風力發電課程項目化教學實踐

摘" 要" 針對風力發電課程集多門學科的特點，為有效傳遞知識，提出針對該課程的項目化教學思想。經過仔細梳理，把教學內容分解為課程設計項目、風資源評估項目、發電系統項目、偏航項目以及控制系統項目等項目化教學環節，整體項目化教學落腳于新能源設備控制技術實訓。通過項目化教學，提高學生的學習興趣，提升學生解決問題能力與創新能力。

關鍵詞" 風力發電課程；項目化教學；教學改革；實踐教學

中圖分類號：G642.44" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）14-0139-04

0" 引言

項目化教學起源于18世紀歐洲的工讀教育與19世紀美國的合作教育[1]。1918年9月，美國學者威廉·赫德·克伯屈（William Heard Kilpatrick）[2]

發表《項目教學法》一文，提出項目教學法。20世紀末，加拿大著名教育家查德和美國著名教育家凱茲在項目教學系統理論的基礎上，正式提出項目化教學的概念[3]。項目化教學作為一種有價值的教學模式，在國外的職業教育實踐中已經得到廣泛應用并取得較大成就，其理論研究也趨于成熟。我國項目化教學研究始于1984年，隨后逐漸被運用到各個層級的教學實踐中。

項目教學法是建構主義學習理論的新型教學法，它的實質是教師制定任務，由學生來分組完成任務，完成任務前學生自己做好計劃，自己動手去實踐，在過程中教師可以給予指導，學生也可以自由討論，更多的在于學生獨立探索思考，任務完成時學生學到相關知識，提高解決問題能力。項目教學法強調教學的中心是學生，其教學過程是體驗團隊精神、運用知識、提高能力的過程[4-5]。

項目化教學是一種“以項目為載體、以典型職業工作任務為核心、教師為引導、學生為主體”的新型教學模式，注重將理論融入實踐教學，重視發揮學生的主觀能動性和團結協助精神，通過學生自主探究，做中學、做中想、做中悟，將理論知識內化為實踐經驗，提升學生解決問題能力與創新能力[6]。

1" 課程教學中存在的問題

風力發電是新能源科學與工程專業的核心基礎課程，這門課程看似簡單，實則是一門難度很大的課程。因為這門課程涉及機械、材料、電氣、信息及控制工程等多學科的內容，相較于機械和材料方面的知識，學生在電氣、信息及控制工程方面存在很大的知識欠缺。與傳統的火力發電相比，風能轉化為電能的過程非常短暫，也比較容易理解，之后的過程涉及大量的電氣及控制方面的知識，而恰恰在這方面，一般新能源相關專業的學生存在知識儲備不足的情況。在教學過程中，如何將知識進行有效傳送，讓學生能積極主動地學習？筆者認為項目化教學是一種非常好的授課形式。

2" 項目化教學改革與實踐方案

在風力發電課程教學中，要完成風力發電機基本理論、發電系統、偏航系統及控制系統等內容的教學。經過仔細梳理，可把內容進行分解，變成相關的項目，構建科學的教學體系，具體實踐如圖1所示。

2.1" 風力發電機基本理論

這一部分內容包含空氣動力學的一些相關理論，非常抽象和深奧，直接授課，學生普遍感覺非常枯燥乏味，教學效果也不好。在實際教學中，將有關風輪空氣動力特性的知識不做過于深入的討論，把晦澀的理論知識放在后期的課程設計環節。課設內容是通過動量葉素理論的相關知識與給定的環境條件設計出工作葉片，用到的理論知識正是前期教學中的教學難點。經過課設以及后來的答辯環節，明顯感覺到學生對這部分內容有了深刻的理解，抽象的公式變成鮮活的計算依據，教學效果大為改善。

還有一部分理論知識是有關風資源的，難度不大，但缺乏實際應用。為了能應用風資源的理論知識，購買氣象觀測儀并把它安裝在教學樓頂。氣象觀測儀能全年不間斷按秒收集氣溫、風速、風向、氣壓等氣象信息并保存。對這些海量的數據，學生可以用風資源公式進行處理。在處理過程中，要求學生使用Origin軟件進行數據處理和圖形繪制，一方面使學生掌握風資源的評估方法，另一方面使學生學會Origin軟件，為今后的科研工作打下基礎。

2.2" 風力發電機發電系統

這一部分內容是教學的一個難點，也是項目化教學最需著力的地方。該部分內容是結合電力電子課程內容進行風力發電系統逆變電源控制與調試的項目，其項目化教學包括四個分任務，即認識并網逆變器的內部結構、離網逆變器與并網逆變器狀態測試、蓄電池風能控制器及直流負載測試、風力發電機組偏航及可變風向和可變風量控制測試。每個分任務可以通過制定學習目標、知識引入和任務實施等環節實施，這些環節通過實物講解或PSIM軟件仿真或學生動手制作等方式開展教學活動，不僅能夠讓學生深刻理解風能轉變成正弦交流電的過程，還能讓學生掌握分布式發電的相關知識。可利用本專業的實驗系統實施這一項目，實驗系統實物圖如圖2所示。

為進一步貫通學科知識，增加最大功率跟蹤技術（MPPT）環節的項目內容。MPPT是光伏發電中必不可少的技術，針對這一部分內容，設計實踐環節，光伏發電部分用溫差熱電片代替，通過Boost電路，連接負載，通過信號發生器控制PWM波占空比實現最大功率的跟蹤。這種方法簡單直觀，能進一步加深對這一技術的理解，可以更好地理解風電機組的MPPT理論，同時可以深刻地理解光伏發電的內容。這一環節輻射了電力電子技術、光伏器件與技術、智能微電網等相關課程，真正把各學科知識聯系起來。

2.3" 風力發電機偏航系統

這一部分內容引入偏航項目，機艙以塔架中心線為軸線的旋轉叫做偏航，偏航系統（又稱對風裝置）是水平軸風力發電機組特有的部分，大型風力發電機組多采用主動偏航。一個偏航系統應能實現的功能有自動偏航、手動偏航、解纜控制及90°側風等。在項目實施時，使用步進電機擔負偏航系統的功能。步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相對應角位移或線位移的電動機，能實現精準的小角度偏轉，旋轉速度控制，相對角度、絕對角度偏轉等功能，完全可以滿足偏航系統的控制要求。為更好地展示和控制，連接觸摸屏實現顯示和控制。圖3a為控制系統的MCGS組態控制畫面，圖3b為實物連接圖。

這套項目訓練基于MCGS組態軟件，通過步進電機模擬機艙的偏航控制，風速風向信息來自氣象觀測儀。在控制過程中，通過Modbus總線實現觸摸屏和步進電機的信息交換，步進電機能夠接收MCGS的驅動信息，根據風向與風速驅動機艙完成對風、解纜、90°側風等功能，能完成偏航控制系統的基本控制要求。構建的基于MCGS的偏航控制系統設計能直觀地顯示風力機的偏航控制過程，并且能進行偏航控制策略的二次開發，為初學者提供實物參考平臺，為研究者提供策略研究平臺。通過這一項目的實施，學生對偏航系統的控制策略有了深刻的理解。

2.4" 風力發電機控制系統

風力發電機控制系統是風機的靈魂和核心，其基本任務是對風力機的能量輸入和發電機的能量輸出進行控制。首先，控制系統必須依據實時風況的改變來調整機組狀態，并通過優化確保機組的穩定與效率。其次，控制系統兼具監察風機與電網狀態參數的任務，通過實行電網調控命令，滿足其運行條件，解決電網有可能發生的緊急故障，保證系統能夠安全高效地運行。現有的風機自控教學模式對于學生來說是一種碎片化的教學，很難構成系統完整的認識。鑒于此，引入控制系統項目，基本思想是基于現有商用大型風力發電機的自控系統，深入剖析自控系統的邏輯，讓學生將其復現出來并在人機界面上實現其功能。

雖然這些功能無法實現真正的控制，但通過對商用風力機控制系統的研究和復現，學生可以對大型風機的控制系統的構架、策略及冗余等概念有初步完整的認識。至于各功能的實現，可以通過后面的新能源設備控制技術實訓實現。

2.5" 新能源設備控制技術實訓

在理論教學和上述項目實施完成后，本專業設置一個兩周的新能源設備控制技術實訓。通過技術實訓，學生可以認識和了解一些常用電氣元件的構造、特點及工作原理，能夠正確使用和選擇常用電器元件。學生還可以掌握基本控制系統的結構和工作過程，能根據新能源設備簡單的控制要求，自行設計控制系統并能組態實現控制功能。該實訓是一門既有系統理論又有較強實踐性的技術基礎課，需在完成電工電子學、自控原理、測試技術、風能太陽能等基礎課和專業課的基礎上開設，需要學生具備動手編寫計算程序的實際運用能力以及熟練使用常用工具和儀表的能力。通過實訓，加強學生獨立思考、自我創新、實際操作的能力，理論與實踐相結合，達到培養綜合型人才的目的。

在實施過程中，學習工業組態軟件，讓學生能根據控制要求構造和生成上位機監控系統并能正確執行，能正確選擇控制模塊及控制電器元件并能通過上位機進行通信和實現控制功能。在此階段，進一步提高學生解決問題的能力，幫助學生建立工程思維及專注、認真、嚴謹的工作態度，提高學生的團隊協作能力。在這一環節，學生需要通過開關量輸入輸出模塊及模擬量模塊對外設進行控制，并且能夠通過編制程序實現控制功能，補齊風力發電機控制系統無法實現的短板。

2.6" 項目化教學考核

在加入項目化教學過程中，如何實施考核是一個重要的內容。本課程的項目化考核包括風資源評估項目、發電系統項目、偏航項目以及控制系統項目。風資源評估項目可以每人一題，以大作業的形式進行考核。發電系統項目、偏航項目和控制系統項目以小組為單位，分成6～8組開展，小組采取答辯方式考核，保證每位學生都能參加考核，加強過程化考核，調動每位學生的積極性，激發學生學習潛能。

3" 結束語

由于風力發電課程的教學內容涵蓋電力工程、信息技術、控制理論等學科知識，為有效地傳授知識，項目化教學是一個非常好的教學手段。通過項目化教學，將章節內容設計成課程設計項目、風資源評估項目、發電系統項目、偏航項目以及控制系統項目，整個項目通過新能源設備控制技術實訓集中進行總結和訓練。通過這些舉措，本專業風力發電課程教學效果受到學生廣泛的好評，輻射電力電子技術、光伏器件與系統及微電網技術等相關課程。

4" 參考文獻

[1] 劉相龍，王錦.項目教學中教師角色的定位[J].職業，2011（23）：51.

[2] KILPATRICK WH. The project method[J].Teachers College Record，1918（19）：318-330.

[3] 李惠瑩.項目化教學的設計與應用研究：以《多媒體創作工具》課程為例[D].沈陽：沈陽師范大學，2014.

[4] 張袁元，顓孫隨意，許麗嬌，等.應用型本科的課程項目化教學改革研究[J].教育教學論壇，2021（39）：88-91.

[5] 伍永峰，賴永菁.電子信息工程類項目化教學研究與實踐[J].現代信息科技，2021，5（23）：190-194.

[6] 臧利國，文少波，孫海燕，等.基于工程化項目教學的智能網聯汽車應用型人才培養模式探索與實踐[J].大學教育，2020（2）：158-160.

*項目來源：南京工程學院能源與動力工程學院教研教改與教學資源建設課題（項目號：ndjyjg2022-06）。

作者簡介：胡申華，博士，教授，南京工程學院能源與動力工程學院新能源科學與工程專業負責人。