研討與項目教學在“風力發電原理與應用”課程教學中的探索

陳健 陳麗兵

【摘 要】針對“風力發電原理與應用”課程的教學特點及新能源科學與工程專業的人才培養目標，提出了研討與項目相結合的教學方法。研討和項目相結合的教學模式突出了學生自主學習的地位，加深學生對專業知識的理解和掌握，培養學生組織、協作、創新、綜合運用應用、研究等能力，為新能源科學與工程專業培養專業化人才。

【關鍵詞】風力發電原理與應用；研討式教學；項目式教學；探索

中圖分類號： TM614 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）20-0121-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.052

【Abstract】In view of the teaching characteristics of Wind Power Principle and Application course and the training target of New Energy Science and Engineering major， a teaching method combining seminar and project teaching method is proposed. This teaching mode highlights the students' autonomous learning， deepens the understanding and mastery of the professional knowledge， cultivates students' organization， coordination， innovation， comprehensive application and research ability， and cultivates professional talents for the New Energy Science and Engineering major.

【Key words】Wind power generation principle and application； Seminar teaching mode； Project teaching mode； Exploration

0 引言

近年來，日益嚴重的能源和環境問題使得新能源的開發與利用越來越成為當今世界所關注的焦點[1]。風能作為一種技術成熟的、世界上發展最快的新能源，利用其發電的方式得到了快速發展，具有廣闊的發展前景。在風力發電產業大力發展的同時，專業風電人才短缺成為了風電行業亟需解決的問題。在這樣的大背景下，國內外一些高校開始設置新能源專業進行高等人才的培養[2-3]。基于鹽城所擁有的風力產業特色，于2011年鹽城工學院的新能源科學與工程專業開始招生，針對風電人才設置了“風力發電原理和與應用”、“風力機組的檢測與控制”、“風能和太陽能發電并網技術”等課程。其中，“風力發電原理和與應用”課程是新能源科學與工程專業中一門重要的專業必修課程。“風力發電原理與應用”課程涉及的內容廣泛，主要包括風資源測量、控制理論、電機學、空氣動力學、電工學、檢測技術等基礎知識。在目前工程類本科專業課教學中，學生所獲得的知識大部分來自專業課程教學。專業課程教學很多還是以“教”為主，學生缺少自主學習和動手操作的主動性[4-6]。在學習“風力發電原理與應用”課程中，如何讓學生能更好理解、掌握和應用所學知識，并能根據所學的知識完成一些簡單的項目來提高自身實踐能力成為教學過程中一個需要解決的難點。針對于此，本課程教學過程中研討和項目相結合的教學法將運用其中，研討式教學主要是以解決問題為核心的教學方式。通過教師提出問題，學生以小組模式共同查找資料、討論、研究、解決問題，然后提出主要觀點，從而培養學生協作、組織、創新、探索的能力[7-8]。項目式教學是以項目為中心的教學方式，通過教師提出項目，教師引導學生，學生以小組的模式共同參與項目的研究，培養學生綜合運用知識、解決實際問題、協作、創新等能力[9]。

1 風力發電原理課程特點

研討式教學主要采用教師講解和學生討論相結合的教學模式[5]。“風力發電原理與應用”課程的研討式教學需要結合這門課程的特點，對課程內容進行精心設計，才能取得較好教學效果。“風力發電原理與應用”的特點如下：“風力發電原理與應用”課程是新能源科學與工程專業的專業必修課。鹽城工學院新能源科學與工程專業開課時間安排在本科生第5學期。“風力發電原理與應用”是“機械設計基礎B”、“機械制造技術基礎”、“風力機空氣動力學”、“電機學”、“電力電子技術”等課程的后續課程，是“風電機組監測與控制”、“風能和太陽能發電并網技術”課程的先修課程。通過本課程的教學，學生們了解課程中所講解的風的特性及我國的風能資源分布特等點、風力發電機組的系統組成、結構、工作原理、安全運行與維護、風電場的確定、風能存儲、風能的其他用途、風力發電的發展，為學生今后從事風力發電機組設計、運行與維護等工作打下基礎。

風力發電原理與應用課程在風力發電場應用廣泛、涉及面廣：主要涉及到自動控制、風資源測量、電機學、電工學、故障診斷等基礎知識。風力發電原理與應用是新能源科學與工程專業一門重要的專業必修課。該課程內容廣泛、綜合性強，對本科生的研討能力和創新能力的培養至關重要。

2 風力發電原理課程研討式教學

“力發電原理與應用”課程有56個課時，分28次授課，每次兩個課時，時間為90分鐘。每次課的時間安排如下：每次課的第1節課和第2節課前30分鐘作為教師講解基礎知識，目的是使學生掌握基本的知識單元和知識結構，第2節后10分鐘安排學生根據教師所提出的問題進行分組分析與討論，目的是培養學生的創新能力、協作能力、表達能力，最后5分鐘教師進行總結與歸納，目的是理清本次課的脈絡。

“風力發電原理與應用”課程內容包括緒論、風力機的結構類型、風力發電的基本原理、風力發電機組、風力發電技術、風力發電機組安全與維護、風電場的確定、風能儲能等[10]。本文以風力機的特性為例，實施研討式教學，教學過程分四個步驟：

2.1 專業知識的講解

風力機特性對于學生來講是新的內容，同時會出現很多新的名詞和概念。教師在課堂上講解的內容如下：風輪空氣動力特性和風力機運行特性兩個部分。風輪空氣動力特性部分包括葉尖速比、槳距角、風能利用系數、最佳葉尖速比等相關概念及計算。風力機的運行特性部分包括定槳距風力機和變槳距風力機，以及葉輪實度對風力機特性的影響。最后給出風力機特性中風能利用系數與槳距角和葉尖速比的關系，定槳距風力機和變槳距風力機的特點及如何分類，以及葉片數與葉輪實度的關系及對風能利用系數的影響等。

2.2 提出問題

在每一次課的結尾教師點評時會給班上同學布置課外作業，這些課外作業也是下一次課學生討論的問題，督促學生在上課之前要預習教學內容并上網查找相關的資料。這樣做的目的是學生不僅只聽老師在課堂里講，而且還學會主動參與到課堂里來，發揮自己見解，做到有的放矢。本次課提出的問題是當槳距角一定時如何獲取最大風能利用系數、定槳距風力機組和變槳距風力機組的優缺點，在不同的額定容量要求下選擇如何選擇哪一類風力機組。

2.3 學生討論分析問題、制作PPT

每一次授課都將學生進行分組，每10人一組，共6組，兼具講解、PPT制作、答辯的基本功能。每次分組選一位組長和一位副組長，并且是輪流制。組長主要組織組員討論和分析問題，結合組員的回答情況進行總結提出本組的主要觀點，并提供相應的支撐材料。副組長負責記錄每位組員參與和回答情況。最后，在所有組員共同努力下制作完成相應的PPT，并在上課前由組長通過郵箱發送給授課教師。教師將隨機抽出兩組進行課堂答辯，上課時隨機抽出1位組員進行陳述本組的主要觀點，同時2到3位組員負責對其他問題的闡述，可以提高每位組員參與度，以免有學生在其中“打醬油”。每組答辯時間控制在5分鐘以內，陳述3分鐘，答疑2分鐘。最后，通過PPT展示、答辯和每位同學的參與情況，對每位小組成員進行打分，成績將記入平時成績中。

2.4 學生答辯、教師點評

在學生討論完“當槳距角一定時如何獲取最大風能利用系數、定槳距風力機組和變槳距風力機組的優缺點，在不同的額定容量要求下選擇如何選擇哪一類風力機組”后，最后一個重要環節是教師對答辯情況的總結與點評，以及本次課的重要知識點的總結，并提出下次課所要討論的問題。一是通過學生答辯的情況，可以了解學生對知識點的掌握情況，指出不足的地方，讓學生對問題加深理解；二是通過對本次課的重要知識點進行梳理和總結，學生對本次課的重點和難點有清楚的了解；三是通過給出下次課討論問題，并要求完成相應PPT，可以促使學生主動完成課前預習；四是授課教師根據每位副組長的記錄表可以了解每位學生的參與和課前預習情況。

3 風力發電原理課程項目式教學

“風力發電原理與應用”課程要求學生不僅能理解課程中的知識，還要具有綜合運用知識、實踐、研究等能力。這些能力的培養僅僅通過研討式教學還未能達到，還需要結合項目式教學進一步加強。通過把一門課程做成一個總項目，然后每個重要章節做成該項目下的子項目，學生在不同階段完成不同的子項目，最后課程結束后將所有子項目結合起來就可以成為一個整體性項目。以“風力發電原理與應用”課程為例，該課程的項目名稱可開設為“永磁同步風力發電機的最大功率追蹤控制研究”，該項目主要是通過MATLAB/Simulink建模來完成。該項目需要學生了解和掌握風能轉換原理、風能利用系數、水平軸風力機、永磁同步電機、控制理論、儲能、變槳系統等知識，相關知識點在課程中的不同章節均有介紹。項目式教學的分組模式與研討式教學一致，但課程時間安排上有所區別。項目式教學的答辯主要安排在重要章節結束后的討論課上，每組7分鐘陳述，5分鐘答疑，2分鐘教師點評。下面同樣以風力機的特性為例，介紹項目的實施過程。

3.1 項目的基本信息

3.1.1 項目任務

依據風輪空氣動力特性的數學模型，通過MATLAB/Simulink建立風能利用系數的仿真模型，測試槳距角為0時，不同風速下風能利用系數的變化情況，并畫出相應的曲線；測試風速為12m/s時，不同槳距角下風能利用系數的變化情況，并畫出相應的曲線；總結一下槳距角和風速對風能利用系數的影響，以及在不同風速下風力機如何捕獲最大風能。

3.2.2 教學目的

通過建模，增強學生綜合運用知識的能力，同時培養學生運用專業軟件的能力；通過不同的測試所得出的結果，加深學生對風力機特性的理解，了解哪些量影響風力機特性。

3.3.3 項目所需要的支撐

風力機的特性理論知識的支撐，MATLAB/Simulink軟件的運用以及組員之間的相互協作。

3.2 實施項目式教學過程中的主要內容

第一步，在學期開始前將每個項目的要求和分組情況告知給各班班長，由他們傳達給學生；第二步，學生以小組模式完成每個子項目要求；第三步，課堂答辯，在每個小組中隨機抽3-4位組員分別進行陳述和答疑；第四步，對項目完成的合理性和正確性進行點評；第五步，各小組組員之間進行互評，最后由教師根據互評表、答辯情況以及項目完成的情況進行給分，并記入到平時成績中。

4 研討和項目式教學的總結

在“風力發電原理與應用”課程中引入研討式教學，讓學生更好地了解和掌握基本知識、基本概念、基本理論，同時培養學生組織、協作、表達、創新和制作PPT等能力。通過項目式教學，學生加強運用綜合知識、使用專業軟件、探索研究等能力。從實施研討和項目相結合教學方式的效果看，新能源科學與工程專業“風力發電原理與應用”課程取得了良好的效果。在實施“風力發電原理與應用”課程研討式教學過程中，有些問題值得進一步討論：如何提高學生小組討論的參與度；如何在小組討論、PPT制作、專業軟件使用上更好地發揮每位學生特長；如何更好地將研討式和項目式教學融合在一起等等。

【參考文獻】

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[3]唐明珠.研討式教學在風力發電原理課程中的探索與實踐[J].教育教學論壇，2017（11）：175-176.

[4]劉姝.“風力發電原理與應用”課程教學改革與探索[J]. 現代企業教育，2014（10）：522-522.

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[6]曾明星，蔡國民，覃遵躍，等.基于翻轉課堂的研討式教學模式及實施路徑[J].高等農業教育，2015（1）：76-81.

[7]李微，陳薦，張志剛，等.研討式教學方法在能源類專業動力機械強度學課程上的應用[J].科教導刊（上旬刊），2017（5）：152-153.

[8]張文娟.研討與實驗教學法在風力發電課程教學中的應用[J].信息系統工程，2017（11）：165-165.

[9]杜志強，邱美艷，岳大為.淺談項目教學法在風電教學中的應用[J].風能，2013（8）：42-44.

[10]徐大平，柳亦兵，呂躍剛.風力發電原理[M].機械工業出版社，2011.