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新工科与“双碳”背景下新能源转换技术的科教融汇探索与实践

2024-08-08 67 上传者：管理员

摘要：在新工科建设中，开展多学科交叉融合的课程体系、教研团队、实践平台、学生创新创业等建设是理工科专业发展与改革的必然趋势。面向国家创新驱动发展战略，开发新能源转换技术是实现碳达峰、碳中和目标的有效途径。在新工科和“双碳”背景下，将新能源技术研究成果融入教学内容，探索多学科交叉拔尖创新人才培养的教学模式和教学方法，激发学生兴趣、挖掘学生潜力、提升学生内生动力，从而培养勇于探索、积极进取的高素质创新实践人才。

关键词：
创新人才
双碳
实践教学
成果转化
新工科
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人才培养和科学研究是高等学校两项至关重要的任务。为了有效提升人才培养质量和科学研究水平，要建立一种有机结合的教学科研一体化发展模式[1-3]。目前，高等学校的教学内容与社会需求结合仍不够紧密，教学的模式、手段与方法也无法切合实际需要[4-6]。长期以来，以科研为主导的大环境导致教师缺乏对教育教学的深入思考和探索，形成了教学与科研分离的局面。而且，高等学校的科研成果向实际生产力的转化程度偏低[6]，更鲜见其向教学资源转化的案例[7-8]。这种情况必然导致学生在毕业走出校园后无法顺利适应职业环境和社会需求。

为此，东北师范大学（以下简称我校）应用物理学科在学校和学院的大力支持下，依托吉林省先进能源开发与应用创新重点实验室在新能源开发领域的科研优势，开展教育教学改革与创新工作，构建了新能源开发实践教学体系与创新平台，将新能源转换、测试与控制技术的最新研究成果转化为教学内容，为学生提供课堂教学中的课程思政素材以及实践培养环节中的综合性实训模块和创新性研究课题，有效激发了学生的学习兴趣，获得了学生的一致好评。

1、科研项目与成果简介

我校吉林省先进能源开发与应用创新重点实验室面向国家新能源开发重大需求和“双碳”目标，主要开展海洋能发电关键技术、偏低风速风能发电技术、多能互补发电系统、海洋监测仪器开发等领域的研究工作，已承担和完成国家重点研发计划子课题、国家科技支撑计划课题、国家重大科技成果转化课题等科研课题20余项。在新能源技术开发领域，已取得多项原创性研究成果，部分成果已成功实现转化应用，形成了多学科交叉融合的新能源优势特色研究方向。

1.1 代表性理论成果

在能量捕获装置的水动力性能研究方面，将经典的BEM理论与CFD方法结合，引入叶片后掠设计和尾翼偏航设计思想，创新性地设计了能够有效利用双向潮流能的自适应变桨距水轮机和整体偏航式水平轴高效水轮机，从理论分析、数值模拟、模型实验和实物样机多角度进行了验证，获得了多项授权发明专利，研究论文发表在Energy等权威期刊上。

在能量管理与控制方面，将模糊PID控制、遗传算法、神经网络等控制方法应用于新能源系统，创新性地设计了基于电传动技术的风力机主动偏航式尾翼调节系统，有效实现了海洋潮流能与海岛风能的能量调节与避灾，获得了多项授权发明专利，研究成果发表在Journal of Energy Engineering等专业期刊上。

1.2 典型应用成果

实验室通过承担一系列海洋能源领域的科研攻关和应用转化项目，破解了海洋环境下电机密封绝缘以及自润滑轴承等关键技术，实现了潮流能发电装备的高效可靠运行。在海洋仪器供电领域，已开发应用系列海洋能发电设备，助力边防安全守护与海洋资源调查。在海岛供电领域，已开发系列离网型海岛风电装备，解决了驻岛军民必需的生活用电问题，获得海洋工程科学技术奖二等奖。首创300 kW外转子直驱式永磁潮流能发电机组，为大功率潮流能并网发电装备的推广应用奠定了技术基础，获得海洋科学技术奖一等奖。

此外，实验室自主研制了潮流能模拟试验水槽及其测试与控制平台，解决了有限实验环境下的潮流能发电原理验证、性能优化等问题，为新能源开发领域的前沿技术探索提供了创新实践平台。同时，该装置已成为学生实践教学环节中开展实习见习、毕业设计、科研立项、学术竞赛等活动的重要平台。

2、科研成果的教学转化

将科研成果转化为教学资源，是高等学校推进科教融汇机制构建的重要举措[9-10]。探索与之相对应的教学模式与教学方法，将有效提升创新人才培养质量，培养与社会需求接轨的高素质人才[11-12]。我校应用物理学科已通过一系列教学尝试，将新能源技术的最新研究成果应用于课堂与实践教学，为创新人才培养开展了积极有效的探索工作。

2.1 课程思政素材

目前，全球能源构成仍由化石能源主导，其开发利用面临着储量枯竭和环境污染等问题。深入了解能源与可持续发展的关系，对于我们联系生产生活实际、树立科学的世界观、形成可持续发展的意识等十分必要。尽管提升传统化石能源的利用效能在一定程度上有助于缓解上述问题，但更为关键的是开发新能源，这既可以改善能源结构、保护生态环境，也对实现经济社会可持续发展和“双碳”目标具有非常重要的现实意义。

新能源发电作为绿色低碳的能源形式，应对着全人类面临的共同挑战，在推动可持续发展方面发挥着至关重要的作用。结合我校新能源开发历程，提炼思政元素，挖掘思政素材，融入“现代电力电子技术”“新能源系统综合实验”等课程思政教学，培养学生的节能环保意识，加深他们对循环经济发展的认知，深化他们的社会责任感、专业自豪感和职业使命感。

2.2 实验课程教学

实验课程教学是学生创新实践能力培养的关键环节。新能源发电系统中的电能变换与控制技术涵盖功率半导体器件、驱动与保护技术、功率变换技术、PWM控制技术等，为新能源发电系统的高效电能变换与控制提供关键技术支撑。将新能源发电系统中的电能变换与控制环节引入“电源技术及应用”“现代电力电子技术”等课程的实践教学，与课程的核心知识点对应，并作为器件功能测试、功率变换与控制等实验板块。实验内容的开展，使学生更加深刻地理解功率半导体器件及应用理论知识，并能够将其灵活应用于电能变换，助力人才培养环节中节能减排意识和技术应用能力的提升。

2.3 科研创新项目

依托团队的科研优势，从科研项目中提炼细分的科学问题，吸纳学生科研团队从事力所能及的研究工作，能够有效促进学生科研创新能力的培养，同时有助于教师科研工作的推进。结合海洋新能源系统中的高效能量转换、远程数据通信等关键技术，指导学生申请获批国家级大创项目“基于LoRa扩频通信技术的海冰漂移监测系统研究”“基于载波调制技术的水下数据通信系统开发”等。创新训练项目的材料撰写、答辩申请、中期检查和结题验收，不仅能使学生熟悉科研的基本流程，还能培养他们的科研实践能力。

2.4 学科竞赛

学科竞赛是学生对知识掌握程度的最直接体现方式之一，也是培养学生综合能力的一种高效途径。以竞赛的形式激发学生将理论与实际相结合，通过实践活动发现、分析和解决问题，提升其创新意识、实际操作能力以及团队协作精神等。学院建立的交叉创新人才培养学科竞赛激励机制，通过开展更具探索性、创造性和颠覆性的主题活动，助力学生创新实践能力的培养。通过挖掘科研项目中的关键科学与技术问题，围绕“双碳”目标，提炼了一系列前沿性创新创业主题项目，在“互联网+”“挑战杯”等高水平竞赛中屡创佳绩，极大地推动了学生在严谨求实的学习态度、高效互利的团队协作意识，以及勇于探索、积极进取的科学精神等方面的培养。

2.5 毕业设计

毕业设计是检验学生对所学知识和技能的综合运用能力的重要过程。结合实验室的科研特色和资源优势，在双向潮流能有效利用、发电机可靠运行、电能变换与功率跟踪控制、远程数据传输与控制等方面进行毕业设计选题。所确立课题具有较强的综合性和创新性，学生通过查阅文献，结合实验室研究成果和方法，在导师的指导下开展研究工作。根据毕业设计评价结果和学生反馈可知，将科研成果引入毕业设计能够充分调动学生在研究思路和方法上的主动性、积极性和创新性，培养学生初步的科研能力，塑造学生积极务实的科研态度，提升学生综合运用理论知识分析和解决实际问题的能力。

3、成效与经验

我校新能源团队自组建以来就开始探索将科研成果转化为教学内容的模式与方法，并已辐射到学科其他团队。近年来，应用物理学科在深化科教融汇、推动教育教学发展方面取得了显著成效，也积累了大量宝贵经验，主要包括以下几个方面：

3.1 专业知识综合应用

将科研成果融入教学内容，不仅深化了学生对所学专业知识的理解，还成功激发了学生的学习兴趣，显著增强了他们的自主学习能力和综合实践能力。学生普遍认为这种方式的内容更丰富、实用性更强，能够提供良好的学习体验。因此，学生更容易对这样的教学方式产生浓厚的学习兴趣。此外，学生对这类课程内容的评教分数有明显提高的趋势。

3.2 创新实践能力培养

将科研成果融入教学内容，激发了学生对知识的追求欲望，增强了学生的独立学习能力，促进了学生创新潜能的培养。学生得以积极主动地根据个人兴趣爱好选择各类学术竞赛和科研项目，多渠道参与实践活动。近五年，学生参加学术竞赛的类别以及获奖比例和层次显著提升，获批科研项目数量也有所增加。总体而言，学生的科研和创新能力得到了显著提高。

3.3 教师教学水平与效果

教师将研究成果融入教学内容，不仅丰富了教育教学的内涵，还为学生提供了科研方面的经验和见解，使得学生在掌握基础理论知识的同时，能够更好地将其应用于实际工作。从近五年毕业设计选题的新颖性和实用性可知，毕业论文的研究水平呈逐年上升趋势，毕业论文的质量也在持续不断地提高。

4、结论与展望

在新工科和“双碳”背景下，将新能源技术研究成果转化为教学内容，通过尝试多学科交叉创新人才培养的教学模式和教学方法，为学生提供更贴近实际的学习体验，深化了他们对所学专业知识的理解。这不仅有效提升了学生的学习能力、思考能力和实践能力，还激发了他们的求知欲，强化了创新思维的培养。同时，这种尝试也促进了教师教学水平和教学效果的不断提升，最终推动了学科教育教学与科学研究水平的互利共赢。

未来，基层教学组织应进一步改变教学方式，强化多学科交叉融合的课程体系、教研团队、实践平台、学生创新创业等建设。通过采用新的授课方式和多样化的互动模式，将科研成果融入教学内容，勇于探索创新，敢于开展“破冰”行动，充分发挥科研成果推动专业知识更新的作用，最大限度地利用科研平台的丰富资源，开展多维度、多层次的教学实践活动，全方位提升拔尖创新人才培养质量，持续培养并输出适应社会发展需求的高素质创新实践人才。

参考文献:

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[11]王甫,章军锋,张晓红,等.“双一流”背景下学院层面科教融合的思考与实践:以中国地质大学(武汉)培养地质学拔尖创新人才为例[J].中国地质教育,2018,27(4):5-8.