“新能源發電技術”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

開發和利用可再生綠色能源是解決能源危機與環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，特別是新能源發電技術的基本理論和前沿動態，進一步拓寬學生在專業領域的知識面，提升學生對新能源發電技術的學習和鉆研興趣[2，3]。

“新能源發電技術“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課。與其它專業課有所不同，“新能源發電技術”課程具有知識點多、綜合性強以及與工程聯系緊密等特點。知識點多是指課程涉及光伏發電、風力發電、燃料電池發電、潮汐發電、地熱發電和生物質能發電等多種技術，涵蓋的能源種類和發電方式繁多，對學生和教師在專業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。和工程聯系緊密是指課程學習的內容與工程實踐密切相關，所學內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。傳統的教學方法已很難滿足課程的需求，特別是很難找到現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一。

針對“新能源發電技術”課程的特點和存在的問題，本文對其作了較為系統的分析和研究。針對課程的教學內容、教學方法進行了調整與改革，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 教學內容的調整與優化

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，而忽略了內容的深度，難以激發學生的學習興趣和求知欲。

筆者根據電氣工程專業高年級本科生的知識構成和本校的專業特色，結合多年來在風力發電、光伏發電以及分布式發電方面的科研成果，認為教學內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，筆者選取了光伏發電、風力發電和燃料電池發電等具有廣泛發展前景的新能源發電技術作為主要講授內容，詳細、深入講解，要求學生重點掌握。而將生物質能發電、潮汐能發電和地熱發電等作為補充介紹對象，以了解為主。

由于新能源發電技術屬于前沿科學，其發展日新月異，因此教學內容需要不斷更新，現有的教材反應遲緩。因此，我們的教學內容介紹了最新的科技發展成果和科研成果，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，激發和培養學生的創新意識。以風力發電為例。筆者精選了本人和課題組的最新研究成果，并結合部分國內教材重新編寫了課程講義，力求內容深入淺出、圖文并茂，科普性和前沿性并重，非常適合電氣工程專業的高年級學生使用。

2 教學方法的改革

2.1 發揮多媒體教學方式的優勢

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，豐富教學內容和教學形式[4]。例如:加入各種實物圖片、內部結構圖以及現場施工圖片，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系，能進一步激發學生的學習興趣，達到理論聯系實際的效果。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、討論、任務驅動等教學形式相結合，以激發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，如光伏發電系統的最大功率跟蹤、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，但又適當地提高難度，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式教育，能充分調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

“新能源發電技術”課程與工程聯系緊密，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節，制定可實施的實驗環節教學內容和教學大綱。為了培養學生的實驗、實踐和創新能力，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接口，學生可以根據功率等級等要求，自行修改相關參數。除了統一組織學生到仿真實驗室進行相關的仿真實驗外，學生還可以根據自己的興趣愛好，到課程網站下載仿真示例或實用模塊，在課后做進一步的學習。

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

第三層次提高創新實驗包含課程設計與實習、新能源發電綜合設計實驗等環節，幫助成績優秀的學生進一步拓展專業知識，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，涵蓋課程的大部分教學內容。以微電網系統為例，該系統屬于分布式發電的范疇，其基本組成如圖2所示，由光伏發電裝置、風力發電裝置、儲能裝置、本地負載以及系統中央控制單元等構成。在中央控制單元的協調管理和控制下，微電網系統既可以并網運行，也可以離網運行。不同模式下系統內光伏、風電等新能源發電裝置均可以正常運行。

圖2 微電網示范系統結構示意圖

圖3為實驗室內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容:

圖3 人界接口界面

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

(2)風力發電系統的構成及控制、風力機模擬系統及原理等;

(3)儲能變流器工作原理及工程實現;

(4)分布式發電系統的基本結構和工作原理;

(5)微電網的基本概念和工作原理。

上述內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量，還編寫了演示平臺用戶說明書，內容包括:

(1)系統實驗平臺的結構組成，各組成部件的基本參數;

(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)提高創新實驗裝置的建設

對于第三層次的提高創新實驗，以培養學生的動手能力和創新思考能力為主，實驗內容和要求根據學生的能力和興趣有所區別。學生可以根據自己的情況，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、調試和設計報告。整個過程強調自主性，這種面向任務的教學方法給予學生最大的發揮空間，培養了學生分析與解決問題的能力。

當然，提高創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、驅動模塊、電源模塊和保護模塊等。同時提供調試用直流電源、數字示波器、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試電路。

4 結語

“新能源發電技術”是一門新開設的專業性課程，通過課程改革和教學實驗平臺的建設，使教學內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，主要表現在:

(1)教學內容更加符合電類專業學生的知識背景以及該專業的整體培養目標，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.