基于知识融合的智慧能源课程体系内涵与构建方法探索

摘 要：综合能源时代，传统能源与动力学科专业向“智能”“智慧”化方向发展融合成为必然趋势。构建面向智慧能源的基础、特色和实践课程体系成为教学研究重点。该文拟围绕面向智慧能源高端人才培养的能源动力类专业教育教学体系改革，探讨智慧能源的基础、特色和实践课程构建原则、内涵与途径。能源动力专业课程知识与大数据、人工智能、信息控制等学科知识遵循“模型构建-数据分析-控制优化”的融合原则，是建设智慧能源的理论课程重要方法。针对智慧能源的交叉融合特性，充分利用海量实际生产数据，开发突破场地、资源、设备和人员等限制，实现多功能教学目标的虚拟仿真实践教学综合课程，实现多维培养目标，是构建完善的智慧能源课程体系的重要一环。

关键词：智慧能源；知识融合；课程体系；工程实践；人才培养

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）30-0019-05

Abstract： In the era of comprehensive energy， mergence with the intelligent and smart technologies have been becoming an inexorable trend for the major of energy and power engineering. Establishing new fundamental， characteristic and practice curriculum systems for smart energy expertise is a key topic for teaching research. This paper explores the principles， connotation and strategies to develop fundamental， characteristic and practice curriculum for smart energy， focusing on education and teaching revolution ofthe major of energy and power engineering regarding to the cultivation of talents specially for smart energy era. The course knowledge of energy and power and the knowledge of big data， artificial intelligence， information control and other disciplines follow the integration principle of "model construction-data analysis-control optimization"， which is an important method for the construction of theoretical courses of smart energy. In view of the cross-integration characteristics of smart energy， making full use of massive actual production data， developing comprehensive virtual simulation practical teaching courses that break through the limitations of sites， resources， equipment and personnel to achieve multi-functional tYVIW4+TCu2qnZ9hRjIy30Qj6JqvwAREhjsIrGB01juQ=eaching goals， and realizing multi-dimensional training goals are an important part of building a sound smart energy curriculum system.

Keywords： smart energy; knowledge fusion; curriculum system; engineering practice; talent cultivation

基金项目：中国矿业大学研究生教育教学改革研究与实践项目“基于工程教育导向的《高等燃烧学》课程教学模式改革研究”（2023YJSJ G034）；中国矿业大学教学研究项目重大课题“智慧能源高端人才知识、能力和素养图谱构建与达成路径”（2023ZDKT04）；江苏省高等学校教育技术研究会2019 年高校教育信息化研究课题“基于超星系统的线上线下混合式信息化教学改革与实践”（2019JSETKT074）第一作者简介：陈玉民（1986-），男，汉族，湖南衡阳人，工学博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为氢能，智慧能源。

通信作者：周怀春（1965-），男，汉族，湖北仙桃人，工学博士，教授。研究方向为智慧能源，热辐射分析及燃烧监控。

能源领域是碳达峰、碳中和的主战场，能源革命是实现碳达峰、碳中和的重要抓手。通过传统能源新技术与数字技术、智能化技术的深度融合[1]，加快推动中国能源革命向纵深发展，实现能源行业由“质”到“智”的发展，建设清洁低碳、智慧高效、经济安全的能源体系是中国式现代化的基础。技术和产业的迅猛发展对智慧能源创新型人才的培养提出了紧迫要求。然而，随着信息化、智能化技术与能源行业的深度融合发展[2]，传统能源与动力类课程体系与实际需求的割裂愈来愈严重，已经难以支撑能源领域智慧化革命所需复合型、创新型人才的培养需求。

一 构建智慧能源课程体系的时代需求

（一） 智慧能源课程体系建设现状

高校作为高端人才主要输出端、知识发展传播主阵地，开展面向智慧能源的教育教学改革研究迫在眉睫。其核心任务之一就是构建智慧能源方向知识体系[3]，主要载体即科学、完善的智慧能源课程体系建设。科学、合理、完善的课程体系和教学方法是保证智慧能源高端人才培养教育教学体系实施效果的关键。因此，传统能源与动力学科专业向“智能”“智慧”化方向发展融合成为教育教学改革研究的热点和重点。

国外高等教育一直注重传统学科与新兴学科的复合交叉，以建设满足智慧能源工程教育的知识体系。欧盟最早开始智慧能源人才培养的教学体系改革，在其课程体系中，采用了人工智能技术来提高教学质量，并在各阶段中融入了人工智能，高等教育的基础课程是其中重要组成部分[4]。2004年普渡大学设置了工程教学系，促进人工智能、储能、智能制造等多学科交叉应用，以培养适应包括智慧能源在内的新兴产业的高端可塑性人才[5]。2016年麻省理工学院开始了新工程教育改革计划（NEET计划），其核心理念是高度强调人工智能时代工程人才培养的学科融合趋势，更加突出以学生为中心的自主学习能力，面向未来新机器新系统设计的知识和能力需求，完成适应智能化时代的工程人才培养学科专业体系重构[6-7]。2017年，伊利诺伊大学香槟分校已经开始了绿色综合能源系统的课程，主要关注了风能、太阳能、储能电站和传统电力的智能耦合，以及绿色能源的能源供给表现和经济性分析[4]。日本格外注意能源的智慧化，与能源智慧化实践相匹配，还构建了相应的培训体系，该体系包含素养教育、应用基础教育、专家培育等多个层次[8]。

国内多所高校已经提前布局智慧能源课程体系的建设和改革。2015年，华北电力大学整合校内外能源领域的优势科研力量，组成由经济管理、电气、能源与动力、可再生能源、信息与通信和人文社科等多学科、跨专业团队，研发了“综合能源系统仿真平台”；2020年，进一步依托其在智慧能源等相关领域优势开设人工智能专业，着力于培养服务智能电力行业的专业技术人才。2022年，浙江大学依托工程师学院启动智慧能源工程师项目[4]，通过动力工程、电气工程、控制工程和信息技术等多学科交叉互补，产教融合、需求导向，培养智慧能源新技术、新模式、新业态所急需的应用型、复合型和高层次工程专业人才；项目的核心专业课程包括智慧能源系统工程、综合能源系统集成优化、低碳能源系统理论与设计、智慧能源工程案例分析与实践、新能源发电与变流技术和物联网操作系统与边缘计算等，课程内容涵盖智慧能源系统体系架构、能源综合梯级利用、低碳能源系统、多能流耦合调度控制、智慧环保装置运行控制和能源系统建模仿真等。2022年，上海交通大学智慧能源工程专业正式招生，以上海交通大学-国家电投智慧能源创新学院产教融合为平台，课程体系融合能源类和信息类课程，突出强调了电气工程、动力工程、控制科学与工程、计算机科学与技术和材料科学与工程等多学科知识的交叉。清华大学、天津大学、华中科技大学将智慧能源方向设置在人工智能学院[4]。智慧能源专业的基础课程设置呈现出跨领域跨学科的特点、知识融合与学科交叉的鲜明特征。

基于智慧能源领域的知识融合、学科交叉、智能信息化等内在特征，如何提高学生的知识掌握效率、持续学习能力和实践创新素质亦成为智慧能源课程体系中的实践创新教学解决的重要问题。教育部于2018年发布《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》中提出“建设1 000项左右国家虚拟仿真实验教学项目，提高实验教学质量和水平”，强调信息技术与教育教学深度融合。2018年7月，工信部印发了《工业互联网平台建设及推广指南》，具备双向通路的工业互联网发展使数字孪生成为了有生命力的模型。法国达索公司基于数字孪生搭建3D EXPERIENCE数字化体验平台[4]，实现了针对产品从概念设计、生产执行到最终交付的全生命周期管理，有效地缩短了研发周期，通过模拟产品在加工过程中的状态，合理分配与使用资源，从而提升生产效率。GE公司基于Predix平台提供了设备虚实同步交付的新理念，通过采集现场实时数据，在虚拟孪生体上进行多方面分析，实现了数字孪生在设备产品故障检测、寿命预测等方面的应用，充分体现了数字孪生的价值，强化企业核心竞争力[9]。

综上所述，通过与信息、控制、计算机学科知识交叉融合，构建适应智能时代的智慧能源知识体系是能源与动力专业教学改革发展现状的本质特征。但是，目前对于智慧能源知识体系内涵和构建方法尚在探索中，还存在诸多问题：能源与动力学科与人工智能、大数据、物联网等学科的融合趋势的未来形态会是怎样的，融合的边界如何确定？如何灵活应用信息化、现代化的先进教学方法，在有限课时内实现融合交叉知识的教与学？智慧能源覆盖的专业理论知识和应用场景广泛而复杂，如何在有限资源下构建开放性、包容性、可移植性高的实训平台？

（二） 智慧能源课程体系的发展趋势

智慧能源系统是能源动力、电气控制、可再生能源和信息技术等多学科的交叉领域，其重大特征是学科交叉、知识融合、技术集成。因此，智慧能源课程体系必须具有与之匹配的内核，其在人才培养、知识构建、实践训练等方面的改革趋势如下。

1 人才培养内涵目标多维化

智慧能源系统的学科交叉、知识融合、技术集成特征决定了人才培养的目标是提高毕业生的综合素质，包括知识复合、能力复合、思维复合等多方面素质。综合我国当下培养人才的模式，通过开设多学科交叉复合课程，让学生了解、学习、领会其他领域的知识，学会利用其他领域的知识来解决自己领域的难题；同时融会贯通，把专业知识创新性地运用到其他领域。

2 课程知识体系交叉融合化

信息化和智能化促进学科融合是未来高等教育发展的必然趋势，是智慧能源课程体系构建必须遵守的首要原则。从能动类教育教学改革的视角来看，原有的以学科为单位的单学科或有限学科融合的课程体系，已不适应智慧能源时代的人才培养需要；刚性的学科边界设置和固化的课程体系架构，已成为禁锢高端人才培养的主要障碍。

3 实训平台虚拟现实交互化

建设融合多个能源系统的综合能源系统实验室耗资巨大，且牵涉设备繁多，结构复杂，实验设备维护难度大，造成综合实践教学开展困难。结合大数据挖掘和数字孪生方法，通过虚拟仿真实验课程能够有效降低实验、实践教学成本，且可将实践生产过程以数据为纽带引入到实践教学中。虚拟教学平台可以将复杂结构实体化展现、把复杂过程原理细节化演示，有助于强化学生对课程知识的理解、掌握、应用。对信息技术和教育教学推进更深层教学融合，已经成为智能时代的必要实践教学手段。

二 智慧能源课程体系建设内涵

（一） 智慧能源基础课程

智慧能源基础课程建设按照“模型构建-数据分析-智能控制”的知识能力培养规律[10]，以热力系统及分析方法、能源与动力工程测试技术、热工过程控制等能源与动力工程类专业核心专业课程为主线。同时，通过加强计算语言、人工智能、神经网络和数据挖掘等智能工具的使用来重构上述主线课程内容；下游课程中突出发动机电控技术、单元机组集控运行、先进热管理技术等与智能控制相关的应用性课程内容；上游课程中动力机械原理、锅炉与燃烧原理、流体机械原理、制冷与低温原理和储能技术等专业基础课突出对基本原理的分析、对典型案例的讨论。与之对应的，需要构建与智慧能源相适应的信息化教学方法。主要以超星尔雅、雨课堂等平台开展智慧教学；师生共同利用学习通App进行教学的课前自学、课堂导学、课后督学的多环节互动沟通。根据教学内容，综合使用案例分析法、小组讨论法、微课法和线上线下混合式教学法等。根据课程群建设需要，引进“产业专家进课堂”，探索远程实景直播教学等教学新方式方法。基础课程群建设中，师资队伍是重要保障。拥有一支适应于跨领域、跨专业、学科交叉的师资队伍，既是基础课程群建设水平的体现，也是培养智慧能源高端创新人才的根本保障。

（二） 智慧能源特色课程

智慧能源特色课程主要围绕能源与人工智能方法、能源动力工程项目管理两大核心特色课程群建设。基于知识融合和多维能力培养目标，从能源监控与数据分析、能源智能决策、人工智能算法和智慧能源管理四个方面，培养学生灵活运用神经网络和无监督学习等智能算法语言，掌握数据监测、采集、分析和挖掘的方法，具备能源系统建模、系统优化和辨识的能力，可以围绕能源动力设备、装置、流程进行专家系统诊断、决策。基于工程教育导向和行业特色耦合的原则，以目标教学为主导，从能源项目管理、可持续能源策略、典型案例教学和产教融合四个方面，围绕能源动力系统和工程，比如智慧电力系统从煤炭采购与储存、负荷预测调度、项目经济性评价、碳排放和碳指标交易等，培养能源项目管理素质和可持续发展决策能力。

（三） 智慧能源实践课程

智慧能源实践课程主要围绕智慧能源设备、过程、项目的机理、数据、知识模型化能力，多维度融合智慧能源虚拟现实仿真实验平台和多阶段多层次实践教学体系三部分，按照“模型-仿真-实践”的素质形成规律进行建设。为了突破常规课时、产地、人员对实践课程的限制，同时结合智慧能源课程的信息化特点，其实践课程重点结合了数字孪生系统与工业三维虚拟场景教学方法。建立智慧能源工程设备模型库，满足智慧能源高端人才对工业设备特性可视化的特性需求，也为智慧能源工业三维虚拟场景搭建提供虚拟设备支持，实现新时代“模型-分析-构建”这一新工程范式的转变。在综合能源系统终端仿真机中通过三维虚拟现实场景组态化技术动态构建能源系统，推动学生理解智慧能源系统结构、机理、运行流程等信息。将能源工程实践与人工智能相结合，充分开发利用数字孪生仿真实验环道，结合建模、可视化、控制、优化、管理和诊断多学科融合形成层次化实践课程，把不同阶段贯穿各个层次实践学习中，包括“认识、理解、运用、分析、综合、评价”六个阶段。

三 基于知识融合的智慧能源课程体系构建方法

（一） 基础与特色课程构建方法

智慧能源理论课程主要包含基础和特色特称，其构建内涵主要涵盖教学目标构建、课程内容融qzXBalkuWmUBnjWpiLvcog==合重构、教学方法创新及课程思政建设三个方面。

首先，采用文献调查法、问卷调查法、专家调查法和案例分析法相结合的方式，运用能源行业发展、就业大数据分析技术，调研新时代智慧能源高端人才培养目标和专业内涵，形成和论证智慧能源课程体系建设方案可行性报告。基于“基础拓展-伦理建设-通专融合-案例分析”的建设流程和方法，构建智慧能源基础课程体系，助力学生构建智慧能源中智能控制、大数据、建模仿真和能源梯级利用的概念和知识。

其次，基于所明确的智慧能源课程内涵，在智慧能源基础课程体系建设的基础上，面向社会需求，通过学科专业的交叉融合和知识重组，围绕智慧能源行业采用课程串编方式建立能源系统人工智能方法、能源动力工程项目管理等特色课程群，结合实践实训课程环节，实现知识、能力、人格和素质的多维培养目标，使学生理解掌握信息技术、人工智能、机器学习在能源与动力行业的应用方法，提升学生将物联网、大数据技术等与能源与动力行业结合的能力。

（二） 实践实训课程构建方法

实践实训是促进能源与动力工程专业学生向智慧能源领域能力升级的重要环节。面向应用实践与产业需求的重要性，根据“知识传递-方法构建-能力提升”的学习规律，围绕知识、能力、人格和素质的多维培养目标，启发和培养学生解决复杂工程问题的能力与自主学习的习惯，根据现场需求以及企业特色需求，以Simulink建模仿真训练、综合能源系统中终端仿真机以及工业大数据平台协同，建设数字孪生仿真系统，在理论学习的基础上进一步强化与本专业工程实际问题的联系，强调以智慧能源工程应用为导向的解决实际工程问题的能力，构建基于数字孪生的智慧能源虚拟仿真实验课程，推动学生理论与实践融合，从而形成中长期产业适应能力。

首先，强化能源与动力工程建模能力的培养。以Simulink仿真训练为基础，探索学生“数值计算-人工智能-智慧能源”之间的新应用模式，将机理、数据的知识融合构建多模型深度融合能源工程设备模型库。深入能源工程项目现场调研，总结相关工艺信息与获取工业数据，并建立三类数字孪生模型：工艺流程级模型、生产效能级模型及企业运行级模型，作为数字孪生系统的数字孪生体模型微服务。通过深度推广机理、数据、知识等多模型实践应用，可以加深学生对数值计算、人工智能算法的理解，夯实基础理论根基。

其次，利用能源系统终端仿真机中部署智慧能源虚拟仿真引擎。以分布式仿真架构作参考，采用虚拟化技术，将每个模型作为一个微服务，根据需求实例化出多项数字孪生服务；按照模块化、通用化、灵活化的原则，采用统一微服务接口、通信协议、文件规约开发各项微服务，进而实现自定义模型、智能算法的微服务模块化封装。以OPC UA服务器作为数据共享中心，实现虚拟场景生产全要素互联。基于逻辑组态或编程组态微服务的形式实现更加复杂、高级的数字孪生服务，即动态创建面向智慧能源的仿真场景，从而解决实践教学成果与专业工程实践需求匹配度不高的问题。促进能源与动力领域的智能化、信息化发展，为培养适用于智慧能源领域的智能算法应用和开发、系统管理与优化等专业技能提供实践支撑。

最后，面向能源工程高端人才培养，基于数字孪生的仿真实践课程，以结合工程实际为主、辅以基于案例的教学和实践方法，结合课程的性质和任务，针对毕业要求的具体指标点，紧密联系工程实际项目，解决复杂工程难题。为学生提供典型能源工程虚拟现实场景案例，利用模型库与虚拟仿真引擎实现工业场景可视化搭建，运用提供案例代码进行仿真多学科代码仿真验证，学生对系统每一学科仿真环节步骤进行分析总结，形成数字孪生仿真学习报告。以数字孪生仿真平台为依托，构建相应的虚拟仿真场景，进而获得物料与设备之间的互动方式以及传感器的类型与特性；采用工业大数据平台新技术——图形化编程工具，使得学生所研究的建模方法能快速部署在大数据分析平台，实现对海量工业运行信息的挖掘分析与综合利用，根据大数据平台可视化运行结果，对比分析不同算法对于解决该工程问题的优异性。

最终实现面向智慧能源的专业人才培养目标，使学生可以从一个崭新的角度去看待现在的能源系统，589b51c022b0668fe323160c39daafdd02a9a62db79d59da2d98cde25b0ede06从宏观系统的角度去找到高效利用各类能源的方法，以发展的眼光阐述未来能源系统的发展趋势，为学生将来参与能源产业变革和转型工作奠定基础。

四 结束语

综合智慧能源时代，能源与动力工程专业必须向智慧化、信息化转型，以培养适应产业转型、社会发展的人才。智慧能源课程建设是能动类专业面向智慧化、低碳化、智能化发展趋势开展课程改革的重要着力点。以知识融合为主线，突出数字化、智能化学科知识与能源与动力学科知识的交叉，研究智慧能源基础课程群内涵和与之适应的教学方法；以能源与动力行业为背景，紧扣工程教育本质，拓展和挖掘信息化、智能化技术在能动行业的应用途径和案例，建设智慧能源特色课程群；对提高学生数字能力、持续学习和知识融汇等素养，适应能源行业智能化转型趋势意义重大。基于智慧能源方向交叉融合特征，以海量实际生产数据挖掘和数值孪生方法为内核，构建智慧能源综合实践训练平台和实训内容，是强化学生智能信息化技能与传统能动专业知识的综合应用素质，培养解决智慧能源领域复杂工程问题能力的关键环节。

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