李蘊(yùn)琪

（北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

引言

氫（H）作為元素周期表中排名第一的元素，可以形成世界上最輕的氣體氫氣（H2）。當(dāng)人類在選擇燃料用于維持現(xiàn)代文明體系時(shí)，能量密度是一個(gè)重要的考察指標(biāo)，特別是作為運(yùn)載工具的能源，單位質(zhì)量能量大就意味著能驅(qū)動(dòng)運(yùn)載工具行駛更遠(yuǎn)的距離。由于相對(duì)分子質(zhì)量小，與其他常用燃料（如甲烷、氨等）相比，氫氣具有更大的單位摩爾和單位質(zhì)量的燃燒反應(yīng)化學(xué)熱值，無疑是非常有益的燃料[1]。

氫能是指通過發(fā)生反應(yīng)將氫氣中儲(chǔ)存的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成熱能或電能，其反應(yīng)產(chǎn)物通常是無毒無污染的水[2]。全球已有16個(gè)國家制定了國家氫能戰(zhàn)略，占世界經(jīng)濟(jì)總量75%的國家和聯(lián)盟已經(jīng)有了明確的氫能發(fā)展戰(zhàn)略。我國已從國家層面開始布局，出臺(tái)了一系列國家級(jí)的戰(zhàn)略規(guī)劃。自2020年9月國家主席習(xí)近平向全世界宣布中國的“雙碳”目標(biāo)后[3]，我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已從燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展模式上升到了國家未來可再生新能源體系中的重要一員。2021年上半年中央企業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，我國已有超過三分之一的中央企業(yè)在布局氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，預(yù)計(jì)到2050年我國氫氣產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約12萬億元[4]，未來氫能產(chǎn)業(yè)對(duì)人才的需求量非常巨大。

氫能全產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)圖包括氫能端和燃料電池端產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要不同背景的人才。根據(jù)企業(yè)招聘職位統(tǒng)計(jì)，氫能產(chǎn)業(yè)需要的人才專業(yè)主要包括材料科學(xué)與工程類、化學(xué)工程及技術(shù)類、物理學(xué)類、材料類、化學(xué)類、交通運(yùn)輸工程類、機(jī)械工程類、動(dòng)力工程及工程熱物理類、熱能與發(fā)電工程類、電子類等。氫能產(chǎn)業(yè)對(duì)多元化專業(yè)人才的需求，對(duì)我國高等教育發(fā)展提出了新的要求。

2019年，教育部確定將氫能技術(shù)應(yīng)用（專業(yè)技術(shù)代碼：530309）列為9大增補(bǔ)專業(yè)之一，主要為氫能制造企業(yè)、氫燃料電池生產(chǎn)企業(yè)、氫能汽車生產(chǎn)企業(yè)、加氫站及氫能應(yīng)用領(lǐng)域的企業(yè)提供人才。由于缺少前期氫能專業(yè)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的積累，目前氫能專業(yè)人才培養(yǎng)還存在很多空白需要填補(bǔ)。本文從專業(yè)方向凝練、課程體系規(guī)劃、專業(yè)教材準(zhǔn)備及人才隊(duì)伍建設(shè)幾個(gè)方面初步探索了氫能專業(yè)人才培養(yǎng)方案[5]。

一、現(xiàn)有人才培養(yǎng)情況概述

在本學(xué)院人才培養(yǎng)體系中，還未將氫能作為一個(gè)完整的專業(yè)設(shè)置，專業(yè)發(fā)展方向及人才培養(yǎng)目標(biāo)不夠明確，缺少統(tǒng)一明晰的頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃。目前，包含氫能相關(guān)內(nèi)容的專業(yè)課程（如“汽車排放與控制”“動(dòng)力電池技術(shù)與應(yīng)用”“新能源汽車概述”）缺少統(tǒng)一的課程內(nèi)容規(guī)劃，課程知識(shí)點(diǎn)前后銜接不足，課程內(nèi)容多有重復(fù)。這樣既不利于培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)、全面的專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)和專業(yè)技術(shù)技能，也不利于鍛煉學(xué)生的思維水平和實(shí)踐應(yīng)用能力，嚴(yán)重制約了氫能專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。此外，師資隊(duì)伍較薄弱，缺少有經(jīng)驗(yàn)的教師，尚未形成“傳幫帶”的教師隊(duì)伍。

二、教學(xué)改革思路

根據(jù)學(xué)院在交通運(yùn)輸和新能源汽車專業(yè)方向的優(yōu)勢，整合現(xiàn)有教育資源和師資力量，凝練專業(yè)發(fā)展方向，提出教學(xué)目標(biāo)及核心知識(shí)點(diǎn)，推進(jìn)課程專用教材規(guī)劃建設(shè)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新性和協(xié)作精神的專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，具體改革思路闡述如下。

（一）強(qiáng)調(diào)校企協(xié)作育人

為了服務(wù)國家對(duì)氫能行業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，高等院校擔(dān)負(fù)著為行業(yè)發(fā)展培養(yǎng)急缺、急需人才的重要使命。通過加強(qiáng)與企業(yè)、地方政府及產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理部門的交流溝通，首先梳理出氫能行業(yè)未來短期、中期和長期發(fā)展中的人才需求情況，參照教育部2019年高校增補(bǔ)新專業(yè)氫能技術(shù)應(yīng)用的人才培養(yǎng)目標(biāo)，凝練出本專業(yè)發(fā)展方向，突出專業(yè)性和實(shí)踐性的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

（二）探索“本研一體化”課程體系建設(shè)

參照教育部規(guī)定“掌握氫能技術(shù)專業(yè)知識(shí)與技術(shù)技能”和工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合專業(yè)特色和優(yōu)勢，建立一套科學(xué)、系統(tǒng)的“本研一體化”課程體系。明確本科教學(xué)重基礎(chǔ)知識(shí)和理論，研究生教育強(qiáng)化應(yīng)用和實(shí)踐，在原有課程中統(tǒng)一梳理教學(xué)目標(biāo)和重點(diǎn)知識(shí)，推動(dòng)新課程的開設(shè)，完善課程體系建設(shè)。

（三）注重專業(yè)教材建設(shè)

目前，出版的相關(guān)書籍內(nèi)容更多是知識(shí)性的介紹，表現(xiàn)出來的共同特點(diǎn)是：需要具有一定化學(xué)或電化學(xué)基礎(chǔ)才能閱讀；書籍涵蓋的內(nèi)容太寬泛，缺少一定的深度，不適合作為教材使用；書中的知識(shí)點(diǎn)較空，缺少與氫能行業(yè)實(shí)踐應(yīng)用的結(jié)合；缺少典型實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)。書籍內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)不適合用作課程參考教材。在教學(xué)實(shí)踐過程中注意積累，提煉出符合人才培養(yǎng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)、思考題、例題和實(shí)驗(yàn)。

（四）增強(qiáng)師資隊(duì)伍培養(yǎng)

以習(xí)近平總書記在全國教育大會(huì)上的重要講話精神和《中國教育現(xiàn)代化2035》為指導(dǎo)，堅(jiān)持把立德樹人作為根本任務(wù)，完善專業(yè)師資隊(duì)伍建設(shè)，注重青年教師和骨干教師的培育，形成一套系統(tǒng)和長效的教師培育制度，提高教師隊(duì)伍綜合素養(yǎng)。

三、教學(xué)改革措施

針對(duì)現(xiàn)在急需大量專業(yè)型人才發(fā)展我國氫能產(chǎn)業(yè)的問題，根據(jù)提出的教學(xué)改革思路，形成了以下具體改革措施及效果（見圖1）。

圖1 改革措施框架圖

（一）以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，凝練專業(yè)發(fā)展方向

目前，已明確氫能專業(yè)緊密圍繞燃料電池汽車的核心部件氫燃料電池系統(tǒng)的前沿技術(shù)開展專業(yè)建設(shè)，建設(shè)面向氫燃料電池裝配、維護(hù)及設(shè)計(jì)、氫能應(yīng)用等工作的高素質(zhì)技術(shù)人才培養(yǎng)的課程體系、專業(yè)教材和師資隊(duì)伍，使專業(yè)發(fā)展方向與氫能行業(yè)需求相適應(yīng)。

（二）合理規(guī)劃課程體系，保證育人質(zhì)量

為了實(shí)現(xiàn)“本研一體化”的育人目標(biāo)，現(xiàn)在的課程體系已涵蓋了從大學(xué)二年級(jí)到研究生一年級(jí)的專業(yè)課程，同時(shí)輔以大學(xué)一年級(jí)的“大學(xué)化學(xué)”基礎(chǔ)課，即“大學(xué)化學(xué)”“車用先進(jìn)電池技術(shù)”“傳熱學(xué)”“動(dòng)力電池技術(shù)與應(yīng)用”，構(gòu)成了基礎(chǔ)和實(shí)踐應(yīng)用有機(jī)結(jié)合的專業(yè)知識(shí)體系?！按髮W(xué)化學(xué)”作為基礎(chǔ)課，已經(jīng)重點(diǎn)介紹了后續(xù)學(xué)習(xí)需要的電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)；在“車用先進(jìn)電池技術(shù)”課程中，安排一個(gè)章節(jié)介紹氫能開發(fā)演變歷程及關(guān)鍵技術(shù)，另外還有一整個(gè)章節(jié)介紹車用氫燃料電池技術(shù)概述；在專業(yè)課程“傳熱學(xué)”中，安排燃料電池?zé)峁芾韺?shí)例學(xué)習(xí)，有利于加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。為研究生開設(shè)了專業(yè)課“動(dòng)力電池技術(shù)與應(yīng)用”，更加深入和全面地向?qū)W生介紹燃料電池關(guān)鍵材料和關(guān)鍵技術(shù)。通過不同年級(jí)和不同深度課程的設(shè)計(jì)，初步構(gòu)建了面向培養(yǎng)氫能技術(shù)人才的課程體系。目前，我們的教改工作主要是對(duì)原有課程知識(shí)點(diǎn)的梳理和課程體系的構(gòu)建，初步探索氫能專業(yè)人才培養(yǎng)方案，隨著后續(xù)師資隊(duì)伍逐漸壯大，會(huì)增設(shè)集中講解氫能技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的課程?，F(xiàn)在已規(guī)劃好了“氫能應(yīng)用技術(shù)”課程大綱，以期幫助學(xué)生更系統(tǒng)、全面掌握氫能技術(shù)專業(yè)知識(shí)與專業(yè)技能。

采用多元化授課方式，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。所有課程以講授為主，同時(shí)引入課堂討論、多媒體學(xué)習(xí)和分組學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的上課熱情，鍛煉其思維創(chuàng)新能力。在“車用先進(jìn)電池技術(shù)”授課過程中，設(shè)計(jì)分組調(diào)研的環(huán)節(jié)，以組為單位進(jìn)行自主選題、資料查找、數(shù)據(jù)分析和總結(jié)、口頭匯報(bào)；在研究生課程“動(dòng)力電池技術(shù)與應(yīng)用”授課中，針對(duì)性地安排氫能產(chǎn)業(yè)專家講座，幫助學(xué)生開闊眼界，了解最新的行業(yè)發(fā)展動(dòng)向，使其深刻了解氫能專業(yè)的發(fā)展前沿。

（三）豐富專業(yè)教材，增強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用能力

由于現(xiàn)在出版的書籍都不適合用作課程教材，我們根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)，充分參考了多本書籍的內(nèi)容，編撰了符合課程體系建設(shè)要求的學(xué)習(xí)資料，包括基礎(chǔ)化學(xué)及電化學(xué)知識(shí)回顧、氫能開發(fā)及氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)，深入淺出地講解氫化工基礎(chǔ)、燃料電池基礎(chǔ)及氫能應(yīng)用技術(shù)等。這套學(xué)習(xí)資料的最大創(chuàng)新點(diǎn)有兩方面：每一章節(jié)結(jié)束后有思考題，幫助學(xué)生加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解；針對(duì)性地設(shè)計(jì)了綜合實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，規(guī)范學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫方法，強(qiáng)化氫能專業(yè)人才的實(shí)踐能力培養(yǎng)。

（四）強(qiáng)化師資隊(duì)伍建設(shè)，探索“校企”協(xié)同育人機(jī)制

由于氫能技術(shù)應(yīng)用專業(yè)是一個(gè)新興專業(yè)，專業(yè)授課教師嚴(yán)重不足，但是有相關(guān)科研背景的教師數(shù)量具有一定規(guī)模，其中以中青年教師為主，因此，特別為青年教師的發(fā)展制定了專項(xiàng)措施，請(qǐng)具有多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教師給予“一對(duì)一”的指導(dǎo)和幫助，為青年教師職業(yè)發(fā)展提供領(lǐng)航、護(hù)航幫助，同時(shí)支持青年教師積極參加行業(yè)內(nèi)教學(xué)研討交流，鼓勵(lì)創(chuàng)新和改革。教師隊(duì)伍長期穩(wěn)定、可持續(xù)的發(fā)展是氫能專業(yè)人才培養(yǎng)的根本。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們建立了教學(xué)資料庫，共建共享教學(xué)資源；同時(shí)，我們探索了校企協(xié)同育人機(jī)制，聘請(qǐng)了行業(yè)內(nèi)具有豐富經(jīng)驗(yàn)的工程師擔(dān)任授課教師，豐富實(shí)踐課程內(nèi)容，充分發(fā)揮實(shí)踐課程對(duì)學(xué)生綜合工程實(shí)踐素養(yǎng)的培養(yǎng)。

四、教學(xué)改革創(chuàng)新工作

（一）分組調(diào)研學(xué)習(xí)小組工作

由于授課方式主要以講授為主，為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，在高年級(jí)課程中引入了調(diào)研學(xué)習(xí)小組。通過啟發(fā)式、討論式和參與式教學(xué)方法，指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)最新燃料電池技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)。采用自主命題且不限制展示形式的方式，促使學(xué)生學(xué)習(xí)熱情高漲、調(diào)研內(nèi)容廣泛、準(zhǔn)備的展示內(nèi)容豐富、全面并具有創(chuàng)新性，有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的學(xué)習(xí)方法和思維方式。

（二）氫燃料電池綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)課可以幫助學(xué)生直觀、具體了解氫能和燃料電池工作原理，加深對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解。我們選取了最具代表性的氫燃料電池作為實(shí)驗(yàn)主題，綜合實(shí)驗(yàn)分為催化劑選取、催化劑漿液準(zhǔn)備、膜電極制備、電池組裝和測試四個(gè)環(huán)節(jié)。催化劑選取環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)是觀察和認(rèn)識(shí)催化劑，比較幾種催化劑物理和化學(xué)性質(zhì)的不同；催化劑漿液準(zhǔn)備環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)是了解漿液的組成和基本制備技術(shù)；膜電極制備環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)是認(rèn)識(shí)膜電極的組成結(jié)構(gòu)和基本制備技術(shù)；電池組裝和測試環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)是了解電池的組成結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)電池的關(guān)鍵電化學(xué)參數(shù)。通過綜合實(shí)驗(yàn)課程，幫助學(xué)生鞏固對(duì)燃料電池基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，同時(shí)考查實(shí)際影響電池輸出電壓、電流和功率的影響因素。

（三）教學(xué)資源共建共享數(shù)據(jù)庫建設(shè)

氫能相關(guān)教學(xué)資料具有知識(shí)面廣、更新快和系統(tǒng)性差等特點(diǎn)，為了能讓課程內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，同時(shí)兼顧基礎(chǔ)和實(shí)踐的要求，需要保持對(duì)課程內(nèi)容的更新和完善。通過建設(shè)教學(xué)資源共享數(shù)據(jù)庫，共同豐富和完善數(shù)據(jù)庫內(nèi)容；通過科學(xué)系統(tǒng)地梳理知識(shí)點(diǎn)，做到教學(xué)資源多而不亂。這樣既可以保持?jǐn)?shù)據(jù)庫資料的新鮮度，也能節(jié)約任課教師查找相同資料的時(shí)間成本，確保教學(xué)團(tuán)隊(duì)輸出資料的一致性和正確性。

五、改革效果和展望

隨著我國向全世界承諾了二氧化碳的排放目標(biāo)，作為可再生能源，氫能的發(fā)展將迎來快速增長期，預(yù)計(jì)到2050年，氫能在能源體系中的占比將提升至10%。氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展急需大量專業(yè)人才的支持。目前，高等院校對(duì)氫能專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)方案還處于發(fā)展初期，筆者基于近年的教學(xué)和科研總結(jié)，從課程體系、專業(yè)教材、師資隊(duì)伍三方面初步探討了氫能專業(yè)人才培養(yǎng)措施，尋求校企協(xié)同育人機(jī)制，為氫能行業(yè)培養(yǎng)合適的專業(yè)人才。

本論文介紹的改革措施已在筆者所在學(xué)校初步實(shí)施，探索氫能專業(yè)人才培養(yǎng)的有效方法。學(xué)生普遍反饋效果良好，認(rèn)為改革后的課程體系能更系統(tǒng)、全面地幫助他們規(guī)劃選課計(jì)劃。優(yōu)化后的授課方式也更受學(xué)生歡迎，課堂上學(xué)生參與度明顯增高，更愿意與教師討論行業(yè)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，而且選課人數(shù)有所增加。筆者在具體實(shí)施過程中也碰到了一些考慮不周全的問題，特別是在校企協(xié)作方面還需要積累更多的經(jīng)驗(yàn)，提出更具有創(chuàng)造性的授課模式，有效保證人才培養(yǎng)質(zhì)量。