个小时以上，有超过50%的学生在完成课程作业的过程中调研了30 篇以上的文献，对储能与综合能源技术发展进程、应用前景、应用原理等有了更为具象的了解，同时有72%的学生认为相较于传统计算、做题形式的作业，情景化课程讨论更加能够激发他们的学习和探知兴趣，在面对前沿的储能科技应用时，也会自发地进行组间分享与研讨，以课程所学知识对文献场景进行分析。

4 结 论

4.1 课程建设的作用与意义

面向储能专业人才缺乏、相关人才知识结构单一、产教融合环节薄弱等问题[7]，综合能源系统课程的建设不仅在教学层面有着重要意义，还直接影响到能源产业的发展和国家的可持续发展战略。通过不断完善和推进综合能源系统课程，可以为社会培养出更多具备综合能源视野和创新能力的专业人才，为推动能源行业的高质量发展做出贡献。因此，该课程建设的作用和意义主要体现为：填补储能与综合能源系统课程空白，完善专业课程建设体系；提高储能与综合能源系统教学质量，建设新型课程教学体系；推进储能与综合能源系统专业建设，奠定储能专业发展基础；夯实储能与综合能源系统培养基础，完善新型人才培养机制；紧扣新时代能源电力行业发展需求，促进储能行业健康发展；响应国家能源发展和“双碳”目标需求，健全能源政策落实路径。

4.2 课程的未来发展与建议

在不断变化的能源环境下，储能与综合能源系统课程的建设与发展具有重要意义。未来储能与综合能源系统课程的发展应该进一步夯实学科基础，增强跨学科交叉，培养具备多领域合作能力的综合型人才；强化实践环节，增加项目设计与实践调研，提升学生的实际操作和问题解决能力；跟踪技术创新，引入新兴能源储存技术和人工智能等，培养学生对最新技术趋势的认知和应用能力；推动产学研用结合，加强与能源领域的企业和研究机构合作，促进学生更好地了解产业发展需求和提升解决实际问题的能力；重视可持续发展，强调可持续发展理念，培养学生的环保意识和社会责任感；激发创新思维，在课程中培养学生的创新思维和创业意识，鼓励学生在能源领域发现问题、提出创新解决方案，推动能源领域的技术创新。通过上述的发展，储能与综合能源系统课程可以更好地适应不断变化的能源环境，培养更多具备综合视野、创新能力和实践技能的专业人才，为推动能源新体系的建设、“双碳”目标的实施和能源行业的可持续发展做出贡献。