“新能源发电技术”课程建设与教学改革

2015-07-04秦海鸿龚春英

电气电子教学学报 2015年2期

陈杰，秦海鸿，龚春英，刘闯

(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016)

0 引言

开发和利用可再生绿色能源是解决能源危机与环境污染问题的有效途径之一[1]。近年来不少高校针对高年级本科生或者研究生开设了“新能源发电技术”课程，以帮助学生全面地认识和掌握新能源利用的形式，特别是新能源发电技术的基本理论和前沿动态，进一步拓宽学生在专业领域的知识面，提升学生对新能源发电技术的学习和钻研兴趣[2，3]。

“新能源发电技术“是我校针对高年级本科生和研究生课开设的一门重要专业课。与其它专业课有所不同，“新能源发电技术”课程具有知识点多、综合性强以及与工程联系紧密等特点。知识点多是指课程涉及光伏发电、风力发电、燃料电池发电、潮汐发电、地热发电和生物质能发电等多种技术，涵盖的能源种类和发电方式繁多，对学生和教师在专业知识深度和广度上均提出了很高的要求。综合性强是指课程涵盖电气、能源动力、材料、化学、机械、控制等多个学科，属典型的学科交叉课程，综合性非常强。和工程联系紧密是指课程学习的内容与工程实践密切相关，所学内容大多是实实在在的工程装置。但是学生往往不具备相关的工程基础，很难将课堂教学的理论知识与工程实际相互联系。

可见，该课程的这些特点对学生的学习、教师教学和学校的教学实验平台建设都提出了更高的要求。传统的教学方法已很难满足课程的需求，特别是很难找到现成的实验装置进行实验教学。因此，非常有必要探索一种适合该课程的教学方式，用新的教学方法和手段来适应课程的需求。其次，建立便于学生入门和理解的实验平台，帮助学习理解、消化相关的理论知识，做到理论与实践相统一。

针对“新能源发电技术”课程的特点和存在的问题，本文对其作了较为系统的分析和研究。针对课程的教学内容、教学方法进行了调整与改革，并充分利用与之相关的科研成果和演示平台，供学生现场观摩。此外，还专门建设了便于学生理解和操作的实验平台，并编写了详细的实验指导手册。

1 教学内容的调整与优化

作为一门新开设的课程，当前可选的教材相对较少。而且大部分教材过于注重覆盖面，而忽略了内容的深度，难以激发学生的学习兴趣和求知欲。

笔者根据电气工程专业高年级本科生的知识构成和本校的专业特色，结合多年来在风力发电、光伏发电以及分布式发电方面的科研成果，认为教学内容的设置应兼顾一定的广度和深度，因地制宜，因材施教。譬如，笔者选取了光伏发电、风力发电和燃料电池发电等具有广泛发展前景的新能源发电技术作为主要讲授内容，详细、深入讲解，要求学生重点掌握。而将生物质能发电、潮汐能发电和地热发电等作为补充介绍对象，以了解为主。

由于新能源发电技术属于前沿科学，其发展日新月异，因此教学内容需要不断更新，现有的教材反应迟缓。因此，我们的教学内容介绍了最新的科技发展成果和科研成果，让学生能充分接触各种新知识，拓宽视野，了解科技前沿的最新动态，激发和培养学生的创新意识。以风力发电为例。笔者精选了本人和课题组的最新研究成果，并结合部分国内教材重新编写了课程讲义，力求内容深入浅出、图文并茂，科普性和前沿性并重，非常适合电气工程专业的高年级学生使用。

2 教学方法的改革

2.1 发挥多媒体教学方式的优势

在教学实践过程中，多使用图片、动画和视频来增加课件的生动性与感染力，丰富教学内容和教学形式[4]。例如:加入各种实物图片、内部结构图以及现场施工图片，插入各种Flash动画，比如选用Multibrid 5MW风电机组的工作过程和Fuhrlaender 2.5MW机组的安装过程及燃料电池的工作原理等动画展示。

2.2 利用实物模型提升教学效果

利用便于携带和传阅的小型实物或者比例缩小模型，来进一步提升课堂教学的感染力。实物模型与教材中的理论知识相联系，能进一步激发学生的学习兴趣，达到理论联系实际的效果。图1为课堂教学过程中所使用的部分实物或模型。

图1 课堂教学用模型与实物

2.3 课堂组织形式

与一般的基础课不同，本课程宜采用小班化教学，并将启发、讨论、任务驱动等教学形式相结合，以激发学生的学习积极性和主动性。

在课程开始阶段，将学生分成若于组，分别给定专题方向，如光伏发电系统的最大功率跟踪、风力机的最大功率跟踪等。所给的专题紧密贴合教学大纲的要求，但又适当地提高难度，贴近工程。学生通过查阅资料，对给定的专题进行学习和理解，并形成自己的观点，然后在课堂上以讲解、讨论等形式加深对知识的认识。这不但锻炼了学生检索文献和自学的能力，同时也锻炼了学生分析和归纳总结的能力，加深了他们对知识的理解和掌握。

在学生讨论的过程中，会产生各种疑问。教师应该针对该疑问进一步分析和讲解。讲课过程中应多注意启发学生对问题的思考，引导他们寻找问题的答案，从而让学生更加牢固地掌握知识。这种以学生为主体、以教师为主导的启发式教育，能充分调动学生学习主动性和积极性，但对教师提出了更高的要求。

3 实验教学和实验平台建设

3.1 实验教学体系

“新能源发电技术”课程与工程联系紧密，具有很强的实用性和实践性。因此，除了做好理论教学，更应加强实验教学环节，制定可实施的实验环节教学内容和教学大纲。为了培养学生的实验、实践和创新能力，我们提出了“三层次”的实验教学体系。该体系由仿真入门实验、基本演示实验和提高创新实验组成。

第一层次为仿真入门实验。我们帮助学生建立一定的Matlab实用模块，并为学生提供一定的参数接口，学生可以根据功率等级等要求，自行修改相关参数。除了统一组织学生到仿真实验室进行相关的仿真实验外，学生还可以根据自己的兴趣爱好，到课程网站下载仿真示例或实用模块，在课后做进一步的学习。

第二层次为基本演示实验，实现科研成果与教学的有机结合。主要由指导教师操作或根据现场实物讲解系统的工作原理和实现方式。

第三层次提高创新实验包含课程设计与实习、新能源发电综合设计实验等环节，帮助成绩优秀的学生进一步拓展专业知识，提升实践能力。

3.2 实验平台的建设

1)示范性教学实验平台的建设

示范性教学实验平台通常属于综合性演示教学系统，涵盖课程的大部分教学内容。以微电网系统为例，该系统属于分布式发电的范畴，其基本组成如图2所示，由光伏发电装置、风力发电装置、储能装置、本地负载以及系统中央控制单元等构成。在中央控制单元的协调管理和控制下，微电网系统既可以并网运行，也可以离网运行。不同模式下系统内光伏、风电等新能源发电装置均可以正常运行。

图2 微电网示范系统结构示意图

图3为实验室内建立的示范性教学实验平台人机交互界面。该平台不仅可以用于本科生的实验示范教学，也可以作为研究生的科研验证平台，具有较高的实用价值。

通过该演示平台，学生可以学习和巩固如下内容:

图3 人界接口界面

(1)光伏发电系统的构成、MPPT的基本原理、光伏逆变器的基本构成及工作原理;

(2)风力发电系统的构成及控制、风力机模拟系统及原理等;

(3)储能变流器工作原理及工程实现;

(4)分布式发电系统的基本结构和工作原理;

(5)微电网的基本概念和工作原理。

上述内容基本涵盖了本课程的绝大部分重要知识点，非常具有代表性。

此外，为了提高实验教学质量，还编写了演示平台用户说明书，内容包括:

(1)系统实验平台的结构组成，各组成部件的基本参数;

(2)实验平台开放式接口的详细说明书，输入、输出特性的要求及限定条件;

(3)实验目的、内容和流程;

(4)实验平台的上电操作步骤;

(5)安全用电使用说明。

2)提高创新实验装置的建设

对于第三层次的提高创新实验，以培养学生的动手能力和创新思考能力为主，实验内容和要求根据学生的能力和兴趣有所区别。学生可以根据自己的情况，选择对应的实验任务，在给定设计任务和要求的情况下，学生自主完成资料收集、方案拟定、设计、调试和设计报告。整个过程强调自主性，这种面向任务的教学方法给予学生最大的发挥空间，培养了学生分析与解决问题的能力。

当然，提高创新实验装置相对较为灵活，没有固定的专门实验装置。实验室主要为学生提供一些自制的实验板或模块，例如MCU控制模块、电力电子器件模块、驱动模块、电源模块和保护模块等。同时提供调试用直流电源、数字示波器、差分探头、万用表、功率分析仪和模拟负载等仪器设备。学生可以根据实验任务，选取合适的模块进行组合，并编写简单的程序。做到真正自己动手搭建和调试电路。