陳 杰，秦海鴻，龔春英，劉 闖

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)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(jī)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(duì)高年級(jí)本科生或者研究生開設(shè)了“新能源發(fā)電技術(shù)”課程，以幫助學(xué)生全面地認(rèn)識(shí)和掌握新能源利用的形式，特別是新能源發(fā)電技術(shù)的基本理論和前沿動(dòng)態(tài)，進(jìn)一步拓寬學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)面，提升學(xué)生對(duì)新能源發(fā)電技術(shù)的學(xué)習(xí)和鉆研興趣[2，3]。

“新能源發(fā)電技術(shù)“是我校針對(duì)高年級(jí)本科生和研究生課開設(shè)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(shù)”課程具有知識(shí)點(diǎn)多、綜合性強(qiáng)以及與工程聯(lián)系緊密等特點(diǎn)。知識(shí)點(diǎn)多是指課程涉及光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電、潮汐發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電等多種技術(shù)，涵蓋的能源種類和發(fā)電方式繁多，對(duì)學(xué)生和教師在專業(yè)知識(shí)深度和廣度上均提出了很高的要求。綜合性強(qiáng)是指課程涵蓋電氣、能源動(dòng)力、材料、化學(xué)、機(jī)械、控制等多個(gè)學(xué)科，屬典型的學(xué)科交叉課程，綜合性非常強(qiáng)。和工程聯(lián)系緊密是指課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容與工程實(shí)踐密切相關(guān)，所學(xué)內(nèi)容大多是實(shí)實(shí)在在的工程裝置。但是學(xué)生往往不具備相關(guān)的工程基礎(chǔ)，很難將課堂教學(xué)的理論知識(shí)與工程實(shí)際相互聯(lián)系。

可見，該課程的這些特點(diǎn)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)、教師教學(xué)和學(xué)校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)都提出了更高的要求。傳統(tǒng)的教學(xué)方法已很難滿足課程的需求，特別是很難找到現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。因此，非常有必要探索一種適合該課程的教學(xué)方式，用新的教學(xué)方法和手段來適應(yīng)課程的需求。其次，建立便于學(xué)生入門和理解的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，幫助學(xué)習(xí)理解、消化相關(guān)的理論知識(shí)，做到理論與實(shí)踐相統(tǒng)一。

針對(duì)“新能源發(fā)電技術(shù)”課程的特點(diǎn)和存在的問題，本文對(duì)其作了較為系統(tǒng)的分析和研究。針對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行了調(diào)整與改革，并充分利用與之相關(guān)的科研成果和演示平臺(tái)，供學(xué)生現(xiàn)場觀摩。此外，還專門建設(shè)了便于學(xué)生理解和操作的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并編寫了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)。

1 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整與優(yōu)化

作為一門新開設(shè)的課程，當(dāng)前可選的教材相對(duì)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。

筆者根據(jù)電氣工程專業(yè)高年級(jí)本科生的知識(shí)構(gòu)成和本校的專業(yè)特色，結(jié)合多年來在風(fēng)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(rèn)為教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)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(fēng)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(shù)作為主要講授內(nèi)容，詳細(xì)、深入講解，要求學(xué)生重點(diǎn)掌握。而將生物質(zhì)能發(fā)電、潮汐能發(fā)電和地?zé)岚l(fā)電等作為補(bǔ)充介紹對(duì)象，以了解為主。

由于新能源發(fā)電技術(shù)屬于前沿科學(xué)，其發(fā)展日新月異，因此教學(xué)內(nèi)容需要不斷更新，現(xiàn)有的教材反應(yīng)遲緩。因此，我們的教學(xué)內(nèi)容介紹了最新的科技發(fā)展成果和科研成果，讓學(xué)生能充分接觸各種新知識(shí)，拓寬視野，了解科技前沿的最新動(dòng)態(tài)，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。以風(fēng)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(jié)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(jí)學(xué)生使用。

2 教學(xué)方法的改革

2.1 發(fā)揮多媒體教學(xué)方式的優(yōu)勢(shì)

在教學(xué)實(shí)踐過程中，多使用圖片、動(dòng)畫和視頻來增加課件的生動(dòng)性與感染力，豐富教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式[4]。例如:加入各種實(shí)物圖片、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖以及現(xiàn)場施工圖片，插入各種Flash動(dòng)畫，比如選用Multibrid 5MW風(fēng)電機(jī)組的工作過程和Fuhrlaender 2.5MW機(jī)組的安裝過程及燃料電池的工作原理等動(dòng)畫展示。

2.2 利用實(shí)物模型提升教學(xué)效果

利用便于攜帶和傳閱的小型實(shí)物或者比例縮小模型，來進(jìn)一步提升課堂教學(xué)的感染力。實(shí)物模型與教材中的理論知識(shí)相聯(lián)系，能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的效果。圖1為課堂教學(xué)過程中所使用的部分實(shí)物或模型。

圖1 課堂教學(xué)用模型與實(shí)物

2.3 課堂組織形式

與一般的基礎(chǔ)課不同，本課程宜采用小班化教學(xué)，并將啟發(fā)、討論、任務(wù)驅(qū)動(dòng)等教學(xué)形式相結(jié)合，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

在課程開始階段，將學(xué)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(fēng)力機(jī)的最大功率跟蹤等。所給的專題緊密貼合教學(xué)大綱的要求，但又適當(dāng)?shù)靥岣唠y度，貼近工程。學(xué)生通過查閱資料，對(duì)給定的專題進(jìn)行學(xué)習(xí)和理解，并形成自己的觀點(diǎn)，然后在課堂上以講解、討論等形式加深對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。這不但鍛煉了學(xué)生檢索文獻(xiàn)和自學(xué)的能力，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生分析和歸納總結(jié)的能力，加深了他們對(duì)知識(shí)的理解和掌握。

在學(xué)生討論的過程中，會(huì)產(chǎn)生各種疑問。教師應(yīng)該針對(duì)該疑問進(jìn)一步分析和講解。講課過程中應(yīng)多注意啟發(fā)學(xué)生對(duì)問題的思考，引導(dǎo)他們尋找問題的答案，從而讓學(xué)生更加牢固地掌握知識(shí)。這種以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)的啟發(fā)式教育，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，但對(duì)教師提出了更高的要求。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

“新能源發(fā)電技術(shù)”課程與工程聯(lián)系緊密，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和實(shí)踐性。因此，除了做好理論教學(xué)，更應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，制定可實(shí)施的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)大綱。為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐和創(chuàng)新能力，我們提出了“三層次”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。該體系由仿真入門實(shí)驗(yàn)、基本演示實(shí)驗(yàn)和提高創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)組成。

第一層次為仿真入門實(shí)驗(yàn)。我們幫助學(xué)生建立一定的Matlab實(shí)用模塊，并為學(xué)生提供一定的參數(shù)接口，學(xué)生可以根據(jù)功率等級(jí)等要求，自行修改相關(guān)參數(shù)。除了統(tǒng)一組織學(xué)生到仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)外，學(xué)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(jìn)一步的學(xué)習(xí)。

第二層次為基本演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)科研成果與教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。主要由指導(dǎo)教師操作或根據(jù)現(xiàn)場實(shí)物講解系統(tǒng)的工作原理和實(shí)現(xiàn)方式。

第三層次提高創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)包含課程設(shè)計(jì)與實(shí)習(xí)、新能源發(fā)電綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，幫助成績優(yōu)秀的學(xué)生進(jìn)一步拓展專業(yè)知識(shí)，提升實(shí)踐能力。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

1)示范性教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

示范性教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通常屬于綜合性演示教學(xué)系統(tǒng)，涵蓋課程的大部分教學(xué)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(fēng)力發(fā)電裝置、儲(chǔ)能裝置、本地負(fù)載以及系統(tǒng)中央控制單元等構(gòu)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(yùn)行，也可以離網(wǎng)運(yùn)行。不同模式下系統(tǒng)內(nèi)光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電裝置均可以正常運(yùn)行。

圖2 微電網(wǎng)示范系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立的示范性教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)人機(jī)交互界面。該平臺(tái)不僅可以用于本科生的實(shí)驗(yàn)示范教學(xué)，也可以作為研究生的科研驗(yàn)證平臺(tái)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

通過該演示平臺(tái)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)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(gòu)成、MPPT的基本原理、光伏逆變器的基本構(gòu)成及工作原理;

(2)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及控制、風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)及原理等;

(3)儲(chǔ)能變流器工作原理及工程實(shí)現(xiàn);

(4)分布式發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)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(shí)點(diǎn)，非常具有代表性。

此外，為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，還編寫了演示平臺(tái)用戶說明書，內(nèi)容包括:

(1)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成，各組成部件的基本參數(shù);

(2)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開放式接口的詳細(xì)說明書，輸入、輸出特性的要求及限定條件;

(3)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容和流程;

(4)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的上電操作步驟;

(5)安全用電使用說明。

2)提高創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)

對(duì)于第三層次的提高創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思考能力為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求根據(jù)學(xué)生的能力和興趣有所區(qū)別。學(xué)生可以根據(jù)自己的情況，選擇對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，在給定設(shè)計(jì)任務(wù)和要求的情況下，學(xué)生自主完成資料收集、方案擬定、設(shè)計(jì)、調(diào)試和設(shè)計(jì)報(bào)告。整個(gè)過程強(qiáng)調(diào)自主性，這種面向任務(wù)的教學(xué)方法給予學(xué)生最大的發(fā)揮空間，培養(yǎng)了學(xué)生分析與解決問題的能力。

當(dāng)然，提高創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置相對(duì)較為靈活，沒有固定的專門實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)室主要為學(xué)生提供一些自制的實(shí)驗(yàn)板或模塊，例如MCU控制模塊、電力電子器件模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和保護(hù)模塊等。同時(shí)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(fù)載等儀器設(shè)備。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，選取合適的模塊進(jìn)行組合，并編寫簡單的程序。做到真正自己動(dòng)手搭建和調(diào)試電路。

4 結(jié)語

“新能源發(fā)電技術(shù)”是一門新開設(shè)的專業(yè)性課程，通過課程改革和教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，使教學(xué)內(nèi)容和方法更加符合該課程的特點(diǎn)和需求，同時(shí)教學(xué)效果也得到了很大程度的改善，主要表現(xiàn)在:

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

(2)改革后學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性有了大幅提升，學(xué)生從純粹的學(xué)習(xí)角色，轉(zhuǎn)化為教與學(xué)的雙重身份。學(xué)生在獲取專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，自學(xué)能力和語言表述能力也得到了較好的鍛煉;

(3)通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的理解和領(lǐng)悟，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

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

[2]孫欣，黃永紅.“新能源發(fā)電技術(shù)”課程教學(xué)改革與實(shí)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(shù)”課程建設(shè)與教學(xué)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(jiān)等，“新能源發(fā)電技術(shù)”課程教學(xué)改革與探索[J]，北京:中國電力教育，2013，(5):62，102.