風(fēng)力機(jī)原理課程建設(shè)探索與實(shí)踐*

文|趙振宙，鄭源，左璐，郭蘇

風(fēng)力機(jī)原理課程建設(shè)探索與實(shí)踐*

文|趙振宙，鄭源，左璐，郭蘇

河海大學(xué)自2008年正式開始招收風(fēng)能與動(dòng)力工程專業(yè)本科生，成為國(guó)內(nèi)第二所設(shè)立該專業(yè)的本科生高校。在一切從零開始的背景下，該校風(fēng)力機(jī)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)邊摸索邊建設(shè)，經(jīng)近10年建設(shè)、8年教學(xué)實(shí)踐，初步取得了一些教學(xué)成果。

為響應(yīng)國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略方針，河海大學(xué)于2008年正式開始招收風(fēng)能與動(dòng)力工程專業(yè)本科生，成為繼華北電力大學(xué)之后國(guó)內(nèi)第二所正式招收風(fēng)能與動(dòng)力工程專業(yè)本科生的高校。2010年，教育部重新將各類新能源專業(yè)定義為“新能源科學(xué)與工程”（簡(jiǎn)稱：新能源）專業(yè)，河海大學(xué)風(fēng)能與動(dòng)力工程專業(yè)至此變更為新能源科學(xué)與工程專業(yè)，以風(fēng)能為主要教學(xué)建設(shè)方向。

風(fēng)力機(jī)原理是新能源專業(yè)（風(fēng)能方向）最重要的主干課程之一。但教學(xué)方法、教材建設(shè)及教學(xué)理念方面，其他院校都沒有成熟的方案可供參考。在一切工作都要從零開始的背景下，風(fēng)力機(jī)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)邊摸索邊建設(shè)，經(jīng)近10年建設(shè)、8年教學(xué)實(shí)踐，初步取得了一些教學(xué)成果。

定準(zhǔn)人才培養(yǎng)目標(biāo)

在專業(yè)建設(shè)初期，為了解國(guó)家能源重大發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)人才需求的特點(diǎn)，專業(yè)教師到二十余家企事業(yè)單位進(jìn)行調(diào)研，聆聽了同行業(yè)不同領(lǐng)域?qū)θ瞬判枨蟮穆曇簟：笥纸?jīng)過(guò)來(lái)自中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)、水利部、江蘇省可再生能源協(xié)會(huì)以及河海大學(xué)等機(jī)構(gòu)的多名專家學(xué)者對(duì)專業(yè)培養(yǎng)方案的研討和論證，建立了新能源專業(yè)的人才培養(yǎng)體系。在專業(yè)建設(shè)期，專業(yè)教師參加每年由新能源專業(yè)聯(lián)盟主辦的全國(guó)新能源人才教育研討年會(huì)，更加準(zhǔn)確地把握了市場(chǎng)對(duì)人才需求定位，明確河海大學(xué)專業(yè)培養(yǎng)體系的建設(shè)方向。最終將培養(yǎng)目標(biāo)定位為：依托學(xué)校水利學(xué)科特色和優(yōu)勢(shì)，側(cè)重培育能夠適應(yīng)陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、太陽(yáng)能、海洋能等相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理人才。

學(xué)生應(yīng)具備本專業(yè)領(lǐng)域所必需的基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識(shí)，如：空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、發(fā)電機(jī)等基礎(chǔ)理論知識(shí)；以及風(fēng)力機(jī)原理、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制、風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、風(fēng)力機(jī)塔架與基礎(chǔ)、風(fēng)資源規(guī)劃與評(píng)估、海上風(fēng)力機(jī)等專業(yè)知識(shí)。從上述課程設(shè)置可以看出，大部分專業(yè)課程是在學(xué)習(xí)了風(fēng)力機(jī)原理的基礎(chǔ)上展開。風(fēng)力機(jī)原理既屬于專業(yè)課程，但也類似于一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起銜接作用。因此，風(fēng)力機(jī)原理的學(xué)習(xí)使學(xué)生具有進(jìn)行風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理的基本能力，也為其進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他專業(yè)課奠定理論基礎(chǔ)。

夯實(shí)課堂教學(xué)質(zhì)量

風(fēng)力機(jī)原理課程涉及的學(xué)科領(lǐng)域和專業(yè)知識(shí)較多，充分體現(xiàn)了多學(xué)科交叉的特點(diǎn)。如：葉片依靠風(fēng)作用力旋轉(zhuǎn)進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)械能，故涉及到空氣動(dòng)力學(xué)；傳動(dòng)系統(tǒng)把葉輪機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)，屬于動(dòng)力機(jī)械類裝備，種類繁多的零部件基本上遵循機(jī)械設(shè)計(jì)的一般原則, 即載荷、材料和結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系應(yīng)該遵循相應(yīng)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等準(zhǔn)則，故屬于機(jī)械和結(jié)構(gòu)力學(xué)范疇。發(fā)電系統(tǒng)涉及到發(fā)電機(jī)、并網(wǎng)等，屬于電氣學(xué)科范疇。為此，在學(xué)習(xí)這門課之前，我們?yōu)閷W(xué)生開設(shè)了包括空氣動(dòng)力學(xué)、理論力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等力學(xué)方面的基礎(chǔ)課程；也開設(shè)了大量機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)的課程，以及電路、模電、數(shù)電、發(fā)電機(jī)等電氣相關(guān)課程。課程設(shè)置在很大程度上與我校老牌專業(yè)能源與動(dòng)力工程專業(yè)（前身水動(dòng)專業(yè)）相似，體現(xiàn)了新能源專業(yè)特色。

在課堂教學(xué)中，為讓學(xué)生更好掌握風(fēng)力機(jī)工作原理，內(nèi)容講解圍繞由淺入深、由基礎(chǔ)到復(fù)雜、由一次能源風(fēng)能到二次能源電能，由前（葉片）到后（發(fā)電機(jī)）、由原理設(shè)計(jì)到故障分析和管理等主線進(jìn)行展開。“淺”體現(xiàn)在要了解風(fēng)能的發(fā)展趨勢(shì)，風(fēng)力機(jī)經(jīng)過(guò)了哪些機(jī)型演變和發(fā)展歷程等；“基礎(chǔ)”體現(xiàn)在風(fēng)力機(jī)基本空氣動(dòng)力學(xué)理論，翼型氣動(dòng)特性；一次能源部分則要對(duì)風(fēng)力機(jī)的工作介質(zhì)風(fēng)進(jìn)行必要分析和介紹。因此，通過(guò)風(fēng)力機(jī)原理課程，學(xué)生主要學(xué)習(xí)了風(fēng)能、基本氣動(dòng)力學(xué)原理、葉片氣動(dòng)原理設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)力機(jī)故障分析、運(yùn)行和維護(hù)等知識(shí)點(diǎn)。

為了讓學(xué)生更好掌握風(fēng)力機(jī)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，河海大學(xué)風(fēng)力機(jī)原理課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)根據(jù)自身的科研背景和研究基礎(chǔ)，在深入借鑒國(guó)內(nèi)市場(chǎng)以及國(guó)外風(fēng)電相關(guān)書籍的基礎(chǔ)上，對(duì)該課程教材編寫進(jìn)行潛心研究。最終，第一版《風(fēng)力機(jī)原理與應(yīng)用》于2011年由中國(guó)水利水電出版社出版，為河海大學(xué)第一屆新能源本科生提供了學(xué)習(xí)參考書。2014年，我們對(duì)該書內(nèi)容的不足和有誤之處進(jìn)行校正，并第二次出版。該書的編寫思路與課程教學(xué)理念完全呼應(yīng)。此后，河海大學(xué)編著的大型《風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)》叢書出版13本專業(yè)書，《風(fēng)力機(jī)原理》作為分冊(cè)之一也于2016年出版，對(duì)風(fēng)力機(jī)原理進(jìn)行了更細(xì)致和深入的講解。

強(qiáng)化教育教學(xué)結(jié)合

教育和教學(xué)相結(jié)合才能更好體現(xiàn)育人為本。實(shí)踐教育是強(qiáng)化學(xué)生理論知識(shí)的重要方法之一，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的手段之一。實(shí)踐教育除了包含校內(nèi)的實(shí)踐教育課程外，也包括校外的專業(yè)性社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)。學(xué)生在主動(dòng)式的、興趣引導(dǎo)的、以參觀或調(diào)研形式為主的專業(yè)性暑期社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)和校內(nèi)創(chuàng)新活動(dòng)中可以收獲更多。

在實(shí)踐課程中，我校在課程開設(shè)之前設(shè)有認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)。學(xué)生帶著問(wèn)題，在上海泰勝、上海電氣、上海玻鋼以及神華國(guó)華風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行為期一周半的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)教育。認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也使學(xué)生對(duì)風(fēng)力機(jī)有了感性認(rèn)識(shí)。在課堂教學(xué)過(guò)程中，我們專門開設(shè)了風(fēng)力機(jī)演示、變槳距、偏航、功率調(diào)節(jié)等試驗(yàn)，讓學(xué)生及時(shí)鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容，對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理有更深入把握。在課程結(jié)束后，老師還會(huì)以大型水平軸風(fēng)力機(jī)葉片為設(shè)計(jì)對(duì)象，將學(xué)生按照翼型、設(shè)計(jì)風(fēng)速、額定功率等原始參數(shù)進(jìn)行分組，每人獨(dú)立完成設(shè)計(jì)一份課程設(shè)計(jì)。

在課外，老師會(huì)鼓勵(lì)本科生申報(bào)各類創(chuàng)訓(xùn)活動(dòng)，參與科研課題，在鞏固現(xiàn)有知識(shí)之外，學(xué)習(xí)一些前沿的專業(yè)知識(shí)和先進(jìn)研究方法。在假期，我們則鼓勵(lì)學(xué)生參加各類專業(yè)性社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，到企事業(yè)單位進(jìn)行學(xué)習(xí)調(diào)研。

以上教育和教學(xué)的有效結(jié)合，突破了傳統(tǒng)“教”與“學(xué)”的落后培養(yǎng)模式，注重學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，驗(yàn)證了理論知識(shí)，開闊了專業(yè)領(lǐng)域視野，為畢業(yè)生的未來(lái)專業(yè)發(fā)展奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

結(jié)論

課程建設(shè)需要團(tuán)隊(duì)合作，人才培養(yǎng)需要教育教學(xué)結(jié)合。河海大學(xué)風(fēng)力機(jī)原理課程建設(shè)正是以此為原則，為切實(shí)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量而積極進(jìn)行探索。雖然取得了一些教學(xué)成果，但仍有許多困難需要與同行共同研究解決。文中所提出的若干觀點(diǎn)和方法，也需要在實(shí)踐中不斷提高與完善。

（作者單位：河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院）

*國(guó)家自然科學(xué)基金（11502070）；江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（自然科學(xué)基金）資助項(xiàng)目(SBK201340780)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃) (2014CB046200)。