“新能源發(fā)電技術”課程建設與教學改革

陳 杰，秦海鴻，龔春英，劉 闖

(南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京210016)

0 引言

開發(fā)和利用可再生綠色能源是解決能源危機與環(huán)境污染問題的有效途徑之一[1]。近年來不少高校針對高年級本科生或者研究生開設了“新能源發(fā)電技術”課程，以幫助學生全面地認識和掌握新能源利用的形式，特別是新能源發(fā)電技術的基本理論和前沿動態(tài)，進一步拓寬學生在專業(yè)領域的知識面，提升學生對新能源發(fā)電技術的學習和鉆研興趣[2，3]。

“新能源發(fā)電技術“是我校針對高年級本科生和研究生課開設的一門重要專業(yè)課。與其它專業(yè)課有所不同，“新能源發(fā)電技術”課程具有知識點多、綜合性強以及與工程聯(lián)系緊密等特點。知識點多是指課程涉及光伏發(fā)電、風力發(fā)電、燃料電池發(fā)電、潮汐發(fā)電、地熱發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電等多種技術，涵蓋的能源種類和發(fā)電方式繁多，對學生和教師在專業(yè)知識深度和廣度上均提出了很高的要求。綜合性強是指課程涵蓋電氣、能源動力、材料、化學、機械、控制等多個學科，屬典型的學科交叉課程，綜合性非常強。和工程聯(lián)系緊密是指課程學習的內(nèi)容與工程實踐密切相關，所學內(nèi)容大多是實實在在的工程裝置。但是學生往往不具備相關的工程基礎，很難將課堂教學的理論知識與工程實際相互聯(lián)系。

可見，該課程的這些特點對學生的學習、教師教學和學校的教學實驗平臺建設都提出了更高的要求。傳統(tǒng)的教學方法已很難滿足課程的需求，特別是很難找到現(xiàn)成的實驗裝置進行實驗教學。因此，非常有必要探索一種適合該課程的教學方式，用新的教學方法和手段來適應課程的需求。其次，建立便于學生入門和理解的實驗平臺，幫助學習理解、消化相關的理論知識，做到理論與實踐相統(tǒng)一。

針對“新能源發(fā)電技術”課程的特點和存在的問題，本文對其作了較為系統(tǒng)的分析和研究。針對課程的教學內(nèi)容、教學方法進行了調(diào)整與改革，并充分利用與之相關的科研成果和演示平臺，供學生現(xiàn)場觀摩。此外，還專門建設了便于學生理解和操作的實驗平臺，并編寫了詳細的實驗指導手冊。

1 教學內(nèi)容的調(diào)整與優(yōu)化

作為一門新開設的課程，當前可選的教材相對較少。而且大部分教材過于注重覆蓋面，而忽略了內(nèi)容的深度，難以激發(fā)學生的學習興趣和求知欲。

筆者根據(jù)電氣工程專業(yè)高年級本科生的知識構成和本校的專業(yè)特色，結合多年來在風力發(fā)電、光伏發(fā)電以及分布式發(fā)電方面的科研成果，認為教學內(nèi)容的設置應兼顧一定的廣度和深度，因地制宜，因材施教。譬如，筆者選取了光伏發(fā)電、風力發(fā)電和燃料電池發(fā)電等具有廣泛發(fā)展前景的新能源發(fā)電技術作為主要講授內(nèi)容，詳細、深入講解，要求學生重點掌握。而將生物質(zhì)能發(fā)電、潮汐能發(fā)電和地熱發(fā)電等作為補充介紹對象，以了解為主。

由于新能源發(fā)電技術屬于前沿科學，其發(fā)展日新月異，因此教學內(nèi)容需要不斷更新，現(xiàn)有的教材反應遲緩。因此，我們的教學內(nèi)容介紹了最新的科技發(fā)展成果和科研成果，讓學生能充分接觸各種新知識，拓寬視野，了解科技前沿的最新動態(tài)，激發(fā)和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。以風力發(fā)電為例。筆者精選了本人和課題組的最新研究成果，并結合部分國內(nèi)教材重新編寫了課程講義，力求內(nèi)容深入淺出、圖文并茂，科普性和前沿性并重，非常適合電氣工程專業(yè)的高年級學生使用。

2 教學方法的改革

2.1 發(fā)揮多媒體教學方式的優(yōu)勢

在教學實踐過程中，多使用圖片、動畫和視頻來增加課件的生動性與感染力，豐富教學內(nèi)容和教學形式[4]。例如:加入各種實物圖片、內(nèi)部結構圖以及現(xiàn)場施工圖片，插入各種Flash動畫，比如選用Multibrid 5MW風電機組的工作過程和Fuhrlaender 2.5MW機組的安裝過程及燃料電池的工作原理等動畫展示。

2.2 利用實物模型提升教學效果

利用便于攜帶和傳閱的小型實物或者比例縮小模型，來進一步提升課堂教學的感染力。實物模型與教材中的理論知識相聯(lián)系，能進一步激發(fā)學生的學習興趣，達到理論聯(lián)系實際的效果。圖1為課堂教學過程中所使用的部分實物或模型。

圖1 課堂教學用模型與實物

2.3 課堂組織形式

與一般的基礎課不同，本課程宜采用小班化教學，并將啟發(fā)、討論、任務驅(qū)動等教學形式相結合，以激發(fā)學生的學習積極性和主動性。

在課程開始階段，將學生分成若于組，分別給定專題方向，如光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤、風力機的最大功率跟蹤等。所給的專題緊密貼合教學大綱的要求，但又適當?shù)靥岣唠y度，貼近工程。學生通過查閱資料，對給定的專題進行學習和理解，并形成自己的觀點，然后在課堂上以講解、討論等形式加深對知識的認識。這不但鍛煉了學生檢索文獻和自學的能力，同時也鍛煉了學生分析和歸納總結的能力，加深了他們對知識的理解和掌握。

在學生討論的過程中，會產(chǎn)生各種疑問。教師應該針對該疑問進一步分析和講解。講課過程中應多注意啟發(fā)學生對問題的思考，引導他們尋找問題的答案，從而讓學生更加牢固地掌握知識。這種以學生為主體、以教師為主導的啟發(fā)式教育，能充分調(diào)動學生學習主動性和積極性，但對教師提出了更高的要求。

3 實驗教學和實驗平臺建設

3.1 實驗教學體系

“新能源發(fā)電技術”課程與工程聯(lián)系緊密，具有很強的實用性和實踐性。因此，除了做好理論教學，更應加強實驗教學環(huán)節(jié)，制定可實施的實驗環(huán)節(jié)教學內(nèi)容和教學大綱。為了培養(yǎng)學生的實驗、實踐和創(chuàng)新能力，我們提出了“三層次”的實驗教學體系。該體系由仿真入門實驗、基本演示實驗和提高創(chuàng)新實驗組成。

第一層次為仿真入門實驗。我們幫助學生建立一定的Matlab實用模塊，并為學生提供一定的參數(shù)接口，學生可以根據(jù)功率等級等要求，自行修改相關參數(shù)。除了統(tǒng)一組織學生到仿真實驗室進行相關的仿真實驗外，學生還可以根據(jù)自己的興趣愛好，到課程網(wǎng)站下載仿真示例或?qū)嵱媚K，在課后做進一步的學習。

第二層次為基本演示實驗，實現(xiàn)科研成果與教學的有機結合。主要由指導教師操作或根據(jù)現(xiàn)場實物講解系統(tǒng)的工作原理和實現(xiàn)方式。

第三層次提高創(chuàng)新實驗包含課程設計與實習、新能源發(fā)電綜合設計實驗等環(huán)節(jié)，幫助成績優(yōu)秀的學生進一步拓展專業(yè)知識，提升實踐能力。

3.2 實驗平臺的建設

1)示范性教學實驗平臺的建設

示范性教學實驗平臺通常屬于綜合性演示教學系統(tǒng)，涵蓋課程的大部分教學內(nèi)容。以微電網(wǎng)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)屬于分布式發(fā)電的范疇，其基本組成如圖2所示，由光伏發(fā)電裝置、風力發(fā)電裝置、儲能裝置、本地負載以及系統(tǒng)中央控制單元等構成。在中央控制單元的協(xié)調(diào)管理和控制下，微電網(wǎng)系統(tǒng)既可以并網(wǎng)運行，也可以離網(wǎng)運行。不同模式下系統(tǒng)內(nèi)光伏、風電等新能源發(fā)電裝置均可以正常運行。

圖2 微電網(wǎng)示范系統(tǒng)結構示意圖

圖3為實驗室內(nèi)建立的示范性教學實驗平臺人機交互界面。該平臺不僅可以用于本科生的實驗示范教學，也可以作為研究生的科研驗證平臺，具有較高的實用價值。

通過該演示平臺，學生可以學習和鞏固如下內(nèi)容:

圖3 人界接口界面

(1)光伏發(fā)電系統(tǒng)的構成、MPPT的基本原理、光伏逆變器的基本構成及工作原理;

(2)風力發(fā)電系統(tǒng)的構成及控制、風力機模擬系統(tǒng)及原理等;

(3)儲能變流器工作原理及工程實現(xiàn);

(4)分布式發(fā)電系統(tǒng)的基本結構和工作原理;

(5)微電網(wǎng)的基本概念和工作原理。

上述內(nèi)容基本涵蓋了本課程的絕大部分重要知識點，非常具有代表性。

此外，為了提高實驗教學質(zhì)量，還編寫了演示平臺用戶說明書，內(nèi)容包括:

(1)系統(tǒng)實驗平臺的結構組成，各組成部件的基本參數(shù);

(2)實驗平臺開放式接口的詳細說明書，輸入、輸出特性的要求及限定條件;

(3)實驗目的、內(nèi)容和流程;

(4)實驗平臺的上電操作步驟;

(5)安全用電使用說明。

2)提高創(chuàng)新實驗裝置的建設

對于第三層次的提高創(chuàng)新實驗，以培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新思考能力為主，實驗內(nèi)容和要求根據(jù)學生的能力和興趣有所區(qū)別。學生可以根據(jù)自己的情況，選擇對應的實驗任務，在給定設計任務和要求的情況下，學生自主完成資料收集、方案擬定、設計、調(diào)試和設計報告。整個過程強調(diào)自主性，這種面向任務的教學方法給予學生最大的發(fā)揮空間，培養(yǎng)了學生分析與解決問題的能力。

當然，提高創(chuàng)新實驗裝置相對較為靈活，沒有固定的專門實驗裝置。實驗室主要為學生提供一些自制的實驗板或模塊，例如MCU控制模塊、電力電子器件模塊、驅(qū)動模塊、電源模塊和保護模塊等。同時提供調(diào)試用直流電源、數(shù)字示波器、差分探頭、萬用表、功率分析儀和模擬負載等儀器設備。學生可以根據(jù)實驗任務，選取合適的模塊進行組合，并編寫簡單的程序。做到真正自己動手搭建和調(diào)試電路。

4 結語

“新能源發(fā)電技術”是一門新開設的專業(yè)性課程，通過課程改革和教學實驗平臺的建設，使教學內(nèi)容和方法更加符合該課程的特點和需求，同時教學效果也得到了很大程度的改善，主要表現(xiàn)在:

(1)教學內(nèi)容更加符合電類專業(yè)學生的知識背景以及該專業(yè)的整體培養(yǎng)目標，兼具一定的廣度和深度;

(2)改革后學生的學習積極性和主動性有了大幅提升，學生從純粹的學習角色，轉化為教與學的雙重身份。學生在獲取專業(yè)知識的同時，自學能力和語言表述能力也得到了較好的鍛煉;

(3)通過實驗教學的開展，進一步加深學生對重要知識點的理解和領悟，同時也培養(yǎng)了學生分析問題、解決問題的能力。

[1]朱永強.新能源與分布式發(fā)電技術[M]，北京:北京大學出版社，2010.09.

[2]孫欣，黃永紅.“新能源發(fā)電技術”課程教學改革與實踐[J].北京:中國電力教育，2011，(35):95-96.

[3]馬海嘯.“新能源發(fā)電技術”課程建設與教學改革[J].北京:中國電力教育，2011，(27):148-149.

[4]陳春香，李嘯驄，梁志堅等，“新能源發(fā)電技術”課程教學改革與探索[J]，北京:中國電力教育，2013，(5):62，102.