1. 课程教学现状及改革需求分析
实现“双碳”目标，能源是主战场，电力是主力军。风电、光伏等新能源的间歇性和波动性给电网稳定运行带来挑战。抽水蓄能作为当前技术最成熟、经济性最具优势且具备大规模开发潜力的绿色低碳灵活调节电源，发挥着不可替代的系统支撑作用。我国抽水蓄能产业规模全球领先，发展迅猛，未来市场潜力和政策支持力度巨大。截至2024年底，我国抽水蓄能装机容量达5869万千瓦，连续9年稳居世界首位，日本(2747万千瓦)和美国(2217万千瓦)分列第二、三位。全球抽水蓄能电站装机容量约1.85亿kW。我国共普查筛选出抽水蓄能资源站点总规模约16亿千瓦，绝大部分省份均有分布。根据《抽水蓄能中长期发展规划(2021~2035年)》，到2030年，我国抽水蓄能装机容量预计达到1.2亿千瓦[1]。抽水蓄能产业的飞速发展，催生了对全产业链专业人才的迫切需求。
《抽水蓄能发电技术》是能源与动力工程专业的一门重要课程，主要内容涉及抽水蓄能在电力系统调峰、填谷、调频、调相、事故备用等多重作用，以及抽水蓄能电站的工程设计与机电系统集成知识和电站运行调控与项目开发评估能力，对于培养学生的专业能力和实践技能具有重要意义[2]。从学科发展的内在要求来看，抽水蓄能技术正经历从常规机组向可变速机组的升级迭代，传统课程内容难以覆盖水力瞬变流分析、智能调度等前沿领域[3] [4]。国内部分高校已依托国家级实验平台开设微专业，但现有课程体系仍滞后于行业技术发展速度。该课程长期面临内容滞后性、实践薄弱性及评价单一性三重矛盾，传统的教学方式往往偏重于理论知识的传授，忽视了学生科研能力和创新能力的培养。
随着国家对科技创新和人才培养的高度重视，高校教育正逐步向注重科研与教学相结合的方向发展。刘鹤针对设计模式课程在教学过程中存在的痛点问题，将“三段六步”教学法贯穿至整个课程中，提高了学生的参与度和学习成效[5]。华杰等发现采用“基础理论 + 案例教学 + 可视化教学 + 实践观摩”一主三辅的科教融合教学模式，利于培养学生的应用能力和创新思维，有助于提升教学效果[6]。张雅妮等以材料专业课程体系及材料失效分析课程为例，对逐层推进的“诱研→导研→研究”的科研反哺模式进行探究，建议在课程层面加强科研反哺的跟踪评估并实施反馈[7]。孔令军等以具体的科研思路和科研成果为教学资源，引导学生发现问题、分析问题和解决问题，培养学生掌握现代环境工程专业的技术手段和方法[8]。吴玉红等从重设课程教学目标、重组教学内容、融入思政教育、改革教学方法、优化考核方式等五个方面基于OBE理念进行教学改革，提高了学生学习的主动性[9]。肖锋等以“磁法勘探”课程为例，从优选事例、课程思政、警示教育以及培养创新性思维等方面进行了探讨，培养创造性思维是科研反哺教学中的关键一步[10]。顾峰等以解决实际问题为导向，加强理论与实践结合等方式进行改革，验证了改革措施的有效性[11]。郭旭飞等以“钢结构中超声传输的数学模型”实验为例，采用科研案例型教学方法，有效启发学生的创新型思维[12]。白成英等以材料科学与工程专业为例，通过科研反哺教学弥合科研与教学平衡，最终实现高水平科研与高质量教学协同发展[13]。以上研究表明，科研反哺教学可有效提高教学质量，培养学生的创造性思维。然而，现有研究多聚焦于教学方法的局部优化，缺乏对“科研–教学”双向循环机制的系统构建，尤其在评价体系改革、三阶驱动模型设计等方面仍存在深化空间。本研究在借鉴前人成果的基础上，针对《抽水蓄能发电技术》课程目前存在的教学困境，将前沿技术、真实案例、科研成果融入教学，提出以“问题链–工具链–实践链”三阶驱动为核心的教学模式，并构建多元加权评价体系，旨在实现科研与教学的深度融合与动态反馈。
本文以“科研反哺教学”为突破口，推动《抽水蓄能发电技术》课程系统性改革，助力能源动力类人才培养质量提升。通过“科研反哺教学”，将最新的科研成果和科研方法引入课堂，丰富教学内容，激发学生的学习兴趣和科研热情，提高课程的教学质量和效果。通过科研实践活动，培养学生的科研能力和创新能力，为学生未来的职业发展奠定坚实基础。同时，将我国在运在建的抽水蓄能典型项目案例转化为教学资源，利于破解理论教学与工程实践脱节问题。本课程改革紧密结合“双碳”目标，服务国家战略需求，培养具备抽水蓄能电站设计、新能源电力系统调控能力的复合型人才，助力储能产业技术升级。
2. 改革实施路径与创新举措
2.1. 科研–教学双向循环机制
本研究提出的“科研反哺教学”改革框架如图1所示，通过科研成果向教学资源转化、校企协同育人等路径，实现课程与行业发展的动态适配。核心理念在于促进教学与科研协同发展，构建“科研–教学”双向循环机制，科研与教学是相互依存、相互滋养、协同发展的有机整体。该机制构建了一个动态、持续、正向反馈的循环系统，首先，将最前沿的科研成果持续、快速地转化为教学内容，确保课程内容与时俱进，反映学科发展前沿，避免知识陈旧化。其次，教师将科研过程中的批判性思维、探索精神、问题意识、失败经验等融入教学，引导学生体验真实的“知识创造”过程，培养其创新思维和解决复杂问题的能力。进而，科研项目为学生提供真实的实践平台。参与科研过程使学生掌握先进的研究方法、实验技能、数据分析能力，提升动手能力和工程实践能力。因此，教师可结合自身的科研经历、项目案例、遇到的挑战和解决方案，生成课堂中生动、具体的教学案例，增强教学吸引力和说服力。这种模式既推动科研成果落地，又为教学提供新视角。
2.2. 教学改革实施路径
2.2.1. 从静态知识到动态资源
“科研反哺教学”模式需对教学内容进行重构，将教师在抽水蓄能发电技术领域的科研成果融入课堂教学内容，如最新研究成果、技术进展、案例分析等。通过实际案例的讲解，使学生更直观地理解抽象的理论知识，增强学习的趣味性和实效性。课程内容更新与优化，紧跟行业动态，定期更新课程内容，纳入抽水蓄能发电技术领域的最新研究成果和技术进展，确保教学内容的时效性和前沿性。例如，将可变速抽水蓄能技术、水电机组过渡过程控制等前沿科研成果融入课程，打破传统理论教学的局限性，使学生接触国际研究热点。通过科研项目中的真实实验数据设计教学案例，显著增强课程内容的实践价值。
同时，将课程内容进行模块化教学，分为基础理论、技术应用、案例分析等模块，便于学生系统学习和理解。例如，针对变速机组PID控制这一科研难题，结合南水北调水力瞬变流仿真工程案例，将科研难题进行知识单元分解。利用虚拟仿真实验项目，结合广州抽水蓄能机组振动可视化研究，探索全流道水力特性。通过青海41.2 GW储能调度优化工程案例和授课组老师的科技项目，对新能源消纳调控进行具体化分析。根据以上教学思路，结合课程内容建成覆盖国家抽水蓄能电站的重大工程的案例式教学资源库。
Figure 1. The reform framework of “Research-to-Teaching”
图1. “科研反哺教学”改革框架
Table 1. Case of third-order drive model
表1. 三阶驱动模型案例
阶段 |
实施内容 |
抽蓄技术案例 |
问题链导入 |
理论推演→仿真验证 |
变速机组失稳机理分析 |
工具链支撑 |
MATLAB/DSPACE实验设计 |
机组动态响应参数优化 |
实践链闭环 |
实际故障案例研讨 |
轴承振动异常解决方案 |
2.2.2. 三阶驱动模型
“科研反哺教学”模式下需创新教学方法，课堂重难点教学中采用了三阶驱动模型，即问题链导入、工具链支撑及实践链闭环，如表1所示。首先，以科研问题为起点，如变速机组失稳机理，结合教学内容引导学生完成理论推演，并将理论推演结果导入MATLAB软件进行仿真分析，通过软件操作演示和学生动手实践，即问题链导入环节；其次，引入DSPACE水力仿真平台，指导学生自主设计机组动态响应实验，通过设计实验方案、进行实验操作、分析实验结果等环节，培养学生的实验能力和科研思维，即工具链支撑环节；最后，将实际故障案例，如轴承异常振动进课堂，师生共研解决方案，将传统课堂讲授与课后作业翻转，让学生在课前通过文献阅读等方式自主学习基础理论，课堂上则主要用于讨论、解答疑问和深入探究，即实践链闭环。教师收集并整理抽水蓄能发电技术领域的典型案例，建立教学案例库，供教师和学生参考和借鉴。由此，通过引入重大抽水蓄能电站工程案例，强化学生对国家能源战略的认知。
2.2.3. 实践平台拓展
将全流道水力测试平台向本科教学班同学开放，学生可以直接参与到实验中来，设身处地观察实验现象，摸索实验规律，科研实验室的利用率提升30%。同时，吸引学生参与授课老师的科研项目，包括与课程内容相关的纵横向课题，拓展学生的科研思维，提升科研意识。同时，进行项目式学习模式训练，设计一系列与抽水蓄能发电技术相关的项目任务，让学生分组完成，从项目策划、方案设计、实验验证到报告撰写全过程参与，并将任务中发现的问题转化为竞赛课题、课程设计及毕业设计选题，培养学生的团队协作能力和解决问题的能力。
2.2.4. 评价体系改革
“科研反哺教学”模式要求对现行期末考试的单一评价体系进行改革，除了传统的期末考试外，增加平时成绩、项目报告、实验报告、口头报告等多种评价方式，全面评估学生的学习效果和能力。同时，重视过程性评价，关注学生在学习过程中的表现和进步，及时反馈评价结果，帮助学生及时调整学习策略。在上述基础上建立多元加权评价体系，即综合成绩为理论考试成绩、创新成果及实践报告三部分总和，各部分的权重依次为40%、30%、30%。
(1)
其中，创新成果包含论文发表占比50%及竞赛获奖占比50%等量化指标。
3. 改革成效量化分析
为科学评估“科研反哺教学”模式的效果，本研究设计了准实验研究，以2023~2025届选修《抽水蓄能发电技术》的本科教学班为实验组，同期未参与改革的平行班级为对照组。通过问卷调查、能力测试、成果统计等多种工具采集数据，并对关键指标进行操作性定义：1) 掌握率：指学生在课程结束后的闭卷考试中，对抽水蓄能前沿技术(如变速机组控制)相关试题的正确率；2) 满意度：采用5级李克特量表，从“非常不满意”至“非常满意”共5个等级，课程结束后由学生匿名填写。采用SPSS 26.0对数据进行独立样本t检验与相关性分析，显著性水平设为p < 0.05。
3.1. 教学质量提升
通过教学改革，学生的学习兴趣和积极性显著提高，对专业知识的掌握更加深入和全面。学生对于该课程的总体满意度较改革前显著提高，满意度由2022年的87.90%提升至2025年的95.89% (t = 4.32, p < 0.01)。项目任务学习主题转化为毕业设计选题13项，其中校级优秀论文2篇。同时，通过变速机组控制仿真实验达标率测算，表明学生对抽水蓄能电站前沿技术的掌握率提升至74%，显著高于对照组的58% (t = 5.17, p < 0.001)。学生的科研能力和创新能力得到了有效培养，为后续学习和职业发展奠定了坚实基础。一名学生在访谈中表示：“以前觉得抽水蓄能机理很抽象，通过参与科研项目及科技竞赛，我不仅理解了变速机组的工作原理，还自己动手调试了DSPACE平台，感觉知识‘活’了起来。”
3.2. 学生能力成长
通过“科研反哺教学”模式，学生在科研能力、创新能力及工程实践能力方面均有不同程度提高。首先是科研能力，通过参与仿真计算、系统优化等科研实践环节，学生可掌握数值模拟工具，具备撰写专利及科技论文的能力；2023~2025届本科教学班中，受理或授权专利的学生占比为15.36%，学生作为一作发表核心期刊论文的人数占比为10.33%，仍有一定的提升空间。其次是创新意识及创新能力，结合新能源消纳、抽蓄电站调控等实际需求设计课题，激发学生探索新型电力系统技术的兴趣。据统计，2023~2025届本科教学班的同学参加各类科技竞赛人数占比超过50%，获省级以上奖励人数占参赛人数的25%；最后是工程实践能力的提升，根据与用人单位座谈交流，发现2023~2024届本科教学班的同学具备较强的解决实践工程问题的能力，岗位胜任力大幅提高。
3.3. 科教协同成效
经过近3年的探索实践，课程教学组老师的国家自然科学基金与省级自然科学基金成果相继纳入本课程教学内容，学生可通过实验测试平台采集的轴承振动数据，使课题组过渡过程控制模型响应速度大幅提升，本科教学班毕业生参与设计的抽蓄电站项目获省部级奖励及校级奖励。可见，本次教学改革模式促进了科研成果的转化与应用，将科研成果转化为教学资源，丰富了教学内容和教学手段。同时，通过学生的科研实践活动，进一步验证了科研成果的实用性和可行性。
4. 研究的局限性与挑战
尽管“科研反哺教学”模式在抽水蓄能课程中取得了显著成效，但在实施过程中仍面临多方面挑战。首先，师资压力显著增加，教师需同时承担科研任务与教学改革设计，时间与精力分配存在矛盾。其次，部分学生对高度自主、问题导向的学习模式适应不良，表现出依赖传统讲授、主动性不足的现象。此外，实验平台与科研资源的开放虽提升了利用率，但也带来了设备维护、安全管理等额外负担。本模式的推广还需具备一定前提，如学校政策支持、科研团队配合、教学资源整合等。未来应在更广泛学科背景与院校类型中验证其适用性与可持续性。
5. 结语
通过“科研反哺教学”理念的引入和实践，促进了科研成果的转化与应用，将科研成果转化为教学资源，丰富了教学内容和教学手段，《抽水蓄能发电技术》课程的教学质量和效果得到了显著提升。“科研反哺教学”双向循环机制有效破解了技术迭代与教学滞后的矛盾，三阶驱动教学法(问题链–工具链–实践链)显著提升学生工程创新能力，多元加权评价模型激发科研内生动力，使创新成果产出持续增长。学生的科研素养和创新能力得到了有效培养，教师的教学能力也得到了提升。从理论层面看，本模式根植于建构主义与体验式学习理论，强调学生在真实、复杂的工程情境中主动构建知识体系，通过“做中学”与“研中教”实现能力内化。本研究不仅在评价机制与驱动模型上对现有“科研反哺教学”研究进行了补充与拓展，也为“新工科”背景下跨学科课程群建设提供了可操作的实践路径。本模式已推广至《水轮机调节系统》《泵与风机》等课程群，初步形成科教协同育人生态。
基金项目
本论文受到长沙理工大学教学改革研究项目(XJG25-030)、湖南省普通高等学校教学改革研究项目(HNJG-2022-0620)的资助。
NOTES
*通讯作者。