工程教育改革戰(zhàn)略CDIO在新能源專業(yè)人才培養(yǎng)中的應(yīng)用

黃丹 司家勇 張立強(qiáng) 唐若晗

關(guān)鍵詞：新能源;CDIO工程教育;人才培養(yǎng);教學(xué)改革

石油、天然氣、煤炭等燃料能源的逐日縮減使全球能源的供應(yīng)捉襟見肘。而諸多能源發(fā)展的制約因素又促使太陽能、風(fēng)能和核能等新能源在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著重要地位。新能源技術(shù)消耗低，效率高，環(huán)境污染小，隨著我國對綠色節(jié)能環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，大力發(fā)展新能源是未來的趨勢，國家也出臺了相應(yīng)的鼓勵措施，新能源行業(yè)對人才的需求保持一個持續(xù)的增長。而培養(yǎng)社會急需的與新能源專業(yè)相關(guān)的高素質(zhì)工程技術(shù)人才，是推動該專業(yè)發(fā)展的重要因素。

一、新能源產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及存在的問題

我國新能源如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等資源種類豐富且儲存量大，非常有利于開發(fā)利用。在國家政策的支持鼓勵下，新能源尤其是太陽能和風(fēng)能的發(fā)展非常迅速，我國光伏和風(fēng)電累計裝機(jī)容量逐年遞增，形成了一系列新能源產(chǎn)業(yè)鏈，到2016年，各種可再生能源產(chǎn)業(yè)的工作崗位高達(dá)980萬。

風(fēng)力發(fā)電是技術(shù)較為成熟且增長最快的新能源。2016年，累計風(fēng)電裝機(jī)容量和新增容量排名第一的均是中國，其次是美國和德國。風(fēng)能的利用對環(huán)境污染很小，在某些地區(qū)，風(fēng)能發(fā)電成本已低于其他發(fā)電機(jī)。但是風(fēng)電行業(yè)棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重，2017年，全國風(fēng)電棄風(fēng)電量為419億千瓦時，同比減少78億千瓦時，棄風(fēng)率有所好轉(zhuǎn)，同比下降了5.2%。

我國的太陽能資源從世界范圍來看是相當(dāng)豐富的。目前，我國太陽能熱水器銷售量以及光伏電池產(chǎn)量均居世界首位。2005年以前，我國太陽能產(chǎn)業(yè)的原材料多晶硅幾乎完全依賴進(jìn)口，到2017年，就占據(jù)了全球近50%市場份額，電子級多晶硅也實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。電池片及組件生產(chǎn)規(guī)模連續(xù)10余年居全球首位。

水電是利用時間最長，技術(shù)相對簡單也最為成熟的一種可再生能源。無論是理論儲量還是可能開發(fā)的水資源量，我國均居世界首位。且水能發(fā)電與燃煤發(fā)電相比，二氧化碳的減排量是最高的。但目前我國水電開發(fā)利用程度遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家水平，尤其是小容量水電的開發(fā)利用較為缺乏。

雖然我國新能源科學(xué)與工程技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，有了長足的進(jìn)步，但我國的整體水平與西方發(fā)達(dá)國家相比還有一定差距，對于先進(jìn)的新能源裝置我國很少擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。因此培養(yǎng)一批具有一定創(chuàng)新精神和較強(qiáng)實(shí)踐能力的新能源工程技術(shù)人才很有必要。

二、教學(xué)改革

同西方發(fā)達(dá)國家相比，我國在新能源人才培養(yǎng)方面的起步較晚。雖然培養(yǎng)的新能源專業(yè)人才在一定程度上緩解了新能源產(chǎn)業(yè)對人才的需求，但還不能滿足新能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。尤其是工程技術(shù)人才實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的缺乏，制約了新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為此我們需要對傳統(tǒng)的教學(xué)方式和理念進(jìn)行改革，而借鑒CDIO教學(xué)模式不失為一種明智的方法。

（一）CDIO工程教育

CDIO是由著名的麻省理工學(xué)院（Massachusetts InstituteofTechnology，MIT）和瑞典皇家理工學(xué)院（Kungliga Tekniskah～gskolan，KTH）等四所大學(xué)經(jīng)過四年的探索研究后創(chuàng)立的。CDIO是Conceive構(gòu)思、Design設(shè)計、Implement實(shí)現(xiàn)和Operate運(yùn)作等四個單詞縮寫而成。它是以工程項(xiàng)目從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，包括項(xiàng)目的產(chǎn)品、生產(chǎn)流程以及系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)施和運(yùn)行等。在CDIO教育理念中，學(xué)生通過主動的、實(shí)踐的和課程之間的有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)和獲取工程能力，并在基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊能力、工程系統(tǒng)能力四個方面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

（二）課堂教學(xué)方式改革

現(xiàn)有的課堂教學(xué)方式是教師直接向?qū)W生傳遞教學(xué)信息。存在的缺點(diǎn)是學(xué)生的主動性差，且較難培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。要改變這種模式，教師就要充分發(fā)揮自身的主導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生積極性，注重與學(xué)生的互動。比如多運(yùn)用多媒體和網(wǎng)絡(luò)資源，給學(xué)生動態(tài)展示各類新能源在實(shí)際中的應(yīng)用，這樣學(xué)生的知識面會更廣，記憶也會更深刻。再比如通過實(shí)物模型的演示和各部件的講解，使學(xué)生對模型能夠有更清晰明了的理解，也更方便去理解比較抽象的東西。還可以將學(xué)生分組，以小組討論，上臺演講等方式，讓學(xué)生對工程實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究性學(xué)習(xí)。同時，在平時的教學(xué)中，適當(dāng)增加技術(shù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐部分比重，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐中探索新知識，掌握新技能。

由于新能源科學(xué)與工程是工科專業(yè)，知識相對較為枯燥。因此在教學(xué)過程中宜多采用引入式或情景式教學(xué)。通過給出相關(guān)的知識圖片、視頻、動畫或?qū)嵨锬Ｐ偷葋硪胝n堂知識點(diǎn)，提出相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生思索，并自然而然地導(dǎo)入本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容。比如在介紹新能源材料中的太陽能光伏電池時，與其直接給出太陽能電池的定義，不如先給出一個太陽能電池工作的動圖，從它的工作過程介紹每個部分，然后讓同學(xué)們思考什么樣的是太陽能電池，太陽能電池有什么優(yōu)點(diǎn)等，最后再給出準(zhǔn)確的太陽能電池定義。再比如在介紹氫能時，可以先通過圖片展示目前我國面臨的能源困局以及由于化石燃料燃燒造成大氣污染嚴(yán)重，然后提出問題，怎樣才能避免這種現(xiàn)象發(fā)生。接著講述，一方面化石能源不是清潔能源，因而造成污染嚴(yán)重，其次化石能源不是可持續(xù)能源，終將耗盡，因此發(fā)展可再生新能源刻不容緩。最后再引導(dǎo)學(xué)生思考哪些是可再生新能源，從而引入本課程的內(nèi)容——?dú)淠?。通過引入式或情景式教學(xué)，可以使學(xué)生學(xué)習(xí)時更有積極性，并發(fā)揮想象力，讓學(xué)生通過思考來掌握課程知識。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式為面對面教學(xué)，2020年教學(xué)模式發(fā)生改變，老師們普遍采用騰訊課堂，學(xué)習(xí)通等教學(xué)軟件以及慕課，愛課程等網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行線上教學(xué)。雖然線上教學(xué)存在一定的不足，如無法實(shí)時關(guān)注學(xué)生動態(tài)，師生的交流和互動存在一定的困難等，但從去年的線上教學(xué)體驗(yàn)來看，線上教學(xué)依然是可取的，或者說混合式教學(xué)很有可能成為未來教學(xué)的主要手段。采用線上教學(xué)的模式，可以很方便地設(shè)置隨堂測試，批改作業(yè)，查看學(xué)生課前預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)情況，讓學(xué)生帶著疑問來學(xué)習(xí)課程知識，比面對面教學(xué)更有效率，并且能夠做到痕跡管理，所有的作業(yè)批改、測試、簽到等都可以下載存檔。