風能及其利用技術課程思政改革與工程思維培育探索

雷 標

（北京工業大學，北京 100124）

煤、石油和天然氣等傳統化石能源的大規模開發利用已在世界眾多地區造成了相當嚴重的環境問題，由此產生的碳減排也受到越來越多的關注。近年來，全球碳減排呼聲越來越高，各國紛紛出臺碳減排的各項政策。為了減小碳排放，以風能、太陽能利用為代表的近零碳排放能源技術和產業得到迅速發展。隨著碳減排各項措施的逐步落地，相關新能源產業還將迎來更大的發展空間。風能作為一種清潔無污染的可再生能源，已在世界范圍內實現了較大規模的商業化應用，在確保能源安全、保護生態環境、減小溫室氣體排放方面發揮了重要作用。在高校人才培養過程中，以風能及其利用技術為代表的相關課程的重要性日益凸顯，在新能源科學與工程等能源動力類專業教學計劃中的地位也將進一步提升。為提高新能源科學與工程專業人才培養質量，開展該課程思政教學改革，深化學生對“雙碳”、風電等新能源產業培育、能源安全等國家重大戰略、政策的理解，并潛移默化地植入為民族產業貢獻自身力量的使命感；培育學生的工程思維，提升學生從事風力發電相關研究、設計、安裝和運維的能力以及工程創新能力；從而盡快形成新能源、新產業發展的生力軍，投身新能源開發利用事業。

一 學生的基本情況及改革的必要性

北京工業大學新能源學科與工程專業風能及其利用技術課程（以下簡稱“本課程”）一般安排在第五或第六學期開設，屬于學生接觸較早的一門專業課。通過該課程的學習，使學生系統學習風能和風力發電技術，初步掌握風力機的基本理論、風力發電裝置的工作原理、風電場電力系統等基本知識，為今后從事風電事業打下良好的基礎。在修讀本課程之前，學生已普遍修讀完成工程流體力學、工程力學、機械設計基礎和電工技術等課程。與本課程不同的是，這些先修課程均呈現出很強的理論性和系統性，即所有問題答案的唯一性和排他性。客觀來說，修讀這些課程對學生邏輯思維、科學思維的形成和發展至關重要，但由于課程自身的屬性，在培育學生的工程思維方面往往有所不足。因此，推動風能及其利用技術課程教學改革，培育學生的工程思維，對于提高工程科技創新能力非常重要。與此同時，隨著課程思政各項措施的實施，學生對課程思政呈現出一定的疲勞感。創新思政教學方法，吸引學生學習興趣，在不經意間鞏固思政教學成果，十分必要。本文以北京工業大學新能源科學與工程專業風能及其利用技術課堂教學出發，深入挖掘該課程思政相關元素，同時從風力發電技術的歷史演變邏輯和發展規律出發，培育學生的工程思維，為工程科技創新打下良好基礎。

二 風能及其利用技術課程思政改革方案與成效

北京工業大學風能及其利用技術課程的主要教學內容包括風電技術與產業發展簡史、風資源與風特性、風電機組的結構與工作原理、風力機空氣動力學和風電場電氣系統等內容。顯然在風電技術與產業發展簡史中，有眾多可以深入挖掘的思政元素，支撐思政教學改革創新。相關具體措施及取得的主要成效如下。

（一）引導學生深刻體會我國風電、光伏等新型能源產業的快速發展對“雙碳”戰略的強力支撐，自覺融入低碳發展的歷史趨勢

在世界范圍內，減小二氧化碳等溫室氣體排放的主要原因為近年來極端天氣頻發，世界各國深受其害。各國研究人員一般將極端天氣多發歸因于全球累計碳排放。同時，我國在2022 年的碳排放量超過100 億t，已成為全球第一大排放國，其中電力行業是我國最大的CO2排放行業，碳排放量約占全國碳排放總量的40%[1]。一些敵對勢力不顧自身的碳排放歷史，從限制中國等后發國家進一步發展的角度出發，以碳排放為武器，以碳稅為抓手，對中國大肆攻擊，要求立即減少碳排放。我國在承受這些壓力的同時，一方面從發達國家歷史累計碳排放和后發國家的發展權出發，對這些勢力的惡意攻擊給予回擊。另一方面，大力扶持國內風電、光伏等低碳可再生能源產業，早在2003 年就開始布局國內的大型風電基地[2]，通過頒布《中華人民共和國可再生能源法》，實行電價補貼等一系列有力政策，促使我國的風電產業逐漸站穩腳跟，并得到快速發展。在光伏領域，我國的技術和產業優勢更加突出。基于以上背景，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上宣布，中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。“雙碳”目標的提出必將為以風電為代表的新能源產業迎來更廣闊的發展空間。通過講解，使學生認識到“雙碳”目標的提出既有回擊敵對勢力的現實需要，又有作為負責任國家的具體體現，更有近二十年來我國相關產業迅速發展的支撐，這使我們有決心、有能力實現“雙碳”目標。進一步明確“雙碳”目標為新能源產業提供了更廣闊的發展空間，而不是發展受限，使學生深刻理解并支持我國的減排事業，增強為開發新能源發揮自己力量的使命感，自覺融入我國低碳發展的歷史趨勢。

（二）深入領會能源安全的極端重要性，掌握風能資源開發利用與國家能源安全的關系，增強對我國能源安全的信心

近年來，雖然新能源產業得到迅速發展，但化石能源占我國能源消費中的比例依舊很高。我國石油對外依存度超70%，天然氣對外依存度超40%[3]。在教學實踐中，可從俄羅斯-德國北溪天然氣管道遭到破壞出發，引入能源安全的極端重要性，探討我國可能面臨的能源安全問題。基于風能自身屬性，指出開發利用風光等可再生能源本身就是保障能源安全的措施之一。我國的風能資源多集中在三北地區（即東北、西北和華北），而能源消耗集中在東南沿海等發達地區，能源生產和消費的空間匹配性較差。一方面，雖然可以把高能耗工廠建設在可再生能源豐富的三北地區，提高能源生產和消費的空間匹配性。另一方面，發展超長距離、超高壓輸電技術可能解決能源生產和消費的空間不匹配性。同時，面對風能、太陽能等能源供給側的不穩定性，發展以儲能電池為代表的電能存儲技術也勢在必行。在超高壓輸電、儲能電池領域，我國已取得國際領先地位，風力發電、光伏為代表的電能供給技術也走在國際前列。在把握好實現“雙碳”目標節奏的同時[4]，基于風能太陽能資源的本士特征，風電開發、超高壓輸電和儲能技術的飛速發必將提高我國的能源安全水平。

（三）掌握風電產業快速發展與我國的社會主義體制的密切聯系和內在邏輯關系，增強學生對我國快速發展的信心，鞏固道路自信

在風力發電領域，和丹麥、美國等先進國家相比，我國風電起步要晚得多。雖然在20 世紀80 年代開始利用國外技術、資金等建設了少量示點項目，但整體而言，由于產業觀念落后，技術上、產業鏈上完全依賴國外，發展十分緩慢。但是風電相關的科學研究已經開始，并逐步形成一定的技術積累[5]。2003 年后，我國風電產業開始得到迅速發展。為了促進可再生能源的開發利用，2005 年頒布《中華人民共和國可再生能源法》，同時在2009 年制訂陸上風電機組上網電價，并對風電企業進行稅收優惠[6]。通過一系列科學謀劃，我國已形成一套包括風機主機制造、核心部件研發、建設與運行維護在內的完整產業鏈[7]。據彭博新聞財經統計，截至2022 年，不僅風電年裝機容量連續13 年全球第一，全球風電整機制造商新增吊裝容量前十排名中，中國企業占據六席。與此同時，相關的研發水平也在持續提升，在超長葉片制造、超高塔架和超高海拔風電技術領域處于世界領先地位[7]。這些說明，我國風電產業僅用了20 年就走出了一條發達國家近百年走過的路。通過講解并開展課堂討論，對風電產業迅速發展的原因進行總結，最終體現出我國的超大規模市場優勢、集中力量辦大事優勢和全產業鏈優勢，從而實現在悄無聲息中培養學生的民族自豪感，激發其愛國情懷，增強了學生對我國快速發展的信心，鞏固了我們的道路自信。

（四）明確風電系統在核心部件領域與世界先進水平的差距，激勵學生為突破核心技術貢獻力量

近年來，雖然我國的風電產業得到快速發展，裝機量、生產量等多項指標都穩居世界第一。但是在部分細分領域，與國際領先水平仍有不小的差距。以軸承為例，風電機組的軸承主要有主軸軸承、變槳軸承、偏航軸承和變槳軸承等。以新強聯為代表的中國企業，僅在中低容量風電機組市場中占有勢。大容量機組中，我們僅能在變槳軸承、偏航軸承中占據一定的市場份額，在技術水平要求更高的主軸軸承領域，仍長期被瑞典斯凱孚SKF 等國外品牌壟斷[8]。在葉片領域，我國雖然可以制造超長葉片，但隨著葉片的大型化，碳纖維將成為超大型葉片的理想材料，而國際上碳纖維產能多集中在東麗、卓爾泰克、三菱等國外品牌[9]。在海上風電領域，我們仍屬于后來者，海上風電裝機容量雖在迅速發展，但相關領域的優勢并不明顯，深遠海風電技術仍不成熟[10]，柔性直流輸電系統關鍵電氣設備仍未完全實現國產化[11]。顯然突破相關核心技術，需要材料科學、流體力學、機械設計、電氣工程等多學科專業知識，需要具備多學科背景的專門人才，這就要求我們不僅要學習好本專業的專門知識，還要具有跨學科學習能力，具有學科專業交叉能力，要樹立正確的學習觀，重視學習能力與學習習慣的培養，要重視終身學習，具有團隊精神，需要多學科協同攻關才能攻克核心技術，取得技術和產業優勢，產業競爭不是一門學科的競爭，而是多學科跨平臺的競爭。

三 工程思維培育

工程思維是一種應用性的思維方式，強調實踐、問題解決和效益。在大學工科教學過程中，培養學生解決復雜工程問題的能力是難點之一。經過高考的選拔和兩年基礎課學習的本科生，學術思維、邏輯思維已經得到很好訓練。作為新工科背景下的工科學生，受到近年來工程教學理科化的影響[12]，學生普遍缺乏工程思維，習慣用理想化思維來考慮實際問題，容易忽略實際問題的多樣性和復雜性。而工程思維的培育和發展是新時代工科教學的重要目標，同時也是解決復雜工程問題、實現工程創新的必要條件，也是自身競爭力的重要體現[13]。學生工程思維不足的原因之一就是理論教學和實踐教學的分割，即理論教學專門教授理論知識，實踐教學培養動手能力，而工程思維不同于動手能力，單純的實踐教學對培養工程思維作用有限。本文以風能及其利用技術課堂為例，探索通過風力發電技術的發展史和發展趨勢的學習來培育學生的工程思維，同時提升學生的學習興趣。

風力發電技術的發展史，本身就是培養學生工程思維的最佳教材之一。雖然對風能的利用有幾千年的歷史，但將風力用于發電源于美國和丹麥。查爾斯F·布拉什（美國，1849—1929）在1887—1888 年，安裝了第一臺用于發電的自動運行風電機組。該機組葉輪直徑達17 m，有144個材質為雪松木的葉片。該機組采用尾舵對風，轉速低，發電功率僅為12 kW。在肯定查爾斯F·布拉什創新精神的同時，引導學生對該機組進行討論，對其風能利用系數進行測算，指出不足，并提出個人的改進思路，設計驗證改進思路的試驗。根據相關結果進一步探討科學與工程的關系，培養學生提出工程方案、試驗驗證方案，對方案進行客觀評價的能力。然后根據風電技術的發展脈絡，過渡到保羅·拉·庫爾（丹麥，1846—1908）風力發電試驗。從試驗結果看出，低葉片數、高轉速風輪呈現出較好的性能，從而引導學生正確看待工程試驗與工程設計的關系。隨著風電技術進一步發展，以三葉片、上風向、氣動葉尖剎車、電動機械偏航、交流異步發電機和失速型葉片結構等為特征的丹麥概念風電機組逐漸成型，成為現代風電機組的設計先驅。從丹麥概念風電機組的設計理念出發，明確其解決的現實問題，以及用于現代大型風電機組設計時的不足。最后再從經濟、社會角度分析20 世紀70 年代早期風電技術發展相對緩慢的原因。從化石能源的大規模使用、丹麥自身的資源稟賦出發，客觀看待早期風電技術的發展，正確認識化石能源與現代可再生能源利用的關系，深入領會工程技術的發展與自然科學水平、經濟發展水平與自然條件之間的關系[14]。20 世紀70 年代以來，石油危機促進了風能為代表的新能源技術飛速發展。由于建造維護成本低、占地面積小的優勢,大型風電機組得到迅速發展。引導學生科學分析丹麥概念機組的技術特征應用于現代大型風電機組設計的適應性，明確變槳技術產生的歷史邏輯。近年來，隨著風電技術向海洋、深海發展，主流風電技術的三種技術形態雙饋、直驅、半直驅技術應用于海上風電的適用性，作為專題開展課堂討論和辯論，引導學生形成自己的判斷能力，培育工程思維。

從以上可知，工程方案的選擇是牽涉到技術可行性、經濟性、資源的可獲得性，以及眾多現場條件因素、人文自然因素，是一個復雜的問題。和學術問題不同，這個復雜問題的答案并不唯一，來源于眾多工程實踐。工程方案的多樣化與檢驗標準的市場化、長期化是驗證工程問題解決方案正確與否的主要判據。在長期的發展過程中，經得起歷史、市場的檢驗的工程方案才是正確的，以此為切入口解放學生的思維，深化學生對復雜工程問題的認識，培育工程思維，為工程創新打下基礎。

四 結束語

風能及其利用技術雖然是一門理論課，涉及風電機組的結構與工程原理、風力機空氣動力學等知識，但仍有很多思政元素可以挖掘，可以從“雙碳”戰略的提出背景出發，明確我國新能源產業快速發展為“雙碳”戰略提供的強力支撐，使學生自覺融入低碳發展的歷史趨勢；進一步深入領會國家能源安全的重要性，掌握風能資源開發利用與國家能源安全的關系；認清風電產業快速發展與我國的社會主義體制的密切聯系和內在邏輯關系，增強學生對我國快速發展的信心，鞏固道路自信；分析在風電核心部件領域與世界先進水平的差距，激勵學生為突破核心技術貢獻力量。還通過對風電技術發展史和發展趨勢的分析，培育學生的工程思維，引導學生正確認識風電技術的演變和創新過程，正確認識風電技術發展背后的社會、經濟、資源等因素，培育學生全面思考工程問題的能力和批判性思維，形成對各種工程技術方案進行審查、評價的能力，為工程創新打下良好基礎。經過多年努力，北京工業大學風能及其利用技術課程已形成以工程流體力學、電工技術、機械設計基礎和工程力學等課程為基礎，以風力發電相關知識傳授為主軸，以課程思政教學改革為兩翼，以掌握風電相關專門知識，培育工程思維，提高解決復雜工程問題的能力和工程創新能力為目標的課程體系，如圖1 所示。

圖1 北京工業大學風能及其利用技術課程的基本體系