新工科背景下基于项目驱动的新能源课程群教学模式探索
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[摘要]针对目前高等学校电气工程及其自动化专业新能源类课程存在教学内容多、各课程内容又密切相关的特点，考虑到学生学习积极性较差的现状，课题组提出了基于项目驱动的新能源课程群教学模式。课题组分析了新能源课程群各课程的特点，将各课程教学内容模块化，结合专业发展趋势设置教学项目，明确目标和分阶段任务，“以项目为主线、教师为主导、学生为主体”，改变了以往“教师讲，学生听”的被动教学模式，完善了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式。教学实践表明，基于项目驱动的新能源课程群教学模式可有效改善教学质量和提高学生的动手能力，增强学生应用所学知识解决实际问题的能力，进而提升学生的专业素养。
[关键词]新工科;項目驱动;新能源;课程群;教学模式
[中图分类号]G642.0
[文献标识码]A
[文章编号]2095-3437（2020）03-0049-03
随着我国“一带一路”“中国制造2025”“网络强国”等重大战略的不断推进，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新兴经济高速发展，对工程专业人才培养提出了更高要求和挑战，加快工程教育改革创新已成为“政产学研”各界的共识。在新经济、新产业与新技术背景下，相对于传统的工科人才，未来新兴产业和新经济需要的是工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。与此相矛盾，现有工科专业的课程体系设置、教学内容及实践教学等方面，普遍存在以下问题：（1）重理论，轻实践，理论联系实际不足，应用意义不甚明确;（2）重知识，轻技能;（3）教材、教学大纲的建设滞后，不能满足培养的需求;（4）教学内容单一，不能激发学习兴趣等;（5）独立性、创新性实践环节偏少;（6）学生面向工程应用场合的适应能力不足。
为了解决上述问题，文献从课程群的角度进行了研究。从课程群建设的总体思路、课程群定位、课程群体系与教学内容整合及优化、教学方法与教学手段改革、课程群实践教学体系与教学内容整合、实践教学内容与教学方法改革、实践教学与科研及工程和社会应用实践相结合等角度进行了阐述。文献中的实施效果表明课程群重构可有效解决上面所列的绝大多数问题。
课程群在解决独立性、创新性实践环节偏少和学生面向工程应用场合的适应能力不足等问题方面存在一定的不足。课程群侧重于课程体系的构建，避免不同课程间内容重复，有助于完善已有教材和教学大纲，但实验内容仍拘泥于已有的实验体系，创新性实验偏少，不利于工科学生综合能力的培养。与此相对，项目驱动式式教学法，直接面向项目需求，项目来源于实际生活或生产现场，与科研及工业应用现场密切相关。
项目驱动教学法是基于行动导向的探究式教学的一种教学方法，是将真实的或模拟的工程项目转化为教学项目，结合课程内容将项目分解为若干工作任务，创设工作情境，引导学生完成任务，进而实现项目教学目标的教学活动。项目驱动式教学法最显著的特点是“以项目为主线、教师为主导、学生为主体”，改变了以往“教师讲，学生听”被动的教学模式，完善了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式。与传统教学方法相比，教学实施过程中，学生的目标更清晰明确，可避免传统课堂教学的被动性，进而提高学生学习知识的兴趣和主动性。
一、新能源课程群教学中存在的问题
我校最新的电气工程及其自动化专业培养方案，要求学生掌握电气工程领域的系统知识，具备电气工程领域相关的专业技术和实践能力，具有创新精神和国际化视野，毕业后能从事电气工程规划设计、装备制造、技术开发、生产过程的运行与控制、技术管理和科学研究等方面的工作。基于以上培养目标，电气工程及其自动化专业培养方案中，提出了电力拖动、电力系统、新能源和综合四个培养方向，并对各个培养方向的限选课程进行了限定，在扩展学生知识面的同时，又可以保证学习方向的“专”。
从电气工程及其自动化专业层面，新能源方向课程主要包含DSP数字控制技术、风力发电技术、太阳能发电技术和微电网技术等四门课程，内容各有侧重，但该课程群体系在教学内容、方法与手段以及实践教学中亦存在部分课程内容重复、重理论、轻实践、理论与实际脱钩、教学方法单一、缺少创新性实践训练等诸多的不足。
从学生层面看，近几年电气工程及其自动化毕业生就业前景较好，学生就业压力小，直接导致学生选课的目的性不强，不能完全把握自己的学习方向，往往“一窝蜂”式地选课，为了学分而选课，造成部分学生对课堂学习过程不重视，只注重眼前，常出现为了应付考试而占用其他课程课堂时间进行复习的现象，拆东墙补西墙，恶性循环，进一步降低了学习的效果。
为了解决上面提到的问题，在引导学生提高专业技能的同时，需要从宏观的角度，对新能源课程群教学内容进行统筹规划，以充分调动学生学习的积极性。考虑到DSP数字控制技术、风力发电技术和太阳能发电技术等三门课程安排于同一学期，教学内容规划及调整就以上述三门课程为主。
二、新能源课程群教学内容规划及调整
风力发电技术和太阳能发电技术作为新能源发电的两个重要分支，涉及很多共性的知识，如风能和太阳能的最大利用率问题和风力发电及光伏发电的并网问题，是新能源发电技术必须解决的两个关键问题。
风力发电技术和太阳能发电技术从不同的角度，对两个关键问题进行讲解，容易造成混乱，该问题可通过专题教学、理论教学+仿真实验解决，讲深讲透，让学生掌握精髓。
最大利用率问题，可从两种新能源发电技术的不同点着手，利用最大利用率专题进行讲解，结合知识模块——最大功率跟踪技术（MPPT），讲深讲透，再辅以仿真教学，让学生完全彻底地理解掌握相关知识。
并网问题，可从常用的并网电路着手，利用并网技术专题，重点阐述并网原理和实现过程，再根据风力发电和光伏发电的不同特点，分别提出各自适配的最优并网方案，引导学生通过仿真实验进行验证，学以致用。 最大利用率和并网技术，这两个专题属于课程群规划的两个公共教学模块，力求讲精讲细，积极引导学生，培养从理论角度分析解决实际问题的能力。风力发电技术和太阳能发电技术教学模块组成如表1所示。
教学模块主要由风力发电技术教学模块、太阳能发电技术教学模块和公共教学模块等三部分组成。其中标注*部分，理论讲解时，配合动画演示，便于形成直观的定性认识;标注**部分，理论讲述的同时，配合仿真实验演示，以加深学生对理论的掌握。
除上述教学模块外，风力发电技术和太阳能发电技術规划实验教学内容如表2所示。其中标注*的实验，以前只能采用仿真实验替代实物实验，使得学生对内容的理解仅停留在理论阶段。要真正实现实验的实物化，必须掌握一定的编程知识及硬件知识，DSP数字控制技术正好可以满足上述要求。
DSP数字控制技术课程重实践，强调学生的动手能力培养，传统的教学方式以讲为主，实践内容非常少，满堂灌，又称为填鸭式课堂教学方法，在压缩学时、重应用能力培养的背景下，已不再适用。传统课堂教学，讲述DSP基本知识，从DSP的特点、基本内容讲起，一方面，文字知识多，易忘不易记，且易于弄混，不利于学生对其掌握，另一方面，通用知识多，对电气工程专业所用知识的针对性训练偏少。与此相对，实践中学习DSP，事半功倍，尤其是带有特定目的的项目驱动式教学方法，特别适合于DSP数字控制技术课程的教学，更有利于学生解决电气工程问题能力的培养。基于上述原因，将新能源课程群相关课程实验教学内容统筹安排，变成一个有应用目的的训练过程，必将大大改善教学效果，对提高学生的综合能力有很大的帮助。在教学过程中，可将DSP数字控制技术教学内容与表2所示实验内容统筹规划，将DSP的基本功能实验组合到表2所示实验内容中，鼓励学生探索，独立、创新完成表2标注*部分的实验内容，从而增加了独立、创新性实验内容;标注*的实验内容，与现场应用密切相关，可有效提高学生的现场适应能力。以单相光伏并网发电及最大功率跟踪实验为例，涉及三个环节，分别是升压、逆变和输出滤波，其中升压，以BOOST电路控制为主，通过A/D检测光伏电池输出侧电压、电流，PWM功能控制开关管的工作状态实现最大功率跟踪;单相逆变利用A/D检测电网电压，由PWM功能控制逆变器输出电压，保证并网电流与电网电压同相位，实现可靠并网。整个实验过程，将光伏并网与DSP功能模块有机组合，通过并网功能的实现，即项目驱动，激励学生学习知识，从实验中学，真正提高学生解决问题的能力。
三、教学过程的实施及考核
教学过程中，将DSP数字控制技术、风力发电技术和太阳能发电技术等三门课程的内容统筹安排，根据内容分配给相应的课程组任课教师，每名教师负责的教学任务不同，而采用集体备课形式又可有效保障教学效果。首先，按照新能源课程群教学内容，对各门课程的内容进行分解，分解为不同的教学模块;其次，根据各模块教学内容，确定教学顺序，避免教学内容的重复;再次，从项目驱动式教学的角度，对教学模块再次进行调整，确保项目驱动式教学的效果;最后，将确定的教学内容分配给不同的教师，术业有专攻，从专业的角度，做深做强，力争最大限度提升学生的专业素养。
教师根据各门课程的教学要求，规划实验项目并指导学生完成。实验项目的设置，应根据新能源课程群相关课程的教学内容，设置不同的实验项目，并将设计任务细化，明确各阶段任务并下达给学生。学生自由组合团队，课下团队共同讨论项目内容及实现方案，利用新能源实验室已有条件，分阶段保质保量完成项目任务，最后通过课堂演示展示团队成果和小组答辩评定实验成绩。教学过程中，以团队考核为主，兼顾个人团队贡献及个人能力，鼓励学生完成项目基础功能设计的同时，积极完善项目功能，变原有的简单考试考核方式和被动式课堂教学为学生基于项目实现的自主式学习，进而有效提高课程的教学效果，提升学生的知识综合应用能力，培养团队协作能力，提高团队荣誉感，促进学生专业素质的提高。
四、结论
基于项目驱动式教学方法的新能源课程群教学改革，可有效解决电气工程及其自动化专业课程体系和学生层面的问题：（1）通过统筹规划教学内容，内容系列化，避免不同课程问内容的重复，增加教学信息容量，即“课程群组化”;（2）将现有课程的实验内容、教学内容适当调整，强调学生的参与，鼓励学生参与到教学中来，借助项目驱动式教学方法，培养学生的学习兴趣，学以致用，实现理论与实践的互相促进，即“教学内容项目化”;（3）理论与实践相结合，提高学生的综合素质，提升学生应对现场问题的能力。由于电气工程及其自动化专业各培养方向课程群内容的相关性，项目驱动式教学方法可快速推广至其他培养方向。
[责任编辑：钟岚]
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