新能源發電與并網技術課程建設與教學改革

焦岳超　瞿博陽　肖俊明　武明義　周謙

摘 要 深入分析新能源發電與并網技術課程教學內容、教學方法以及實驗實踐平臺建設等，提出調整與優化的新方案。采用理論教學與實驗實踐同步結合的方法，激發學生學習興趣，增強學生的動手操作和工程實踐能力。

關鍵詞 新能源發電與并網技術；實驗平臺；教學改革

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）08-0091-03

Course Construction and Teaching Reform of New Energy Power

Generation and Grid Connected Technology//JIAO Yuechao， QU Boyang， XIAO Junming， WU Mingyi， ZHOU Qian

Abstract In this paper， the content of the course of the New Energy Power Generation and Grid Connected Technology teaching content， teaching methods and the construction of experimental practice platform are analyzed in depth， and the new scheme of adjustment and optimization is presented. Adopting theoretical teaching and experimental practice is able to stimulate students learning interest and enhance students ability of practice and engineering practice.

Key words new energy power generation and grid connected tech-nology； experimental platform； teaching reform

1 引言

能源是社會發展最重要的基礎性資源之一，是社會發展的原動力。為保證人類穩定、持久的能源供應，必須優化現存的、以不可再生的化石能源為主體的能源結構，大力發展太陽能、風能、生物質能、水能等可再生能源[1]。新能源發電與并網技術主要涉及電氣、材料、控制、電力電子技摘 要 針對地圖學課程教學中存在的問題，應用任務驅動教學理念，結合網絡教學綜合平臺、專業競技大賽、地理信息系統專業公共云平臺等，構建線上線下的多維一體教學模式，并在課程中進行實踐應用，激發學生的學習主動性，取得良好的教學效果。

關鍵詞 地圖學課程；任務驅動；多維一體教學模式

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）08-0089-03

Teaching Reform and Practice on Course of Cartography based on Task-driven and Multi-dimensional Integrated Mode//YIN Min， WANG Shitai

Abstract Aiming at the existing problems in the teaching of carto-graphy， the author applied task-driven teaching model， combined with network teaching integrated platform， professional competitive contest， GIS public cloud platform， and constructed a multi-dimen-sional integrated teaching mode online and offline. Through the prac-

tice on the course of cartography， it found that the teaching mode stimulated students learning initiative， and have achieved good tea-ching results.

Key words course of cartography； task-driven； multi-dimensional integrate teaching mode

1 前言

地圖學是地理科學及其相關專業的學生必修的一門專業基礎課，是一門技術性強、應用范圍廣、融理論與實踐于一體、綜合性極強的學科。地圖學教學以培養學生理解地圖學的相關理論，熟悉地圖編制的基本過程，掌握地圖的應用以及高新技術在地圖學中的滲入及應用為目的。地圖學的學習要求學生掌握地圖學基礎理論、地圖設計、編制的方法，掌握空間信息可視化的能力，掌握閱讀、使用各類地圖解譯空間信息的科學方法，為將來從事有關工作與研究奠定基礎。

目前的地圖學課程開設過程中，主要采用多媒體教學方式。雖然將傳統的板書“文字表達理論、手繪相關模型”的教學方式改進為“圖片呈現地圖、動畫表達模型”，但相較于完整實現上述教學目的，在教學方法上仍存在一些問題：1）教—學的學習模式，學生沒有主動感；2）平面的視覺感受，學生沒有空間感；3）原理方法的分塊分條，學生沒有實用感。

針對上述問題，網絡時代的教師亟待根據學生的特性、技術現狀，從三個方面進行改進：1）教學模式的改變；

2）（實物）立體感受的增加；3）以任務驅動的實踐項目為中心進行概念串講，以此來提高教學質量。

2 任務驅動式多維一體教學模式設計

任務驅動教學法基本思想 該方法從結果出發，以解決問題、完成任務為根本，采用探究式學習方式，讓學習者處于主動的學習狀態，根據團隊共有的知識和自己特有的經驗提出方案、解決問題[1-5]。任務驅動式教學法是適用于操作性、實踐性課程的有效教學模式[2]，將其應用于地圖學課程教學中，具有較強的針對性和實效性。

任務驅動式多維一體教學模式設計 任務驅動式多維一體教學模式，以任務驅動教學方法為核心，通過網絡教學綜合平臺、專業競技大賽、地理信息系統（簡稱GIS）專業公共云平臺構建多維綜合體，如圖1所示。

教師結合生產實踐與專業競賽內容，將課程的核心教學內容通過若干個任務進行貫穿，通過教學綜合平臺向學生布置任務；學生接受任務后，利用教學綜合平臺的資源找到任務的解決辦法，進而在專業的云平臺上，如ArcGIS門戶云平臺、天地圖平臺等將地圖任務進行實現。教學綜合平臺還為教師與學生提供了多種交流形式，將傳統的課堂教學形式有效地拓展到課堂之外，讓學生不受時間、地點的限制，打造沒有“圍墻”的知識流[6]。

任務驅動式多維一體教學模式將課堂與課下的學習時間與學習內容互置，用實踐帶領學生尋找知識點、理解知識點并加以有效應用，本著“實用性”的學習態度完成作品，讓學生在任務的驅動下學會思考、運用、協作與解決，從而達到主動學習與創新性學習的目標。

3 任務驅動式多維一體教學模式建設內容

任務驅動式教學方法實施流程設計 針對學生的專業特點和前期課程的基礎特點，應用任務驅動式教學方法的理論基礎，確定教學實施的關鍵點，建立任務驅動教學模式實施流程圖[7-8]，確定具體實施的流程步驟，如圖2所示。

地圖學課程教學任務設計 針對人才培養方案中的知識能力矩陣設計，結合任務驅動教學模式的任務設計原

則[8]，將地圖學課程的知識點融會貫通，設計四大任務，如表1所示。

教學綜合平臺的建設 教學綜合平臺是任務驅動式多維一體教學模式得以順利實施的物質基礎，充足、豐富的學習資源是學生進行有效學習的前提。教學綜合平臺主要由課程管理、教學資源、教學活動三大模塊構成，平臺具體結構見圖3。

課程管理模塊讓學生了解課程、教學資源模塊讓學生學習課程、教學活動模塊讓學生實踐課程。教師布置的任務根據難易程度出現在課程作業、答疑討論、研究型教學板塊中。教師在課堂上可直接利用教學綜合平臺進行任務成果的點評，進而引出知識點的講解。

GIS專業云平臺的實踐應用 云平臺是地圖學課程中任務完成的渠道和工具。在課程中，學生在平臺使用和創建地圖、訪問即用型圖層和工具、作為Web圖層發布數據、協作和共享、使用任何設備訪問地圖、使用Microsoft Excel數據制作地圖等，完成團隊作品。

4 應用成效

任務驅動式多維一體教學模式在兩個校區相同專業的學生中做了對比教學實驗。實驗表明，采用任務驅動式教學的實驗組學生聽課的主動性更強；在知識點考核中發現，實驗組對任務中涉及的內容掌握更深刻。在這一教學模式的推動下，學生對本專業的學習興趣顯著提升，本著“實用性”的學習態度完成作品，讓學生在任務的驅動下學會思考、運用、協作與解決，從而達到主動學習與創新性學習的目標。

針對傳統教學方法中存在的教學問題，教師團隊通過集成線上教學資源、開發線下實體教具，幫助學生認識和理解相關空間概念，解決學生“空間感”的問題；通過“趣味任務”引導，提升學生學習主動性，解決學生“主動感”的問題；通過團隊組合工作、講解評述作品，提升學生分析問題、解決問題的能力，解決學生“實用感”的問題。直接受益學生達到300人，后續推廣受益人數可達上千人。

在任務驅動式多維一體教學模式的引領下，近三年師生的教與學也都有了顯著提升。教師的教學理念變革，教學能力提升，課件比賽獲得全國性、省部級和校級獎勵各一項；全國性講課比賽獲一等獎一項。學生的實踐動手能力與綜合素質明顯增強，參加全國大學生GIS應用技能大賽，獲得三等獎一項；參加企業杯全國性GIS技能大賽，獲一等獎一項、二等獎兩項、三等獎兩項；參加兩屆互聯網+創新創業競賽，獲得廣西賽區銀獎一項、銅獎三項。■

參考文獻

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[8]黃洪杰.任務驅動教學模式在通用技術課程中的應用研究[D].濟南：山東師范大學，2009.系緊密，對學生整體素質要求較高。目前需要培養熟練掌握新能源發電與并網技術方面的復合型應用人才。因此，中原工學院電氣工程及其自動化專業開設新能源發電與并網技術課程。

新能源發電與并網技術課程包括新能源發電技術和并網技術，前者主要涉及光伏發電、風力發電、生物質能發電和燃料電池發電技術等，后者則重點關注目前相對成熟的光伏發電、風力發電并網技術及國家、行業標準、規范等。

首先，該課程涵蓋電氣、半導體材料、化學、控制、機械等學科，屬于典型的交叉學科，對教師和學生在知識的廣度和深度方面提出更高的要求[2]。

其次，該課程需要結合工程實踐能力以便加深對新能源發電與并網技術的理解，突出實踐能力的培養。

所以，新能源發電與并網技術教學改革更加注重培養學生實踐與創新能力，提高善于發現問題并創造性解決問題的能力，為今后從事新能源發電領域的工作奠定堅實的理論和工程實踐基礎。

針對課程的特點及存在的問題，本文系統地進行了分析與研究。

首先，調整并優化現有教學內容，重點講解較為成熟的光伏發電、風力發電原理，刪減部分不常見發電技術內容，增加最新國家關于支持上述發電技術的政策及施工標準等方面的知識，做到密切聯系實際市場發展，與時俱進。

其次，結合新建立的新能源發電與微電網實驗室，充分整合并利用現有實驗教學平臺，增加實踐教學比例。強調學生參與實驗實踐的重要性，在熟練掌握實驗原理及實驗培訓平臺的構造后，給予學生充分信任，拆解并完整組裝實驗培訓平臺，真正提高學生的動手能力與工程實踐能力。

2 教學內容調整與優化

結合中原工學院實際情況，充分利用新建立的新能源發電與微電網實驗室，調整教學內容所占比例，重點講解光伏發電、風力發電原理及并網技術，刪減部分不常見的發電技術內容。優化理論教學與實踐教學比例為1：1，通過增加實踐教學時數，提高學生的動手及工程實踐能力。

調整后課堂教學主要包括四部分。

第一章：新能源發電技術綜述。通過查閱大量文獻，密切關注國內外新能源發電技術的最新研究進展、產業和市場行業發展動態，及時更新并整理授課內容。同時，對那些對技術、行業發展做出里程碑式的領軍人物，以小故事的形式串到課堂中，講解他們從創業到成功的案例，激發學生的學習興趣和動力，培養創新創業意識。

第二章：光伏發電技術。了解太陽電池種類及最新太陽電池研究進展，熟悉國內外著名太陽電池研發機構及廠商。重點講解目前市場上占主導地位的硅基太陽能電池發電基本原理、電池片及組件制造流程，熟練掌握離網、并網型光伏發電系統組成及設計原理，增加光伏發電工程案例教學內容。

第三章：風力發電技術。了解風力發電及風機構造演變的歷史，熟悉國內外知名的風機制造商。重點講解市場上占主導地位的雙饋異步變速恒頻風電機組的發電原理、組成及構造，掌握風機葉片、發電機組、傳動軸等關鍵組成部分的構造及工作原理，引入風力發電廠工程案例教學內容。

第四章：新能源發電并網技術。本章主要講解國內光伏發電和風力發電的并網技術，重點介紹目前國內已頒布的關于光伏發電、風力發電并網技術的標準和規范等。熟悉由上述發電形式構成的分布式發電電網的特點，掌握光伏發電和風電廠設計及施工標準規范。同時介紹國內外關于鼓勵光伏和風力發電產業發展的支持和優惠政策，及時了解國內外市場發展動態，讓學生充分認識到光伏發電和風力發電技術的美好未來和發展前景。

3 教學改革與實踐

啟發與討論并重 拋開傳統的先入為主的授課方式，讓學生主動參與并討論課堂所講內容，提高學生學習的主動性和積極性[3]。比如講解發電形式時，首先討論目前常用的交流電是怎么產生的？（三相發電機組）而光伏發電產生的是什么電，直流電還是交流電？首先讓學生從感官上認識到，它沒有三相發電機組，所以產生的電只能是直流電；要讓直流電變成常用的交流電，必須要用逆變器這個中間“橋梁”，才能并入電網使用。風力發電機組自身包含三相發電機組，可以產生交流電，直接可以并網使用。通過引入“交流電是怎么產生的”這樣一個問題，啟發學生聯系已學知識參與問題的回答與討論，讓學生很快理解并掌握光伏發電與風力發電發電形式的區別，以及逆變器的原理等，從而增強課堂教學效果。

提高項目設計與撰寫報告能力 在教學過程中，以項目設計并撰寫報告的形式給學生布置作業。將學生分為若干個項目小組，任命一個小組組長（5～7人）。針對同一個講課專題，如講完光伏發電系統設計后，要求每個項目組獨立完成一個100 W太陽能LED路燈設計報告，并做出10分鐘PPT演示匯報。

首先，提供給學生一個設計思路，如圖1所示，整體了解完成此項目都需要哪些知識？怎么獲取這些知識？借助圖書館、互聯網、MOOC等學習資源查閱教材、文獻等[4]，有目的地選擇性快速學習項目所需知識。

其次，項目組長安排小組成員分工協作，在一定期限內，按照一定格式共同完成項目設計報告。

最后，每個項目小組長在課堂上演示匯報本小組成員的設計成果，全體學生參與討論，并評出最好的設計作品。

授課教師提供總體設計思路并把握設計方向，學生負責具體設計工作。通過完成項目設計，不但增強了學生獲取、分析和利用新知識的能力，歸納、總結、表達知識的能力，而且鍛煉了思維共享、團隊合作、交流溝通等能力。更重要的是培養學生在面對新的問題時，如何發現問題、提出問題、分析問題并創造性地解決問題的能力，為后續的畢業設計及工作奠定基礎。

案例教學 為了激發學生的學習興趣和動力，那些對技術、行業發展做出里程碑式的領軍人物，以小故事的形式串講到課堂中，講解他們從創業到成功的案例，培養學生的創新創業意識。如在談到最近的研究熱點——無線輸電技術時，不得不談到20世紀被遺忘的巨人——特斯拉，這個交流電、交流發電機和無線輸電技術的發明人與奠基人。由于特斯拉發明的無線輸電裝置在當時遭到破壞，一直到今天，仍無法重復遠距離無線輸電技術。通過了解當時的歷史背景，還讓學生明白，從交流電產生的那一刻起，直流輸電技術和交流輸電技術就一直存在競爭關系（愛迪生與特斯拉的故事）。以小故事為載體，講解無線輸電技術、交流電以及兩種輸電技術的發展歷史、未來，激發學生學習興趣，培養學生求知欲望，從而增強教學效果。

4 實驗教學平臺建設

結合新能源發電與微電網實驗室，建立新能源發電實驗平臺，按照實驗指導書的要求，讓學生獨立自主地完成實驗。如圖2所示光伏發電系統實訓平臺（偉創晶V-Ets-solar-

IV），通過該實驗平臺，學生可以學習、鞏固：1）太陽電池發電原理以及影響光電轉換效率的因素等；2）光伏發電跟蹤系統的組成及結構；3）光伏發電離網系統的組成部分、作用及工作原理，如太陽能控制器、離網逆變器、蓄電池。

圖3為小型風光互補發電實訓系統平臺（偉創晶V-SUN-

400），該系統由風力發電系統、光伏發電系統、蓄電池和監控軟件單元組成。風力發電系統由模擬風場和風力發電機組成，尾舵偏航控制與風場運動由西門子PLC控制實現。光伏發電由模擬光源與跟蹤系統組成。監控軟件可以實時監測并存儲系統發電、用電與環境參數等信息，實時對模擬光源、光伏跟蹤、模擬風場與側風偏航等進行遙控。

通過該實驗平臺，學生可以學習、鞏固：1）風力發電機的發電原理、組成及結構；2）由風力發電、光伏發電、蓄電池組成的微電網系統工作原理、組成；3）通過PLC編

程，自動跟蹤模擬光源，使光伏組件輸出功率最大；4）太陽能控制器、光伏逆變器的結構與原理。

由于該實訓裝置屬于開放、外露式平臺，學生可以自由拆卸并安裝實驗裝置上面的光伏電池組件、控制器、逆變器、繼電器、線路等，熟悉系統各個組成部分的工作原理及作用，親身接觸、認識、熟悉相關的電子元器件、設備等。學生可以依據個人興趣和知識能力，在原有的實驗基礎上，擴展并開拓新的實驗項目等，從而實現培養動手能力和創新能力。

5 總結

新能源發電與并網技術設計的知識覆蓋面廣、技術種類復雜等，需要結合中原工學院實際情況，通過課程內容和教學實驗平臺的調整、優化和整合，使教學內容和方法更加符合該課程的特點和要求，同時教學效果得到改善和增強，主要體現在：

1）調整教學內容并結合實驗室條件，重點講解光伏發電和風力發電知識，兼具一定的廣度和深度；

2）改革后學生上課積極性和互動性明顯提高，學生從被動接受知識轉變到主動參與、討論所學知識；

3）通過增加實踐教學比例，學生學習的積極性和主動性得到提高，動手能力得到進一步鍛煉，進一步加深對所學知識的理解和掌握，更重要的是培養了發現問題、提出問題、分析問題并創造性地解決問題的能力。

參考文獻

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