風(fēng)能及其利用技術(shù)課程思政改革與工程思維培育探索

雷 標(biāo)

（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

煤、石油和天然氣等傳統(tǒng)化石能源的大規(guī)模開發(fā)利用已在世界眾多地區(qū)造成了相當(dāng)嚴(yán)重的環(huán)境問題，由此產(chǎn)生的碳減排也受到越來越多的關(guān)注。近年來，全球碳減排呼聲越來越高，各國紛紛出臺碳減排的各項政策。為了減小碳排放，以風(fēng)能、太陽能利用為代表的近零碳排放能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展。隨著碳減排各項措施的逐步落地，相關(guān)新能源產(chǎn)業(yè)還將迎來更大的發(fā)展空間。風(fēng)能作為一種清潔無污染的可再生能源，已在世界范圍內(nèi)實現(xiàn)了較大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，在確保能源安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減小溫室氣體排放方面發(fā)揮了重要作用。在高校人才培養(yǎng)過程中，以風(fēng)能及其利用技術(shù)為代表的相關(guān)課程的重要性日益凸顯，在新能源科學(xué)與工程等能源動力類專業(yè)教學(xué)計劃中的地位也將進(jìn)一步提升。為提高新能源科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，開展該課程思政教學(xué)改革，深化學(xué)生對“雙碳”、風(fēng)電等新能源產(chǎn)業(yè)培育、能源安全等國家重大戰(zhàn)略、政策的理解，并潛移默化地植入為民族產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)自身力量的使命感；培育學(xué)生的工程思維，提升學(xué)生從事風(fēng)力發(fā)電相關(guān)研究、設(shè)計、安裝和運維的能力以及工程創(chuàng)新能力；從而盡快形成新能源、新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生力軍，投身新能源開發(fā)利用事業(yè)。

一 學(xué)生的基本情況及改革的必要性

北京工業(yè)大學(xué)新能源學(xué)科與工程專業(yè)風(fēng)能及其利用技術(shù)課程（以下簡稱“本課程”）一般安排在第五或第六學(xué)期開設(shè)，屬于學(xué)生接觸較早的一門專業(yè)課。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，初步掌握風(fēng)力機的基本理論、風(fēng)力發(fā)電裝置的工作原理、風(fēng)電場電力系統(tǒng)等基本知識，為今后從事風(fēng)電事業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。在修讀本課程之前，學(xué)生已普遍修讀完成工程流體力學(xué)、工程力學(xué)、機械設(shè)計基礎(chǔ)和電工技術(shù)等課程。與本課程不同的是，這些先修課程均呈現(xiàn)出很強的理論性和系統(tǒng)性，即所有問題答案的唯一性和排他性?？陀^來說，修讀這些課程對學(xué)生邏輯思維、科學(xué)思維的形成和發(fā)展至關(guān)重要，但由于課程自身的屬性，在培育學(xué)生的工程思維方面往往有所不足。因此，推動風(fēng)能及其利用技術(shù)課程教學(xué)改革，培育學(xué)生的工程思維，對于提高工程科技創(chuàng)新能力非常重要。與此同時，隨著課程思政各項措施的實施，學(xué)生對課程思政呈現(xiàn)出一定的疲勞感。創(chuàng)新思政教學(xué)方法，吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，在不經(jīng)意間鞏固思政教學(xué)成果，十分必要。本文以北京工業(yè)大學(xué)新能源科學(xué)與工程專業(yè)風(fēng)能及其利用技術(shù)課堂教學(xué)出發(fā)，深入挖掘該課程思政相關(guān)元素，同時從風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的歷史演變邏輯和發(fā)展規(guī)律出發(fā)，培育學(xué)生的工程思維，為工程科技創(chuàng)新打下良好基礎(chǔ)。

二 風(fēng)能及其利用技術(shù)課程思政改革方案與成效

北京工業(yè)大學(xué)風(fēng)能及其利用技術(shù)課程的主要教學(xué)內(nèi)容包括風(fēng)電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展簡史、風(fēng)資源與風(fēng)特性、風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)與工作原理、風(fēng)力機空氣動力學(xué)和風(fēng)電場電氣系統(tǒng)等內(nèi)容。顯然在風(fēng)電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展簡史中，有眾多可以深入挖掘的思政元素，支撐思政教學(xué)改革創(chuàng)新。相關(guān)具體措施及取得的主要成效如下。

（一）引導(dǎo)學(xué)生深刻體會我國風(fēng)電、光伏等新型能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對“雙碳”戰(zhàn)略的強力支撐，自覺融入低碳發(fā)展的歷史趨勢

在世界范圍內(nèi)，減小二氧化碳等溫室氣體排放的主要原因為近年來極端天氣頻發(fā)，世界各國深受其害。各國研究人員一般將極端天氣多發(fā)歸因于全球累計碳排放。同時，我國在2022 年的碳排放量超過100 億t，已成為全球第一大排放國，其中電力行業(yè)是我國最大的CO2排放行業(yè)，碳排放量約占全國碳排放總量的40%[1]。一些敵對勢力不顧自身的碳排放歷史，從限制中國等后發(fā)國家進(jìn)一步發(fā)展的角度出發(fā)，以碳排放為武器，以碳稅為抓手，對中國大肆攻擊，要求立即減少碳排放。我國在承受這些壓力的同時，一方面從發(fā)達(dá)國家歷史累計碳排放和后發(fā)國家的發(fā)展權(quán)出發(fā)，對這些勢力的惡意攻擊給予回?fù)?。另一方面，大力扶持國?nèi)風(fēng)電、光伏等低碳可再生能源產(chǎn)業(yè)，早在2003 年就開始布局國內(nèi)的大型風(fēng)電基地[2]，通過頒布《中華人民共和國可再生能源法》，實行電價補貼等一系列有力政策，促使我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)逐漸站穩(wěn)腳跟，并得到快速發(fā)展。在光伏領(lǐng)域，我國的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢更加突出?；谝陨媳尘?，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布，中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！半p碳”目標(biāo)的提出必將為以風(fēng)電為代表的新能源產(chǎn)業(yè)迎來更廣闊的發(fā)展空間。通過講解，使學(xué)生認(rèn)識到“雙碳”目標(biāo)的提出既有回?fù)魯硨萘Φ默F(xiàn)實需要，又有作為負(fù)責(zé)任國家的具體體現(xiàn)，更有近二十年來我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的支撐，這使我們有決心、有能力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。進(jìn)一步明確“雙碳”目標(biāo)為新能源產(chǎn)業(yè)提供了更廣闊的發(fā)展空間，而不是發(fā)展受限，使學(xué)生深刻理解并支持我國的減排事業(yè)，增強為開發(fā)新能源發(fā)揮自己力量的使命感，自覺融入我國低碳發(fā)展的歷史趨勢。

（二）深入領(lǐng)會能源安全的極端重要性，掌握風(fēng)能資源開發(fā)利用與國家能源安全的關(guān)系，增強對我國能源安全的信心

近年來，雖然新能源產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，但化石能源占我國能源消費中的比例依舊很高。我國石油對外依存度超70%，天然氣對外依存度超40%[3]。在教學(xué)實踐中，可從俄羅斯-德國北溪天然氣管道遭到破壞出發(fā)，引入能源安全的極端重要性，探討我國可能面臨的能源安全問題。基于風(fēng)能自身屬性，指出開發(fā)利用風(fēng)光等可再生能源本身就是保障能源安全的措施之一。我國的風(fēng)能資源多集中在三北地區(qū)（即東北、西北和華北），而能源消耗集中在東南沿海等發(fā)達(dá)地區(qū)，能源生產(chǎn)和消費的空間匹配性較差。一方面，雖然可以把高能耗工廠建設(shè)在可再生能源豐富的三北地區(qū)，提高能源生產(chǎn)和消費的空間匹配性。另一方面，發(fā)展超長距離、超高壓輸電技術(shù)可能解決能源生產(chǎn)和消費的空間不匹配性。同時，面對風(fēng)能、太陽能等能源供給側(cè)的不穩(wěn)定性，發(fā)展以儲能電池為代表的電能存儲技術(shù)也勢在必行。在超高壓輸電、儲能電池領(lǐng)域，我國已取得國際領(lǐng)先地位，風(fēng)力發(fā)電、光伏為代表的電能供給技術(shù)也走在國際前列。在把握好實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)節(jié)奏的同時[4]，基于風(fēng)能太陽能資源的本士特征，風(fēng)電開發(fā)、超高壓輸電和儲能技術(shù)的飛速發(fā)必將提高我國的能源安全水平。

（三）掌握風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展與我國的社會主義體制的密切聯(lián)系和內(nèi)在邏輯關(guān)系，增強學(xué)生對我國快速發(fā)展的信心，鞏固道路自信

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，和丹麥、美國等先進(jìn)國家相比，我國風(fēng)電起步要晚得多。雖然在20 世紀(jì)80 年代開始利用國外技術(shù)、資金等建設(shè)了少量示點項目，但整體而言，由于產(chǎn)業(yè)觀念落后，技術(shù)上、產(chǎn)業(yè)鏈上完全依賴國外，發(fā)展十分緩慢。但是風(fēng)電相關(guān)的科學(xué)研究已經(jīng)開始，并逐步形成一定的技術(shù)積累[5]。2003 年后，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)開始得到迅速發(fā)展。為了促進(jìn)可再生能源的開發(fā)利用，2005 年頒布《中華人民共和國可再生能源法》，同時在2009 年制訂陸上風(fēng)電機組上網(wǎng)電價，并對風(fēng)電企業(yè)進(jìn)行稅收優(yōu)惠[6]。通過一系列科學(xué)謀劃，我國已形成一套包括風(fēng)機主機制造、核心部件研發(fā)、建設(shè)與運行維護(hù)在內(nèi)的完整產(chǎn)業(yè)鏈[7]。據(jù)彭博新聞財經(jīng)統(tǒng)計，截至2022 年，不僅風(fēng)電年裝機容量連續(xù)13 年全球第一，全球風(fēng)電整機制造商新增吊裝容量前十排名中，中國企業(yè)占據(jù)六席。與此同時，相關(guān)的研發(fā)水平也在持續(xù)提升，在超長葉片制造、超高塔架和超高海拔風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位[7]。這些說明，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)僅用了20 年就走出了一條發(fā)達(dá)國家近百年走過的路。通過講解并開展課堂討論，對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的原因進(jìn)行總結(jié)，最終體現(xiàn)出我國的超大規(guī)模市場優(yōu)勢、集中力量辦大事優(yōu)勢和全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，從而實現(xiàn)在悄無聲息中培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感，激發(fā)其愛國情懷，增強了學(xué)生對我國快速發(fā)展的信心，鞏固了我們的道路自信。

（四）明確風(fēng)電系統(tǒng)在核心部件領(lǐng)域與世界先進(jìn)水平的差距，激勵學(xué)生為突破核心技術(shù)貢獻(xiàn)力量

近年來，雖然我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，裝機量、生產(chǎn)量等多項指標(biāo)都穩(wěn)居世界第一。但是在部分細(xì)分領(lǐng)域，與國際領(lǐng)先水平仍有不小的差距。以軸承為例，風(fēng)電機組的軸承主要有主軸軸承、變槳軸承、偏航軸承和變槳軸承等。以新強聯(lián)為代表的中國企業(yè)，僅在中低容量風(fēng)電機組市場中占有勢。大容量機組中，我們僅能在變槳軸承、偏航軸承中占據(jù)一定的市場份額，在技術(shù)水平要求更高的主軸軸承領(lǐng)域，仍長期被瑞典斯凱孚SKF 等國外品牌壟斷[8]。在葉片領(lǐng)域，我國雖然可以制造超長葉片，但隨著葉片的大型化，碳纖維將成為超大型葉片的理想材料，而國際上碳纖維產(chǎn)能多集中在東麗、卓爾泰克、三菱等國外品牌[9]。在海上風(fēng)電領(lǐng)域，我們?nèi)詫儆诤髞碚?，海上風(fēng)電裝機容量雖在迅速發(fā)展，但相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢并不明顯，深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)仍不成熟[10]，柔性直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵電氣設(shè)備仍未完全實現(xiàn)國產(chǎn)化[11]。顯然突破相關(guān)核心技術(shù)，需要材料科學(xué)、流體力學(xué)、機械設(shè)計、電氣工程等多學(xué)科專業(yè)知識，需要具備多學(xué)科背景的專門人才，這就要求我們不僅要學(xué)習(xí)好本專業(yè)的專門知識，還要具有跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力，具有學(xué)科專業(yè)交叉能力，要樹立正確的學(xué)習(xí)觀，重視學(xué)習(xí)能力與學(xué)習(xí)習(xí)慣的培養(yǎng)，要重視終身學(xué)習(xí)，具有團(tuán)隊精神，需要多學(xué)科協(xié)同攻關(guān)才能攻克核心技術(shù)，取得技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，產(chǎn)業(yè)競爭不是一門學(xué)科的競爭，而是多學(xué)科跨平臺的競爭。

三 工程思維培育

工程思維是一種應(yīng)用性的思維方式，強調(diào)實踐、問題解決和效益。在大學(xué)工科教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力是難點之一。經(jīng)過高考的選拔和兩年基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)的本科生，學(xué)術(shù)思維、邏輯思維已經(jīng)得到很好訓(xùn)練。作為新工科背景下的工科學(xué)生，受到近年來工程教學(xué)理科化的影響[12]，學(xué)生普遍缺乏工程思維，習(xí)慣用理想化思維來考慮實際問題，容易忽略實際問題的多樣性和復(fù)雜性。而工程思維的培育和發(fā)展是新時代工科教學(xué)的重要目標(biāo)，同時也是解決復(fù)雜工程問題、實現(xiàn)工程創(chuàng)新的必要條件，也是自身競爭力的重要體現(xiàn)[13]。學(xué)生工程思維不足的原因之一就是理論教學(xué)和實踐教學(xué)的分割，即理論教學(xué)專門教授理論知識，實踐教學(xué)培養(yǎng)動手能力，而工程思維不同于動手能力，單純的實踐教學(xué)對培養(yǎng)工程思維作用有限。本文以風(fēng)能及其利用技術(shù)課堂為例，探索通過風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展史和發(fā)展趨勢的學(xué)習(xí)來培育學(xué)生的工程思維，同時提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展史，本身就是培養(yǎng)學(xué)生工程思維的最佳教材之一。雖然對風(fēng)能的利用有幾千年的歷史，但將風(fēng)力用于發(fā)電源于美國和丹麥。查爾斯F·布拉什（美國，1849—1929）在1887—1888 年，安裝了第一臺用于發(fā)電的自動運行風(fēng)電機組。該機組葉輪直徑達(dá)17 m，有144個材質(zhì)為雪松木的葉片。該機組采用尾舵對風(fēng)，轉(zhuǎn)速低，發(fā)電功率僅為12 kW。在肯定查爾斯F·布拉什創(chuàng)新精神的同時，引導(dǎo)學(xué)生對該機組進(jìn)行討論，對其風(fēng)能利用系數(shù)進(jìn)行測算，指出不足，并提出個人的改進(jìn)思路，設(shè)計驗證改進(jìn)思路的試驗。根據(jù)相關(guān)結(jié)果進(jìn)一步探討科學(xué)與工程的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生提出工程方案、試驗驗證方案，對方案進(jìn)行客觀評價的能力。然后根據(jù)風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，過渡到保羅·拉·庫爾（丹麥，1846—1908）風(fēng)力發(fā)電試驗。從試驗結(jié)果看出，低葉片數(shù)、高轉(zhuǎn)速風(fēng)輪呈現(xiàn)出較好的性能，從而引導(dǎo)學(xué)生正確看待工程試驗與工程設(shè)計的關(guān)系。隨著風(fēng)電技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，以三葉片、上風(fēng)向、氣動葉尖剎車、電動機械偏航、交流異步發(fā)電機和失速型葉片結(jié)構(gòu)等為特征的丹麥概念風(fēng)電機組逐漸成型，成為現(xiàn)代風(fēng)電機組的設(shè)計先驅(qū)。從丹麥概念風(fēng)電機組的設(shè)計理念出發(fā)，明確其解決的現(xiàn)實問題，以及用于現(xiàn)代大型風(fēng)電機組設(shè)計時的不足。最后再從經(jīng)濟(jì)、社會角度分析20 世紀(jì)70 年代早期風(fēng)電技術(shù)發(fā)展相對緩慢的原因。從化石能源的大規(guī)模使用、丹麥自身的資源稟賦出發(fā)，客觀看待早期風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，正確認(rèn)識化石能源與現(xiàn)代可再生能源利用的關(guān)系，深入領(lǐng)會工程技術(shù)的發(fā)展與自然科學(xué)水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與自然條件之間的關(guān)系[14]。20 世紀(jì)70 年代以來，石油危機促進(jìn)了風(fēng)能為代表的新能源技術(shù)飛速發(fā)展。由于建造維護(hù)成本低、占地面積小的優(yōu)勢,大型風(fēng)電機組得到迅速發(fā)展。引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)分析丹麥概念機組的技術(shù)特征應(yīng)用于現(xiàn)代大型風(fēng)電機組設(shè)計的適應(yīng)性，明確變槳技術(shù)產(chǎn)生的歷史邏輯。近年來，隨著風(fēng)電技術(shù)向海洋、深海發(fā)展，主流風(fēng)電技術(shù)的三種技術(shù)形態(tài)雙饋、直驅(qū)、半直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用于海上風(fēng)電的適用性，作為專題開展課堂討論和辯論，引導(dǎo)學(xué)生形成自己的判斷能力，培育工程思維。

從以上可知，工程方案的選擇是牽涉到技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性、資源的可獲得性，以及眾多現(xiàn)場條件因素、人文自然因素，是一個復(fù)雜的問題。和學(xué)術(shù)問題不同，這個復(fù)雜問題的答案并不唯一，來源于眾多工程實踐。工程方案的多樣化與檢驗標(biāo)準(zhǔn)的市場化、長期化是驗證工程問題解決方案正確與否的主要判據(jù)。在長期的發(fā)展過程中，經(jīng)得起歷史、市場的檢驗的工程方案才是正確的，以此為切入口解放學(xué)生的思維，深化學(xué)生對復(fù)雜工程問題的認(rèn)識，培育工程思維，為工程創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。

四 結(jié)束語

風(fēng)能及其利用技術(shù)雖然是一門理論課，涉及風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)與工程原理、風(fēng)力機空氣動力學(xué)等知識，但仍有很多思政元素可以挖掘，可以從“雙碳”戰(zhàn)略的提出背景出發(fā)，明確我國新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展為“雙碳”戰(zhàn)略提供的強力支撐，使學(xué)生自覺融入低碳發(fā)展的歷史趨勢；進(jìn)一步深入領(lǐng)會國家能源安全的重要性，掌握風(fēng)能資源開發(fā)利用與國家能源安全的關(guān)系；認(rèn)清風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展與我國的社會主義體制的密切聯(lián)系和內(nèi)在邏輯關(guān)系，增強學(xué)生對我國快速發(fā)展的信心，鞏固道路自信；分析在風(fēng)電核心部件領(lǐng)域與世界先進(jìn)水平的差距，激勵學(xué)生為突破核心技術(shù)貢獻(xiàn)力量。還通過對風(fēng)電技術(shù)發(fā)展史和發(fā)展趨勢的分析，培育學(xué)生的工程思維，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識風(fēng)電技術(shù)的演變和創(chuàng)新過程，正確認(rèn)識風(fēng)電技術(shù)發(fā)展背后的社會、經(jīng)濟(jì)、資源等因素，培育學(xué)生全面思考工程問題的能力和批判性思維，形成對各種工程技術(shù)方案進(jìn)行審查、評價的能力，為工程創(chuàng)新打下良好基礎(chǔ)。經(jīng)過多年努力，北京工業(yè)大學(xué)風(fēng)能及其利用技術(shù)課程已形成以工程流體力學(xué)、電工技術(shù)、機械設(shè)計基礎(chǔ)和工程力學(xué)等課程為基礎(chǔ)，以風(fēng)力發(fā)電相關(guān)知識傳授為主軸，以課程思政教學(xué)改革為兩翼，以掌握風(fēng)電相關(guān)專門知識，培育工程思維，提高解決復(fù)雜工程問題的能力和工程創(chuàng)新能力為目標(biāo)的課程體系，如圖1 所示。

圖1 北京工業(yè)大學(xué)風(fēng)能及其利用技術(shù)課程的基本體系