能源動力學

能源動力學科是近年來新興起的一門學科，它包括技術基礎課程和專業課程涉及到多學科領域的知識，以熱能動力工程專業為例，就涉及到以下各學科：熱學學科；力學學科；機械製造學科；自動控制及計算機學科；水力發電學科；化學學科。為適應21世紀初我國能源學科發展的需要，應當在各專業課程的設定中，適當安排各個有關學科的知識。美國設有機械系的各高等院校，之所以專業的研究範圍如此之寬（除了機械與熱流科學外還包括信息控制，生物力學， MEMS等） ，也是與本專業的多學科交叉特性密切相關的。

基本介紹

• 中文名：能源動力學
• 外文名：Kinetic Energy
• 專業：熱能動力工程專業
• 涉及：熱學學科；力學學科等

學科發展

形成時期

我國能源動力類專業形成於20世紀50年代。以交通大學為例，1952年院系調整時，當時設在機械系中的動力組就單獨成立了動力機械系。由於受當時蘇聯教育體制的影響，在該學科的發展過程中，專業面曾一度越分越細。50年代初期只有鍋爐、汽輪機、內燃機等專業，以後又先後辦起製冷專業與風機專業，製冷專業又細分出壓縮機、製冷及低溫專業。在50年代末又創辦了核能專業，在六七十年代有些學校先後設立了工程熱物理專業。這樣，能源動力學科中的專業就先後包括有鍋爐、渦輪機、電廠熱能、風機、壓縮機、製冷、低溫、內燃機、工程熱物理，水力機械以及核能工程等11個專業，形成了明顯的以產品帶教學的基本格局。

熱能與動力工程專業中包含的水利水電動力工程專業的前身為水電站動力裝置專業。該專業形成於20世紀50年代。新中國成立以後，隨著國家對水患的治理和經濟建設的發展，國家設立了華東水利學院、武漢水利水電學院、華北水利水電學院等一些專門的水利院校，1958年起在這些院校和西安交通大學水利系（西安理工大學水電學院的前身）設立了水電站動力裝置專業，以滿足國家對水電建設人才的迫切需求。1977年恢復高考招生後，該專業更名為水電站動力設備專業。1984年該專業更名為水利水電動力工程專業，涵蓋了原水能動力工程、水電站動力裝置、水電站動力設備、水能動力及其自動化、機電排灌工程、水能動力與提水工程等專業，昆明工業學院、成都科技大學等一些院校都設定了該專業。1998年，按照教育部頒布的新的專業目錄，水利水電動力工程專業併入熱能與動力工程專業，新的熱能與動力工程專業包含了原來的熱力發動機、流體機械及流體工程、熱能工程與動力機械、熱能工程、製冷與低溫技術、能源工程、工程熱物理、水利水電動力、工程冷凍冷藏工程等9個專業。

調整時期

客觀上說，這種專業劃分與當時我國計畫經濟的體制以及工業發展的實際情況，在一定程度上是相適應的。過窄的專業面，但卻培養了專業工作能力較強的學生。因此，在當時對我國經濟的發展和工業體系的重建，曾經起到過積極的作用。但隨著社會經濟向現代化方向的發展和高新科學技術的進步，特別是我國改革開放以後，國外先進科技、管理體系的大量引進，學科的交叉融合不斷產生新的經濟成長點，原有的過細過窄的工科專業設定，總體上已不能適應新的形勢和發展對人才的需要，必須進行專業調整。

因此，在1993年原國家教委進行的專業目錄調整中，將能源動力學科的上述前10個專業壓縮為4個專業，即熱能工程、熱力發動機、製冷與低溫工程、流體機械與流體工程，核工程與核技術保留。1998年，教育部頒布了新的專業目錄，將上述前4個專業進一步合併為熱能與動力工程專業，核工程與核技術專業單獨設立，而在引導性的專業目錄中，則建議將熱能工程與核能工程合併。但當時我國大多數學校還是採用了熱能工程與核能工程單獨設專業的方案。因此，在2000年教育部設立的新一輪教學指導委員會中，在能源動力學科教學指導委員會下分設了三個委員會：熱能動力工程，核工程與核技術以及熱工基礎課程教學指導分委員會。

就核科學與技術類專業而言，既與能源動力學科有聯繫（如核能工程類專業）,又有其不同於能源動力學科的特徵（如核技術套用類專業）。該學科和專業是為了適應我國核武器事業和核科技工業的發展而與能源動力學科同期建立起來的，創建初期同樣參照了前蘇聯模式，劃分較細，主要有核反應堆工程、核動力裝置、同位素分離、核材料、核物理(包括實驗核物理、理論物理、輻射防護、加速器物理及核電子學) 、核化工(包括前處理、後處理和輕同位素分離)、核地質、核礦冶等，這樣的專業學科體系延續了近40年。1998年教育部頒布的新專業目錄將核工程、核技術兩個本科專業合併為“核工程與核技術”專業。將核工程、核技術相關的研究性學科合併為“核科學與技術”一級學科，下設4個二級學科，即核能科學與工程（含部分電漿物理）、核燃料循環與材料、核技術及套用、輻射防護與環境保護；將與核物理相關的學科合併為“物理學”下的“電漿物理”、“粒子物理與原子核物理”等學科；將與核地質鈾礦冶相關的學科合併入“礦產普查與勘探”、“水文學及水資源”、“採礦工程”等學科。本研究以核工程與核技術專業為重點，同時兼顧與此相關的其他專業。

發展現狀

全國現有100餘所高校設有能源動力類專業，近20所高校設有核工程或核技術專業（其中5所高校設有核工程專業）。

國外對比

根據我們的初步調查，以美國為例，一般相應於我國熱能動力工程專業的內容，大部分設定在機械中，作為機械系的一個專業方向，稱為熱流科學（Thermal and Fluid Science）或能量系統（Energy system），而核工程與核技術則一般單獨設立或者在化工系中，例如美國麻省理工學院、佛羅里達大學等均如此（見附錄）。以下是該兩校機械系的專業方向設定。

麻省理工學院機械系：（1）熱流科學(Thermal and fluid science)；（2）計算工程（Computational Engineering）；（3）能量利用與傳輸（Energy Utilization and Transportation ）;（4）生物機械工程（Biomechanical Engineering ）；（5）製造與材料加工（Manufacturing and Materials Processing）;（6）力學與材料（Mechanics and Materials）；（7）信息（Information）；（8）設計（Design）；（9）系統，計算機與控制（Systems, Computers and Control）。

麻省理工學院工學院核工程系：（1）核能方向（Nuclear Energy Option）；（2）醫學與工業輻射方向（Radiation for medicine and industry Option）。

佛羅里達大學機械系：（1）生物力學系統（Biomechanical systems）；（2）能量轉換系統（Energy Conversion System）；（3）機械系統（Mechanical System）；（4）熱系統（Thermal system）；（4）製造（Manufacturing）；（6）機械手（Robotics）。

佛羅里達大學工學院核工程系：（1）核與輻射工程方向；（2）核工程科學方向。

從上面美國2所有代表性學校（麻省理工為一流大學，佛羅里達大學為高水平知名大學）的機械系與核工程系的設定可以看出以下共同特點：（1）機械系學科的方向高度交叉，一些在我國是屬於信息與電氣類專業的內容，美國機械系照樣研究；（2）專業面相當地寬，即使能源動力方向也是比我們如今的專業設定要寬得多；（3）核工程是單獨設系的。

學科形勢

新的挑戰

能源動力工業是我國國民經濟與國防建設的重要基礎和支柱型產業，同時也是涉及多個領域高新技術的集成產業，在國家經濟建設與社會發展中一直起著極其重要的作用。隨著我國各個方面改革的深化發展，包括市場經濟的逐步建立、國有大中型企業機制的轉換、加入WTO後面臨的挑戰，以及能源動力領域技術的發展，並考慮到我國核科技工業“十一五”以及到2020年發展所面臨的形勢與任務，我國能源動力類以及核相關專業人才的培養面臨著嚴峻的挑戰。

可持續發展

能源動力及環境是世界各國所面臨的頭等重大的社會問題，我國能源工業面臨著經濟成長、環境保護和社會發展的重大壓力。我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，煤炭占商品能源消費的76%，已成為我國大氣污染的主要來源。已經探明的常規能源剩餘儲量(煤炭、石油、天然氣等)及可開採年限十分有限。2000年的統計資料表明，我國化石能源剩餘可儲采比煤炭為92年，石油20.5年，僅為世界儲采比的一半；天然氣為63年，優質能源十分匱乏。我國已成為世界第二大石油進口國，對國際石油市場的依賴度逐年提高，能源安全面臨挑戰，存在著十分危險的潛在危機，比世界總的能源形勢更加嚴峻。能源資源的國際間競爭愈演愈烈，從伊拉克戰爭及戰後重建，到中日雙方在俄羅斯輸油管線走向上的角逐等一系列國際問題，無不是國家間能源戰略利益衝突、鬥爭的具體反映。因此，開發利用可再生能源、實現能源工業的可持續發展更加迫切、更具重大意義。

我們應該清楚地認識到：我國的能源資源是有限的，我國現有能源開發利用程度與效率很低，在清潔能源開發、能源綜合高效利用和環境保護領域內，與已開發國家存在著較大的差距：我國水能資源理論蘊藏量（未包括台灣省）為6.76億千瓦，可開發容量3.78億千瓦,相應年發電量19200億千瓦時，均居世界第一；至2003年底，水電裝機容量達到9139萬千瓦，年發電量2710億千瓦時，開發率按電量算只有14%，按裝機容量算只有24.2%，遠遠落後於美國、加拿大、西歐等已開發國家，也落後於巴西、埃及、印度等開發中國家。高耗能產品能源單耗比已開發國家平均水平高40%左右，單位產值能耗是世界平均水平的2.3倍。同時，實施可持續發展戰略對能源發展提出了更高的要求。長期以來，粗放型的增長方式使能源發展與保護環境、資源之間的矛盾日益尖銳。未來能源發展中，如何充分利用天然氣、水電、核電等清潔能源，加快新能源與可再生能源開發，推廣套用潔淨煤技術，逐步降低用於終端消費煤炭的比重，實現能源、經濟、環境的可持續發展將是“十五”以及中長期能源發展面臨的重要選擇。

國防安全

特別地，我國核科技工業是國家的戰略行業。完善的核科技工業體系是確立一個國家核大國地位的基本條件。它既是國家戰略威懾力量和國防科技工業的重要組成部分，是國家政治、國防安全的重要保障和外交利益所在，同時又是國民經濟的重要產業。核軍工、核能、核燃料和核套用技術產業，是我國核科技工業的主要組成部分。與此相適應，如何培養適應21世紀社會需要的能源動力類以及核相關專業的人才，是每個大學相關專業以及每位從事能源動力類專業教育的工作者需要解決的重要問題。

專業特點

學科交叉性

常規化石能源的使用是能源動力學科專業教學的主要內容之一，而常規化石能源的使用與環境問題密切相關。煤炭、石油、天然氣等化石能源仍在整個能源構成中占據主導地位，而且估計在今後幾十年 的時間內這一局面還不會改變。這些常規化石能源主要直接套用於火力發電，這會帶來一系列嚴重的環境問題，比如硫氧化物、氮氧化物等的大氣污染、固體廢物、水污染和熱污染等。據最近的報載，當前我國每年火力發電的煤炭耗量超過8億噸，電廠的煙塵排放量約為350萬噸，占全國煙塵排放量的35%。其中 ，微細粒子（小於10微米）排放量超過250萬噸，是影響大城市大氣質量和能見度的主要因數，並嚴重危害人體健康。因此，對能源動力生產過程中的這些環境問題必須進行妥善處理和控制，實現其環境友好化，才能保證人類的生存和社會經濟的可持續發展。環境問題已經成為能源動力技術研究中的重要組成部分，也必須在專業課程的教學中有相應的體現。也正是基於這一原因，浙江大學已經將原來的熱能與動力工程專業改名為能源與環境系統工程專業。核能發電雖然沒有上述火力發電那樣的問題，但有其獨特的問題，如輻射防護與保健、核廢料的處置與處理等均與環境保護有關。迫於環境方面對能源開發與利用的巨大壓力，作為常規能源的水能由於具有清潔與可再生的特點，其開發與利用越來越得到重視，在我國能源發展戰略占有十分重要的地位。

類似地，核科學與技術類專業不但要以傳統的熱、力、機械、強/弱電等為專業基礎，還與新興的信息、生命、生物以及能源等相互交叉。

政策依賴性

能源動力學科專業的發展極大地依賴於國家的發展政策。最典型的是核工程專業。在20世紀七八十年代，國家在核能發電上沒有投資新建項目，使得我國各高校的有關核能發電方向的教師都一度沒有足夠的學生，有的甚至準備轉業。以後國家開始大力發展核電，情況就有了巨大的變化，以至於需要核能專業畢業生的數目超過了可分配畢業生的人數。

廣泛適用性

節能是我國能源發展戰略的重要組成部分，關於節能的知識不僅能源動力學科的學生應當掌握，也是幾乎所有工科學生應當掌握的內容。這就要求不僅要做好本學科專業人才的培養，而且也應當承擔起向所有工程專業的學生進行節能技術教學的任務。

專業對口性

我國能源動力學科的不同專業方向服務於不同的工程技術領域，還多少帶有產品專業的烙印。不僅在冷的方向與熱的方向中，主導專業的工作機械與系統差別巨大（例如制冷機與發電廠），就是在同一個專業方向，例如熱方向中，鍋爐與 汽輪機就有很大的差別。因此，對於旨在以零距離模式培養學生的專業與學校，密切關注當前經濟發展以及行業發展的需要，使得學生能到對口的專業單位工作，及時充分發揮其專業特長，具有重要意義。在每年的畢業生就業過程中，也遇到類似的問題：一些專業工廠希望能找到進廠後能立即從事本專業具體技術工作的學生，而寬口徑的培養方式不能滿足這些單位的需要。所以，急需解決以能源動力類寬口徑專業人才培養與能源動力類大部分企業對專業人才的知識結構強調專門化要求之間的矛盾。

以上這些特點是能源動力學科專業確定發展戰略時必須予以充分關注的。

發展規劃

能源是國民經濟的基礎產業，對經濟持續快速健康發展和人民生活的改善發揮著十分重要的促進與保障作用。我國是能源生產和消費大國，面對新世紀，如何保持能源、經濟和環境的可持續發展是我們面臨的一個重大戰略問題。

21世紀我國在能源問題上面臨的挑戰是：（1）人均能耗低：我國一次能源消費量為14.8億噸標準煤，為世界第二大能源消費國。能源消費總量雖大，但人口過多，人均能耗水平很低（低於世界平均水平）；（2）能源效率低：我國能源效率約為31.4%，與先進國家相差10個百分點，主要工業產品單位能耗比先進國家高出30%以上；（3）人均能源資源不足：中國擁有居世界第一位的水能資源，居世界第二位的煤炭探明儲量，石油探明采儲量居第11位。但中國人口眾多，我國煤炭人均探明儲量是世界人均值208噸的70%，石油人均探明儲量為世界人均數的11%，天然氣為世界人均數的4%；即使水能資源，按人均數也低於世界人均值；（4）以煤為主的能源結構需要調整：我國高度依賴煤炭的消費，煤炭在一次能源消費構成中占75%，過多地使用煤炭必然會帶來效率低 、效率差、環境污染嚴重的後果。

針對上述我國能源狀況，我國中長期能源發展規劃中採取了相應的措施。這些現狀與中長期能源發展規劃是我們考慮能源動力類培養方案的基本依據。

中長期規劃

我國中長期能源發展戰略是：以保障供應為主線，實施“節能優先、供應安全、結構最佳化、環境友好”的可持續發展能源戰略。遠近結合、分階段部署，爭取用三個15年，初步實現我國能源可持續發展的目標。

（1）節能優先戰略

提高能源利用率是確保我國中長期能源供需平衡的先決條件，中國人口基數大，到下世紀中葉將超過15億。無論是從國內資源還是世界資源的可獲量考慮,中國只有創造比工業化國家更高的能源效率，才可能在有限的資源保證下，實現高速經濟成長和達到中等已開發國家人均水平。如果用國際上先進的技術和設備替代現有落後技術和設備，全部節能潛力可達能源消費量的50%，如用國內已有的先進技術和設備進行落後設備的更新，總節能潛力可達能源消費量的30%。

（2）最佳化能源結構

從世界各國發展趨勢看，工業化國家無一例外均採用了以油、氣燃料為主的能源路線，逐步減少固體燃料的比例是世界各國提高能源效率，降低能源系統成本，提供優質能源服務的必然選擇。中國由於歷史的原因，一直維持著以煤為主要能源的結構，但隨著消費量的增大，其弊端日益明顯。

中國要改變能源消費以煤為主的狀態需要幾十年的時間，但是我們必須向著這個方向努力。由於中國能源消費總量巨大，優質能源所占比例過小，先進國家油氣比例在60%以上，中國如今為20%，到2020年，水電和核電可分別占一次能源的10%和3.7%。可見能源供應優質化是一項很艱巨的工作，需要採取多種措施去發展多種優質的清潔能源。從全國來看，改變以煤為主的能源結構需要很長的時間，但某些大城中可否先行，率先實現能源供應的優質化？

（3）發展清潔煤技術

煤炭在未來幾十年中仍將是我國的主要能源，因此清潔地利用煤炭必將是能源工業的重要任務之一。從長遠來看，應減少煤炭在終端的直接利用，提高煤炭轉換為電力和氣體、液體燃料的比例，必須發展清潔煤燃燒技術。

（4）適當發展核電 ，加快核電國產化

充分利用我國已經形成的核電設計、製造、建設和運營能力，以我為主、中外合作，以有競爭力的電價為目標，實現核電國產化。同時，積極支持我國自行開發新一代核電站工作，為“十一五”及以後核電的發展奠定基礎。國家發展和改革委員會、科技部和商務部聯合發布的“當前優先發展的高技術產業化重點領域指南（2004年度）”中，將核電及核燃料設備、民用非動力核技術等也列為重點領域。

（5）保證能源供應安全

為了保證能源供應的安全，降低進口的風險，擬採取以下措施替代石油：一是水煤漿代油，此技術應積極推廣；二是煤合成液體燃料，中國分別與美國、日 本、德國等合作研究開發；三是生物質液化，可引進技術或進行合作生產；四是發展天然氣汽車和電動汽年。

（6）提供優惠政策，推動可再生能源的發展

從根本上來說，只有可再生能源才是清潔能源。因而，可再生能源是我們最終的追求目標。世界上可再生能源發展迅速，技術逐步趨於成熟，經濟上也逐步被人們接受。歐洲一些國家擬在2010年使可再生能源在一次能源中 的比例達到10%，中國政府也制定了1996—2010年新能源和可再生能源發展綱要，要求 在15年中實際使用的可再生能源數量從近300Mtce增長到390Mtce。

培養要求

上述我國能源的中長期發展規劃，對今後5～10年內能源動力學科專業發展戰略提出了以下幾方面要求：（1）要大力培養具備潔淨煤燃燒技術知識的人才。（2）要大力培養從事核電和水電技術工作的人才。（3）要培養具備從事新能源和再生能源技術工作的人才。（4）要使所有培養的人才掌握節能理論與基本節能技術。（5）大力加強能源預測與規劃人才的培養。五、我國能源動力學科人才的培養目標及模式

培養體系

（1）多層次——根據我國當前高等學校和學科專業設定情況，能源動力學科的人才層次可分為：博士－碩士－本科－專科。

（2）多規格——在本科層次中，根據學校的定位不同，可以區分為以下4種人才規格：1）研究型大學（更為確切地應為研究型專業）畢業生。2）教學研究型大學畢業生。3）教學為主型大學畢業生。4）高等職業學院畢業生。

培養目標

（1）研究型大學畢業生——培養學術型以及複合型（研究與套用）人才，是研究生考生的主要來源；專業教學內容可偏於通識（詳細要求與規格待補充）。

（2）教學研究型大學畢業生——培養學術和套用型人才為主，部分學生構成研究生的考生源；教學內容以寬口徑專業為主。

（3）教學為主型大學畢業生——培養套用型為主，部分學生為複合型，專業教學內容可以寬口徑及大模組相結合。

（4）高等職業學院畢業生——培養套用型學生，專業教學內容以大模組為主。六、能源動力學科專業發展的研究和建設課題

國外體系

根據調查，已開發國家的企業之所以能接受專業面很寬的學生且能保持工業技術的領先，是與國外企業有完善的崗前培訓以及有效的繼續教育制度分不開的。例如：

1）美國Westinghouse Electric Company

新員工就職，就有專職導師培養指導，為期一年。導師職責明確，培養內容具體，按步驟進行，最終由經理查核新員工的工作情況。對新員工開設本企業專業培訓課程，由經驗豐富者講授；具體工作中有成文的設計規範作指導，詳細具體。對新員工定期開設科技講座。

2）美國Bristol Compressors, Inc.

新員工入廠訓練兩周，包括實驗室工作，參觀生產線設備，質量控制，室內設計，軟體訓練，公司標準。在第一、二年內，初級工程師的大部分工作是參與用戶返回的信息分析、測試等，以加深對公司產品的了解。

3）日本有關企業

日本企業並沒有十分強調專業對口。實際上，無論是偏專業或偏綜合的企業，對人才的要求都近乎是一種毛坯式的要求，即解決問題的能力以及綜合素質的要求。至於專業則是根據任務的要求，在工作中不斷深入細化，學校不可能把所有畢業生工作後可能遇到的問題都教會。進入公司後，一般先進行培訓，大約半年，然後從事有關工作。一般頭三年主要是學習，不獨立承擔項目，由於公司的嚴格培訓制度以及學生較廣的專業面，三年後基本能獨立工作。另外 ，日本企業正在實行選拔培訓制度，把有發展潛力的員工派到外面去進修。

企業培養

根據我們對部分國內大中型企業負責人的調查，企業負責人一致希望畢業生要有新的知識結構。關於專業對口問題，國內大中型企業的要求大致有兩種類型：一類不十分強調，如大亞灣核電站，原因是該企業已經建立起了相對完善的崗前培訓制度；另一類則比較強調對口，希望立即能派上用處，這種企業占多數，他們一般還沒有建立起較好的崗前培訓以及繼續教育制度。

高校探索

為使我國能源動力類專業的人才培養與國際接軌，對美國麻省理工學院、康乃爾大學、德克薩斯州（Austin）大學、明尼蘇達大學、卡內奇-梅隆大學、喬治亞理工學院、德克薩斯農工大學、普渡大學等8所著名大學機械工程系有關能源動力類專業的培養體系進行了深入的調研，得出的結論是 ：國外能源動力類專業僅是機械類人才培養的一個方向。國外大學機械工程系的教學與研究範圍覆蓋了國內本科生專業目錄中的機械類、能源動力類的範圍 。相比之下，我國機械與能源動力類的專業面相對較窄。

從現代微機電系統（MEMS）科學技術的發展過程，也可以有力地說明我國現有的機械類專業與能源動力類專業有必要逐步合併。在MEMS的發展過程中需要將機械與流動和傳熱的知識結合起來，這在美國的機械系中是一件非常順 理成章的事情。但在我國，由於機械類與熱能動力類的截然分家，造成教授們的知識也相應偏窄，關於MEMS的研究常常分別在機械系或能源動力系中進行，這在一定程度上影響了我國MEMS技術的發展。因此，從長遠的觀點看，在我國部分高等學校建設大機類（即將現有的機械類與能源動力類合併）專業的構想應當成為努力探索的目標。

與此同時，我們還就國外大學機械工程系在相對較低的學時學分（本科四年一般為120～130學分）情況下設定有關的技術基礎課及專業方向課程作了深入的剖析和比較研究，揭示了美國高等工程教育中重基礎、薄專業的特點。值得指出，美國的專門化課程實際上是某一方面（如旋轉機械）的基本知識，並非十分深入。

因此我們建議，在今後5～10年內本學科專業的發展戰略中，我國研究型大學應該進行建設大機類專業的探索。但是，還不宜作為本學科專業的全國性發展戰略去推廣。

高等學校的專業改革是一個社會與系統工程，除了高等學校本身的努力以外，還必需要有相應的社會支撐。我們認為，與高等學校拓寬專業面相適應，我國的企業應當逐漸建立起崗前培訓以及對在職人員的繼續教育制度。我們建議教育部與國家其他行政部門協調，通過有關部門指導性的意見促使在我國儘快建立起這種企業的崗前培訓與繼續教育制度。只有這樣，畢業生分配中遇到的“以專業大類寬口徑為對象的培養方式與我國能源動力類大部分工廠企業對人才專業對口要求之間的矛盾”才能較好地得到解決。也只有這樣 ，才能為在我國部分高等學校中探索建設大機類專業提供一定的社會基礎。