“新工科”背景下能源類通識(shí)課程綜合實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的探索

林蔚然，湯 彬，陳 凱，趙 萌，李雙壽

（清華大學(xué) 基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

工科院校是培養(yǎng)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)骨干人才和領(lǐng)軍人才的搖籃，其教學(xué)內(nèi)容的相對(duì)滯后是阻礙先進(jìn)技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用的主要因素之一[1]。工程教育如何使課程建設(shè)與時(shí)俱進(jìn)，實(shí)現(xiàn)其與社會(huì)科學(xué)技術(shù)需求的協(xié)同發(fā)展，已成為教育界廣為重視的課題[2]。2017年教育部辦公廳發(fā)布《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》，明確提出了“新工科”教育應(yīng)對(duì)變化、塑造未來的教學(xué)建設(shè)理念，要求根據(jù)工程技術(shù)最新發(fā)展構(gòu)建面向“新工科”的工程實(shí)踐教育體系，推進(jìn)基于成果導(dǎo)向的工科學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)[3]。我校對(duì)通識(shí)教育課程體系進(jìn)行了不斷探索和思考，認(rèn)為基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的定義、實(shí)現(xiàn)與評(píng)估成效的基準(zhǔn)教育理念（OBE）適用于通識(shí)教育的課程設(shè)計(jì)[4]。

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球工業(yè)正加速進(jìn)入4.0時(shí)代，信息技術(shù)已成為新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動(dòng)力，各領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的重要路徑之一就是與信息技術(shù)相結(jié)合。作為人類社會(huì)正常運(yùn)行和發(fā)展的重要基礎(chǔ)保障，能源產(chǎn)業(yè)在自身發(fā)展迭代的同時(shí)，不斷與信息技術(shù)深入融合，如將信息技術(shù)用于數(shù)據(jù)中心節(jié)能，將信息技術(shù)應(yīng)用于油氣勘探和開采，基于信息技術(shù)的虛擬電廠，以及將信息技術(shù)應(yīng)用于太陽能發(fā)電及風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)等。作為通識(shí)性能源技術(shù)課程，面對(duì)新形勢和新任務(wù)，應(yīng)積極響應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國家需求，不斷深化能源類工程教育改革，應(yīng)結(jié)合通識(shí)教育特點(diǎn)，合理更新和設(shè)置課程內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)[5-6]。

本文依據(jù)通識(shí)教育理念，以技術(shù)應(yīng)用廣泛、技術(shù)模塊典型、裝置規(guī)模適中、展示性強(qiáng)的太陽能光伏發(fā)電裝置——智能追光光伏發(fā)電裝置——的實(shí)踐教學(xué)建設(shè)為例，從建設(shè)背景、建設(shè)內(nèi)容以及考評(píng)方案設(shè)計(jì)三方面，深入探討了如何在傳統(tǒng)能源實(shí)踐教學(xué)中融入信息傳感、智能控制、電子電路、數(shù)控加工等多學(xué)科、現(xiàn)代化技術(shù)內(nèi)容，如何在環(huán)環(huán)相扣的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)中保證不同專業(yè)背景學(xué)生都能完成所有教學(xué)環(huán)節(jié)，以及如何從考評(píng)方案上激勵(lì)學(xué)生各展所長、協(xié)作互學(xué)、發(fā)揮創(chuàng)造性。本實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目已用到我校能源類通識(shí)課程“能源技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐”中，教學(xué)反饋良好，是一種具有推廣價(jià)值的能源類通識(shí)課程實(shí)踐教學(xué)建設(shè)新思路。

1 智能追光光伏發(fā)電綜合實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)背景

帶有智能追光模塊的光伏發(fā)電裝置的制備涉及多門專業(yè)課程知識(shí)。我校與此密切相關(guān)的課程包括太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用、可再生能源與未來電力技術(shù)、可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略、機(jī)器學(xué)習(xí)在能源動(dòng)力工程中的應(yīng)用、機(jī)電智能控制工程、智能控制、制造技術(shù)、電工與電子技術(shù)等十幾門課程。這些課程多以課堂講授為主，雖然其中一些課程安排有隨堂實(shí)驗(yàn)，但其目的是加強(qiáng)學(xué)生對(duì)某一特定知識(shí)點(diǎn)的掌握。如何使學(xué)生將相對(duì)獨(dú)立的專業(yè)課知識(shí)進(jìn)一步融會(huì)貫通、實(shí)現(xiàn)綜合運(yùn)用，是“新工科”教育賦予每個(gè)專業(yè)教師的重要任務(wù)，也是構(gòu)建與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求相適應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)體系的必然要求[7]。

鑒于能源領(lǐng)域綜合工程實(shí)踐教學(xué)的重要性，不少高校的能源與動(dòng)力工程專業(yè)對(duì)此進(jìn)行了大量研究與探索。2015年，陸曉東等[8]介紹了光伏專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)情況，闡述了依據(jù)實(shí)際產(chǎn)業(yè)中的崗位需求進(jìn)行專業(yè)體系課程設(shè)置的理念，提出的具體實(shí)踐教學(xué)模塊包括晶硅片加工及晶硅電池加工、電池組封裝等，較全面地覆蓋了傳統(tǒng)太陽能光伏電池的制造技術(shù)。李媛等[9]將電氣實(shí)踐與新能源實(shí)踐相結(jié)合，開發(fā)了全開放式新能源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)新能源的發(fā)電特性及并網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了獨(dú)具特色的實(shí)踐教學(xué)模塊。袁小平等[10]研制了包括光電轉(zhuǎn)換、風(fēng)電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換三部分內(nèi)容的綜合演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠很好地演示新能源轉(zhuǎn)化和利用的過程及原理，更直觀、生動(dòng)地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。鄧清華等[11]圍繞能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢和人才需求，建設(shè)了綜合性多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，涵蓋熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試、熱力調(diào)度控制以及熱力設(shè)備教學(xué)演示等技術(shù)模塊，為能源動(dòng)力專業(yè)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供了教學(xué)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)及科研創(chuàng)新平臺(tái)。宋關(guān)羽等[12]集成了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電、蓄電池儲(chǔ)能及可控負(fù)荷等產(chǎn)—儲(chǔ)—用一體化微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，取得了較好的教學(xué)效果。

綜上，這些能源技術(shù)領(lǐng)域的綜合實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目具有較高的知識(shí)深度，較適于配合專業(yè)課開展，而不大適用于通識(shí)教育。而且這些已有的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目大多側(cè)重能源系統(tǒng)及電網(wǎng)技術(shù)，以智能追光模塊的光伏發(fā)電裝置作為實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的探索不多。近年來，太陽能光伏發(fā)電效率不斷提升，發(fā)電成本持續(xù)降低，裝機(jī)容量不斷增加。太陽能被普遍認(rèn)為是最有潛力取代化石燃料成為社會(huì)主能源的可再生能源，開展光伏裝置的實(shí)踐教學(xué)具有現(xiàn)實(shí)意義。此外，以太陽能光伏發(fā)電裝置為實(shí)踐項(xiàng)目，可以將所涉及的數(shù)控加工、電子電路、人工智能等實(shí)踐技術(shù)有機(jī)地串聯(lián)起來，使學(xué)生在項(xiàng)目規(guī)劃驅(qū)動(dòng)下很好地掌握所涉及的諸多知識(shí)點(diǎn)。

2 智能追光光伏發(fā)電綜合實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)內(nèi)容

智能追光光伏發(fā)電綜合實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目是我校通識(shí)選修課“能源技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐”的一部分，設(shè)計(jì)8個(gè)學(xué)時(shí)完成。結(jié)合通識(shí)教育的課程設(shè)置理念，以技術(shù)融合與學(xué)科交叉為指導(dǎo)思想，以智能追光光伏發(fā)電裝置為最終產(chǎn)出，以學(xué)生依項(xiàng)目需求進(jìn)行自主探索為基礎(chǔ)，確定了面向能源類通識(shí)課程的智能追光光伏發(fā)電裝置綜合實(shí)踐內(nèi)容體系，如圖1所示。

本綜合實(shí)踐包括8個(gè)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生以太陽能光伏發(fā)電裝置為基礎(chǔ)，以智能追光模塊為必選疊加功能，以數(shù)據(jù)顯示模塊、電流電壓測試模塊、溫度測量模塊、整流限流模塊、工作狀態(tài)指示模塊等為可選疊加功能，各學(xué)生小組要自主完成從背景調(diào)研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工、電子電路設(shè)計(jì)與連接、程序設(shè)計(jì)與編制、產(chǎn)品組裝與性能測試優(yōu)化以及項(xiàng)目結(jié)題與成果展示的整個(gè)工程制造過程。在每一個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容設(shè)置上，兼顧了綜合實(shí)踐的主線內(nèi)容及其與相關(guān)專業(yè)課程知識(shí)的融會(huì)貫通。針對(duì)各實(shí)踐環(huán)節(jié)，設(shè)置了相應(yīng)的考核內(nèi)容，指導(dǎo)教師將在一定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)學(xué)生實(shí)踐任務(wù)的完成情況進(jìn)行考查和評(píng)定，督促他們按時(shí)保質(zhì)完成綜合實(shí)踐項(xiàng)目。

圖1 面向能源類通識(shí)課程的智能追光光伏發(fā)電裝置綜合實(shí)踐內(nèi)容體系

值得注意的是，與通常的認(rèn)知性、驗(yàn)證性實(shí)踐項(xiàng)目相比，智能追光光伏發(fā)電綜合實(shí)踐的內(nèi)容較多，且所含的8個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)。因此，如何保證學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)踐內(nèi)容，從而確保各學(xué)生小組順利完成整個(gè)綜合實(shí)踐項(xiàng)目，是該教學(xué)項(xiàng)目實(shí)施需重點(diǎn)關(guān)注的問題。此外，實(shí)踐項(xiàng)目的完成不應(yīng)作為加給學(xué)生的強(qiáng)制任務(wù)，而應(yīng)充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，發(fā)揮其學(xué)習(xí)主動(dòng)性。為此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與學(xué)生反饋，在課程設(shè)計(jì)中采取了以下三項(xiàng)激勵(lì)與保障措施。

（1）根據(jù)實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容安排及工作量大小，將個(gè)人操作與團(tuán)隊(duì)協(xié)作相結(jié)合，提升每個(gè)學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。其中，產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)、產(chǎn)品功能拆解、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品功能效果檢測4個(gè)環(huán)節(jié)的大量工作需要軟件操作及小組討論，因此每名學(xué)生都應(yīng)有獨(dú)立的作品提交。而機(jī)械結(jié)構(gòu)加工、電子電路設(shè)計(jì)與連接、控制程序設(shè)計(jì)與編制以及裝置組裝與調(diào)試4個(gè)環(huán)節(jié)則涉及具體加工和裝配技術(shù)，難度相對(duì)較高、工作量較大，因此實(shí)行一名組員負(fù)責(zé)、其他組員協(xié)助的合作模式。同時(shí)，要求小組成員至少作為 1項(xiàng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的負(fù)責(zé)人，各小組成員產(chǎn)品的貢獻(xiàn)度會(huì)體現(xiàn)在期末成績中。

（2）在每個(gè)課程環(huán)節(jié)都為學(xué)生提供標(biāo)準(zhǔn)件，以確保各學(xué)生小組都能夠按照教學(xué)計(jì)劃完成實(shí)踐內(nèi)容。如在電子電路設(shè)計(jì)與連接環(huán)節(jié)，提供標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的 UNO R3電路板（見圖2(a)），學(xué)生可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行最基本功能的電路連接。而在基于Arduino平臺(tái)的控制程序設(shè)計(jì)與編制環(huán)節(jié)，則為學(xué)生提供可實(shí)現(xiàn)最基本追光功能的程序代碼（見圖 2(b)）。由于通識(shí)課所面對(duì)的往往是非專業(yè)學(xué)生，提供這些標(biāo)準(zhǔn)件能夠保證部分專業(yè)相距較遠(yuǎn)、相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)較薄弱的學(xué)生小組能夠跟上實(shí)踐課進(jìn)度，完成所有環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。

（3）針對(duì)部分學(xué)生追求卓越的需求以及近專業(yè)學(xué)生學(xué)有余力的情況，本實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)置中還提供了附加功能選單，可對(duì)項(xiàng)目挑戰(zhàn)度做一定程度的提升?？蛇x的附加功能項(xiàng)目包括電動(dòng)抽水模塊、電機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電流/電壓測試模塊、溫/濕度測量模塊、傳感器模塊及工作狀態(tài)指示模塊（見圖 3）等。這些模塊的選擇會(huì)使整個(gè)光伏發(fā)電裝置，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)和程序編制上增加一定的復(fù)雜度，但經(jīng)評(píng)估都處在學(xué)生跳一跳能實(shí)現(xiàn)的范圍。所列功能選單只供學(xué)生參考，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)本小組的知識(shí)結(jié)構(gòu)和技術(shù)特長，自行添加更有創(chuàng)意的功能模塊，從而呈現(xiàn)有特色、有創(chuàng)新性的太陽能光伏發(fā)電裝置產(chǎn)品。

圖2 綜合實(shí)踐教學(xué)過程中提供的標(biāo)準(zhǔn)件

圖3 智能追光光伏發(fā)電裝置的可選附加功能模塊

值得一提的是，這些附加功能的實(shí)現(xiàn)均可通過在所提供的標(biāo)準(zhǔn)件基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展和修改來完成。如圖2(a)中所提供的Arduino UNO R3電路板，通過接線的合理規(guī)劃，可實(shí)現(xiàn)功能模塊的電路接入。對(duì)電子電路有特殊需求或者特殊興趣的小組，可利用課程配套的課外學(xué)時(shí)在電子工藝實(shí)驗(yàn)室自行“量身定做”電路板。對(duì)于圖 2(b)所提供的標(biāo)準(zhǔn)程序，各小組業(yè)可根據(jù)附加功能的設(shè)計(jì)要求，自主對(duì)程序相應(yīng)功能語句進(jìn)行修改并進(jìn)行調(diào)試迭代。這些活動(dòng)使學(xué)生對(duì)裝置的技術(shù)內(nèi)涵有了更深入的理解和掌握。

3 綜合實(shí)踐教學(xué)考評(píng)的多維度及梯度式方案設(shè)計(jì)

為了充分發(fā)揮每位選課學(xué)生的專業(yè)知識(shí)特長，激勵(lì)他們深度參與動(dòng)手實(shí)踐，提升工程思維和實(shí)踐能力[13-14]，本實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)了三個(gè)維度的綜合考評(píng)方案，包括課堂表現(xiàn)、展示匯報(bào)及產(chǎn)品完成情況。

課堂表現(xiàn)占比為20%，由每個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的指導(dǎo)教師針對(duì)每位學(xué)生的課堂表現(xiàn)給出考評(píng)成績，主要考核點(diǎn)是學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和課堂參與度。由于整個(gè)綜合實(shí)踐以工程項(xiàng)目方式管理，旨在使學(xué)生對(duì)工程項(xiàng)目的全流程有所了解和體驗(yàn)，因此展示匯報(bào)占比為30%，包括開題報(bào)告和結(jié)題報(bào)告兩部分，均以小組為單位進(jìn)行，要求完成演示文稿答辯并提交報(bào)告文檔。其中開題報(bào)告包括產(chǎn)品應(yīng)用背景、設(shè)計(jì)思路、預(yù)期成果、創(chuàng)新點(diǎn)、小組分工、工程任務(wù)拆解、進(jìn)度管理及成本預(yù)算等內(nèi)容，目的是確保學(xué)生在準(zhǔn)備開題報(bào)告過程中可以對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行深入思考和規(guī)劃。在項(xiàng)目產(chǎn)品整體完成后，要求學(xué)生針對(duì)開題報(bào)告中各項(xiàng)內(nèi)容的落實(shí)情況進(jìn)行展示，并對(duì)完成項(xiàng)目過程中遇到的問題進(jìn)行討論和總結(jié)。

產(chǎn)品完成情況占比為50%，在學(xué)生總成績中舉足輕重，同時(shí)這部分的考評(píng)方案應(yīng)對(duì)學(xué)生參與的主動(dòng)性和小組產(chǎn)品的創(chuàng)新性具有激勵(lì)作用。為使30%~50%的學(xué)生能在完成必選追光模塊功能的基礎(chǔ)上，自主挑戰(zhàn)更有難度的實(shí)踐項(xiàng)目，考評(píng)中計(jì)入自選功能模塊的完成情況，并對(duì)產(chǎn)品整體完成情況設(shè)置了梯度式的考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。梯度式考評(píng)規(guī)則中相鄰檔的分值差距為總分的10%，對(duì)學(xué)生有較好的激勵(lì)效果，普遍認(rèn)為這種考評(píng)方式有助于推動(dòng)學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)得到更大收獲。

表1 智能追光光伏發(fā)電綜合實(shí)踐產(chǎn)品完成情況梯度式考評(píng)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)語

在對(duì)高校能源技術(shù)綜合實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研分析基礎(chǔ)上，根據(jù)教育部及我校對(duì)工科教育的最新要求，對(duì)學(xué)生在能源技術(shù)類通識(shí)課程實(shí)踐學(xué)習(xí)過程中的“產(chǎn)出”內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)方法及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了思考和驗(yàn)證。以太陽能光伏發(fā)電實(shí)踐教學(xué)為例，提出了以智能追光光伏發(fā)電裝置為教學(xué)產(chǎn)出，以能源技術(shù)、電子電路技術(shù)、智能控制技術(shù)等綜合實(shí)踐技術(shù)為實(shí)現(xiàn)方法的綜合實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，并提出多維度、由學(xué)生自主選擇的梯度式考評(píng)標(biāo)準(zhǔn)。教學(xué)實(shí)踐表明，該綜合實(shí)踐項(xiàng)目可使不同專業(yè)背景的學(xué)生，在工程實(shí)踐能力、分析和解決問題能力以及理論聯(lián)系實(shí)際能力方面得到提升，從而有效提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。課程團(tuán)隊(duì)將通過教學(xué)反饋不斷迭代優(yōu)化面向通識(shí)教育綜合實(shí)踐的內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方式方法、過程監(jiān)控以及考核標(biāo)準(zhǔn)，使我們的綜合實(shí)踐教學(xué)模塊為培養(yǎng)兼具專業(yè)知識(shí)、創(chuàng)造性思維及溝通協(xié)作能力的復(fù)合型人才做出更多貢獻(xiàn)。