新工科背景下基于項目驅動的新能源課程群教學模式探索

陳榮 趙仁德 郭靜 胡慧慧

[摘要]針對目前高等學校電氣工程及其自動化專業新能源類課程存在教學內容多、各課程內容又密切相關的特點，考慮到學生學習積極性較差的現狀，課題組提出了基于項目驅動的新能源課程群教學模式。課題組分析了新能源課程群各課程的特點，將各課程教學內容模塊化，結合專業發展趨勢設置教學項目，明確目標和分階段任務，“以項目為主線、教師為主導、學生為主體”，改變了以往“教師講，學生聽”的被動教學模式，完善了學生主動參與、自主協作、探索創新的新型教學模式。教學實踐表明，基于項目驅動的新能源課程群教學模式可有效改善教學質量和提高學生的動手能力，增強學生應用所學知識解決實際問題的能力，進而提升學生的專業素養。

[關鍵詞]新工科;項目驅動;新能源;課程群;教學模式

[中圖分類號]G642.0

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）03-0049-03

隨著我國“一帶一路”“中國制造2025”“網絡強國”等重大戰略的不斷推進，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新興經濟高速發展，對工程專業人才培養提出了更高要求和挑戰，加快工程教育改革創新已成為“政產學研”各界的共識。在新經濟、新產業與新技術背景下，相對于傳統的工科人才，未來新興產業和新經濟需要的是工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。與此相矛盾，現有工科專業的課程體系設置、教學內容及實踐教學等方面，普遍存在以下問題：（1）重理論，輕實踐，理論聯系實際不足，應用意義不甚明確;（2）重知識，輕技能;（3）教材、教學大綱的建設滯后，不能滿足培養的需求;（4）教學內容單一，不能激發學習興趣等;（5）獨立性、創新性實踐環節偏少;（6）學生面向工程應用場合的適應能力不足。

為了解決上述問題，文獻從課程群的角度進行了研究。從課程群建設的總體思路、課程群定位、課程群體系與教學內容整合及優化、教學方法與教學手段改革、課程群實踐教學體系與教學內容整合、實踐教學內容與教學方法改革、實踐教學與科研及工程和社會應用實踐相結合等角度進行了闡述。文獻中的實施效果表明課程群重構可有效解決上面所列的絕大多數問題。

課程群在解決獨立性、創新性實踐環節偏少和學生面向工程應用場合的適應能力不足等問題方面存在一定的不足。課程群側重于課程體系的構建，避免不同課程間內容重復，有助于完善已有教材和教學大綱，但實驗內容仍拘泥于已有的實驗體系，創新性實驗偏少，不利于工科學生綜合能力的培養。與此相對，項目驅動式式教學法，直接面向項目需求，項目來源于實際生活或生產現場，與科研及工業應用現場密切相關。

項目驅動教學法是基于行動導向的探究式教學的一種教學方法，是將真實的或模擬的工程項目轉化為教學項目，結合課程內容將項目分解為若干工作任務，創設工作情境，引導學生完成任務，進而實現項目教學目標的教學活動。項目驅動式教學法最顯著的特點是“以項目為主線、教師為主導、學生為主體”，改變了以往“教師講，學生聽”被動的教學模式，完善了學生主動參與、自主協作、探索創新的新型教學模式。與傳統教學方法相比，教學實施過程中，學生的目標更清晰明確，可避免傳統課堂教學的被動性，進而提高學生學習知識的興趣和主動性。

一、新能源課程群教學中存在的問題

我校最新的電氣工程及其自動化專業培養方案，要求學生掌握電氣工程領域的系統知識，具備電氣工程領域相關的專業技術和實踐能力，具有創新精神和國際化視野，畢業后能從事電氣工程規劃設計、裝備制造、技術開發、生產過程的運行與控制、技術管理和科學研究等方面的工作?；谝陨吓囵B目標，電氣工程及其自動化專業培養方案中，提出了電力拖動、電力系統、新能源和綜合四個培養方向，并對各個培養方向的限選課程進行了限定，在擴展學生知識面的同時，又可以保證學習方向的“?！?。

從電氣工程及其自動化專業層面，新能源方向課程主要包含DSP數字控制技術、風力發電技術、太陽能發電技術和微電網技術等四門課程，內容各有側重，但該課程群體系在教學內容、方法與手段以及實踐教學中亦存在部分課程內容重復、重理論、輕實踐、理論與實際脫鉤、教學方法單一、缺少創新性實踐訓練等諸多的不足。

從學生層面看，近幾年電氣工程及其自動化畢業生就業前景較好，學生就業壓力小，直接導致學生選課的目的性不強，不能完全把握自己的學習方向，往往“一窩蜂”式地選課，為了學分而選課，造成部分學生對課堂學習過程不重視，只注重眼前，常出現為了應付考試而占用其他課程課堂時間進行復習的現象，拆東墻補西墻，惡性循環，進一步降低了學習的效果。

為了解決上面提到的問題，在引導學生提高專業技能的同時，需要從宏觀的角度，對新能源課程群教學內容進行統籌規劃，以充分調動學生學習的積極性。考慮到DSP數字控制技術、風力發電技術和太陽能發電技術等三門課程安排于同一學期，教學內容規劃及調整就以上述三門課程為主。

二、新能源課程群教學內容規劃及調整

風力發電技術和太陽能發電技術作為新能源發電的兩個重要分支，涉及很多共性的知識，如風能和太陽能的最大利用率問題和風力發電及光伏發電的并網問題，是新能源發電技術必須解決的兩個關鍵問題。

風力發電技術和太陽能發電技術從不同的角度，對兩個關鍵問題進行講解，容易造成混亂，該問題可通過專題教學、理論教學+仿真實驗解決，講深講透，讓學生掌握精髓。

最大利用率問題，可從兩種新能源發電技術的不同點著手，利用最大利用率專題進行講解，結合知識模塊——最大功率跟蹤技術（MPPT），講深講透，再輔以仿真教學，讓學生完全徹底地理解掌握相關知識。

并網問題，可從常用的并網電路著手，利用并網技術專題，重點闡述并網原理和實現過程，再根據風力發電和光伏發電的不同特點，分別提出各自適配的最優并網方案，引導學生通過仿真實驗進行驗證，學以致用。

最大利用率和并網技術，這兩個專題屬于課程群規劃的兩個公共教學模塊，力求講精講細，積極引導學生，培養從理論角度分析解決實際問題的能力。風力發電技術和太陽能發電技術教學模塊組成如表1所示。

教學模塊主要由風力發電技術教學模塊、太陽能發電技術教學模塊和公共教學模塊等三部分組成。其中標注*部分，理論講解時，配合動畫演示，便于形成直觀的定性認識;標注**部分，理論講述的同時，配合仿真實驗演示，以加深學生對理論的掌握。

除上述教學模塊外，風力發電技術和太陽能發電技術規劃實驗教學內容如表2所示。其中標注*的實驗，以前只能采用仿真實驗替代實物實驗，使得學生對內容的理解僅停留在理論階段。要真正實現實驗的實物化，必須掌握一定的編程知識及硬件知識，DSP數字控制技術正好可以滿足上述要求。

DSP數字控制技術課程重實踐，強調學生的動手能力培養，傳統的教學方式以講為主，實踐內容非常少，滿堂灌，又稱為填鴨式課堂教學方法，在壓縮學時、重應用能力培養的背景下，已不再適用。傳統課堂教學，講述DSP基本知識，從DSP的特點、基本內容講起，一方面，文字知識多，易忘不易記，且易于弄混，不利于學生對其掌握，另一方面，通用知識多，對電氣工程專業所用知識的針對性訓練偏少。與此相對，實踐中學習DSP，事半功倍，尤其是帶有特定目的的項目驅動式教學方法，特別適合于DSP數字控制技術課程的教學，更有利于學生解決電氣工程問題能力的培養?；谏鲜鲈?，將新能源課程群相關課程實驗教學內容統籌安排，變成一個有應用目的的訓練過程，必將大大改善教學效果，對提高學生的綜合能力有很大的幫助。在教學過程中，可將DSP數字控制技術教學內容與表2所示實驗內容統籌規劃，將DSP的基本功能實驗組合到表2所示實驗內容中，鼓勵學生探索，獨立、創新完成表2標注*部分的實驗內容，從而增加了獨立、創新性實驗內容;標注*的實驗內容，與現場應用密切相關，可有效提高學生的現場適應能力。以單相光伏并網發電及最大功率跟蹤實驗為例，涉及三個環節，分別是升壓、逆變和輸出濾波，其中升壓，以BOOST電路控制為主，通過A/D檢測光伏電池輸出側電壓、電流，PWM功能控制開關管的工作狀態實現最大功率跟蹤;單相逆變利用A/D檢測電網電壓，由PWM功能控制逆變器輸出電壓，保證并網電流與電網電壓同相位，實現可靠并網。整個實驗過程，將光伏并網與DSP功能模塊有機組合，通過并網功能的實現，即項目驅動，激勵學生學習知識，從實驗中學，真正提高學生解決問題的能力。

三、教學過程的實施及考核

教學過程中，將DSP數字控制技術、風力發電技術和太陽能發電技術等三門課程的內容統籌安排，根據內容分配給相應的課程組任課教師，每名教師負責的教學任務不同，而采用集體備課形式又可有效保障教學效果。首先，按照新能源課程群教學內容，對各門課程的內容進行分解，分解為不同的教學模塊;其次，根據各模塊教學內容，確定教學順序，避免教學內容的重復;再次，從項目驅動式教學的角度，對教學模塊再次進行調整，確保項目驅動式教學的效果;最后，將確定的教學內容分配給不同的教師，術業有專攻，從專業的角度，做深做強，力爭最大限度提升學生的專業素養。

教師根據各門課程的教學要求，規劃實驗項目并指導學生完成。實驗項目的設置，應根據新能源課程群相關課程的教學內容，設置不同的實驗項目，并將設計任務細化，明確各階段任務并下達給學生。學生自由組合團隊，課下團隊共同討論項目內容及實現方案，利用新能源實驗室已有條件，分階段保質保量完成項目任務，最后通過課堂演示展示團隊成果和小組答辯評定實驗成績。教學過程中，以團隊考核為主，兼顧個人團隊貢獻及個人能力，鼓勵學生完成項目基礎功能設計的同時，積極完善項目功能，變原有的簡單考試考核方式和被動式課堂教學為學生基于項目實現的自主式學習，進而有效提高課程的教學效果，提升學生的知識綜合應用能力，培養團隊協作能力，提高團隊榮譽感，促進學生專業素質的提高。

四、結論

基于項目驅動式教學方法的新能源課程群教學改革，可有效解決電氣工程及其自動化專業課程體系和學生層面的問題：（1）通過統籌規劃教學內容，內容系列化，避免不同課程問內容的重復，增加教學信息容量，即“課程群組化”;（2）將現有課程的實驗內容、教學內容適當調整，強調學生的參與，鼓勵學生參與到教學中來，借助項目驅動式教學方法，培養學生的學習興趣，學以致用，實現理論與實踐的互相促進，即“教學內容項目化”;（3）理論與實踐相結合，提高學生的綜合素質，提升學生應對現場問題的能力。由于電氣工程及其自動化專業各培養方向課程群內容的相關性，項目驅動式教學方法可快速推廣至其他培養方向。

[責任編輯：鐘嵐]