風(fēng)光互補(bǔ)實訓(xùn)課程設(shè)計與實踐探索*

◆李曉 樊朵朵 石現(xiàn)良

0 引言

目前，高等學(xué)校課程開設(shè)方式一般有三種，分別是理論課、實驗課和集中實踐環(huán)節(jié)。理論課與實驗課分別開設(shè)，必然造成二者脫節(jié)，削弱教學(xué)效果，因此，理論與實踐相結(jié)合進(jìn)行課程設(shè)置是非常值得嘗試的。風(fēng)光互補(bǔ)實訓(xùn)課程是濟(jì)南大學(xué)新能源科學(xué)與工程專業(yè)根據(jù)自己專業(yè)辦學(xué)的特點開設(shè)的一門實訓(xùn)課程，很好地對二者進(jìn)行了結(jié)合。

1 課程開設(shè)的意義

所謂新能源，簡單地理解，就是可再生能源的新利用，新的含義包括新技術(shù)、新觀念、新思維、新市場、新機(jī)制。具體來說，新能源包括太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、海洋能等，每一種新能源都是一門專業(yè)學(xué)科，且相互之間沒有必然的相互聯(lián)系。因此，對于新能源科學(xué)與工程專業(yè)，各高校都根據(jù)自己的學(xué)科優(yōu)勢建立自己特色的專業(yè)培養(yǎng)方向。

新能源科學(xué)與工程專業(yè)是2011年教育部批準(zhǔn)開設(shè)的專業(yè)，專業(yè)起步相對較晚，而且新能源行業(yè)范圍寬，培養(yǎng)目標(biāo)很難統(tǒng)一，培養(yǎng)方向難以精確確定，專業(yè)建設(shè)較之其他專業(yè)復(fù)雜[1]，所以各高校都根據(jù)自己的學(xué)科優(yōu)勢建立自己特色的專業(yè)培養(yǎng)方向。濟(jì)南大學(xué)根據(jù)自己的辦學(xué)特點制定該專業(yè)的培養(yǎng)方針，即培養(yǎng)具有扎實基礎(chǔ)且具有實踐能力的適應(yīng)社會發(fā)展的應(yīng)用型人才。

2 濟(jì)南大學(xué)新能源科學(xué)與工程專業(yè)現(xiàn)狀

2.1 學(xué)校的培養(yǎng)目標(biāo)

濟(jì)南大學(xué)是省、部共建的綜合性大學(xué)，是山東省重點建設(shè)大學(xué)，學(xué)校發(fā)展的目標(biāo)定位是培養(yǎng)具有高度社會責(zé)任感和可持續(xù)發(fā)展能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院結(jié)合學(xué)校辦學(xué)定位，在科學(xué)分析自身條件和優(yōu)勢以及山東省新能源產(chǎn)業(yè)特點的基礎(chǔ)上，確定了新能源科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)定位，即面向新能源產(chǎn)業(yè)，緊密結(jié)合山東省乃至國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，立足于濟(jì)南大學(xué)，將新能源科學(xué)與工程專業(yè)辦成培養(yǎng)具有較強(qiáng)工程實踐和創(chuàng)新能力，在太陽能光伏發(fā)電、太陽能光熱利用、風(fēng)能、新能源材料與器件等新能源開發(fā)利用相關(guān)領(lǐng)域，能從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計及運行管理等工作的應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才的工科專業(yè)。新能源專業(yè)的學(xué)生將系統(tǒng)學(xué)習(xí)各個培養(yǎng)方向的課程，畢業(yè)生可以在幾個方向中選擇任一方向就業(yè)。

2.2 課程設(shè)置及不足

新能源科學(xué)與工程專業(yè)課程設(shè)置有三類，分別是通識教育課、學(xué)科/專業(yè)課和集中實踐課。其中，學(xué)科/專業(yè)課分為學(xué)科/專業(yè)必修課和學(xué)科/專業(yè)選修課。學(xué)科/專業(yè)必修課又分為學(xué)科/專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課（必修）兩類，這類課程理論性比較強(qiáng)。學(xué)科/專業(yè)選修課全部為專業(yè)任選課，主要包括電力電子類、控制類等培養(yǎng)方向的專業(yè)課程，這類課程旨在因材施教，擴(kuò)大學(xué)生在該專業(yè)領(lǐng)域的知識面，兼顧學(xué)生就業(yè)、升學(xué)、終身可持續(xù)發(fā)展等多重需求。

集中實踐課程包括相應(yīng)專業(yè)方向的課程設(shè)計、畢業(yè)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等，這些環(huán)節(jié)旨在提高學(xué)生的專業(yè)綜合能力和工程應(yīng)用能力，為以后在工作中盡快提升工作能力做好準(zhǔn)備。

但是從目前的課程設(shè)置和整體培養(yǎng)效果來看，學(xué)生的動手能力、工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力都沒有表現(xiàn)出很明顯的提升，畢業(yè)之后立即能夠獨當(dāng)一面的能力還沒有表現(xiàn)出來，大部分學(xué)生很難在工作中脫穎而出。

2.3 彌補(bǔ)方式

隨著教學(xué)改革的不斷深入，為了提高學(xué)生的實際工作能力，學(xué)校逐漸加大選修課的比例和實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的培養(yǎng)力度，同時在選修課中設(shè)置一種新型的實訓(xùn)課程。這種實訓(xùn)課程將理論與實訓(xùn)相結(jié)合，以項目為驅(qū)動，以完成項目任務(wù)為學(xué)習(xí)目標(biāo)，課程的開設(shè)方式靈活且可以做到因材施教，因此得到學(xué)生的喜愛并取得良好的教學(xué)效果。

3 課程開設(shè)方式

風(fēng)光互補(bǔ)實訓(xùn)課程設(shè)置學(xué)時為24學(xué)時，1.5學(xué)分。其中理論學(xué)時為8學(xué)時，實踐學(xué)時為16學(xué)時。課程的開設(shè)使學(xué)生在理解知識的基礎(chǔ)上，通過實際動手來提高分析、解決、評價等能力，課上通過知識的對話進(jìn)行多向交流，將封閉課堂通過教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革形成開放式課堂，使學(xué)生在課后通過查閱資料、與同學(xué)討論等方式，解決疑問、加深理解、提高認(rèn)識水平[2]。對于課堂上教師提出的實際操作內(nèi)容，學(xué)生會主動查詢資料，主動學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，以便能夠順利動手操作。

3.1 開設(shè)地點為實驗室，教學(xué)內(nèi)容為理論與實訓(xùn)穿插進(jìn)行

本課程理論課設(shè)為8學(xué)時，第一次理論課為課程基本介紹、智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)知識，單片機(jī)控制的基礎(chǔ)知識回顧；第二、三次理論課為PLC控制的基本概念和基礎(chǔ)知識，包括基本結(jié)構(gòu)、各組成部分、工作原理、編程語言等；第四次理論課為遠(yuǎn)程控制，主要介紹力控軟件的使用。

實踐內(nèi)容包括兩部分：階段性培訓(xùn)和整體設(shè)計任務(wù)的完成。在第三次理論課程結(jié)束之后布置一個PLC控制的階段性培訓(xùn)任務(wù)，讓學(xué)生根據(jù)教師提供的器件完成簡單的PLC控制任務(wù)。這部分內(nèi)容要求學(xué)生課下完成，下次上課展示完成情況。全部理論內(nèi)容完成之后，教師布置整體設(shè)計任務(wù)，讓學(xué)生利用實驗室現(xiàn)有的儀器設(shè)備即瑞亞智慧新能源實訓(xùn)系統(tǒng)，完成自己的整體設(shè)計任務(wù)。對于單片機(jī)的應(yīng)用訓(xùn)練，由于新能源專業(yè)設(shè)置了單片機(jī)的課程設(shè)計，因此，單片機(jī)的訓(xùn)練同單片機(jī)的課程設(shè)計相結(jié)合，主要在課程設(shè)計環(huán)節(jié)完成，本課程基本不涉及單片機(jī)的訓(xùn)練。

3.2 儀器的特點

智慧新能源實訓(xùn)系統(tǒng)是以智慧新能源為基礎(chǔ)，針對當(dāng)前智能電網(wǎng)、新能源電子專業(yè)等專業(yè)崗位的就業(yè)需求而設(shè)計的新能源系列教學(xué)產(chǎn)品。實訓(xùn)系統(tǒng)主要由模擬平臺、管控平臺、仿真規(guī)劃平臺等組成。模擬平臺對多種場景進(jìn)行模擬，主要分為風(fēng)能發(fā)電場景和光伏發(fā)電場景，平臺將光伏發(fā)電又分為地面場景和屋頂場景。環(huán)境模擬平臺設(shè)備主要由垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)速儀、太陽能電池板、溫濕度光照傳感器、觸摸屏、控制單元等部件組成。管控平臺主要由可編程序控制器（PLC）、空氣開關(guān)、導(dǎo)軌電源、逆變器、繼電器、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、測量儀表、交直流負(fù)載、按鍵盤等部件組成。

3.3 以項目為驅(qū)動，學(xué)生以完成項目為目標(biāo)

階段性培訓(xùn)任務(wù)主要是培訓(xùn)學(xué)生掌握PLC控制，因為單片機(jī)對于學(xué)生來講已經(jīng)學(xué)過，而且基本可以自己完成任務(wù)。這些階段性設(shè)計任務(wù)第一部分是讓學(xué)生對PLC控制入門，因此只設(shè)計幾個簡單的PLC控制實驗，主要是用西門子S7-200PLC實現(xiàn)對十字路口的東西向和南北向交通燈的有序控制。實訓(xùn)目的主要是掌握PLC 工作原理，S7-200 系統(tǒng)構(gòu)成、通信和網(wǎng)絡(luò)，S7-200安裝接線，S7-200程序結(jié)構(gòu)，S7-200的基本指令。

完成基本實訓(xùn)任務(wù)后再安排一部分拓展任務(wù)，目的是對前面的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)一步鞏固，使學(xué)生可以根據(jù)自身能力和知識掌握程度進(jìn)行開放性的自主實訓(xùn)[3]，如可利用手中已有設(shè)備進(jìn)行流水燈、報警燈等的設(shè)計，以達(dá)到設(shè)定的實訓(xùn)目的。

階段性設(shè)計任務(wù)第二部分是讓學(xué)生對遠(yuǎn)程控制即力控監(jiān)控系統(tǒng)的入門，主要任務(wù)是掌握組態(tài)軟件的基本使用，包括：如何在創(chuàng)建的新窗口中創(chuàng)建圖形對象；定義I/O設(shè)備，實現(xiàn)軟件與外界測控設(shè)備的數(shù)據(jù)通信；數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建，制作動畫連接；運行該工程，進(jìn)行測試并修改。

整體設(shè)計任務(wù)設(shè)計多個綜合任務(wù)，學(xué)生在完成任務(wù)的過程中會鍛煉PLC、單片機(jī)、計算機(jī)遠(yuǎn)程控制等多方面的能力，并結(jié)合瑞亞智慧新能源實訓(xùn)系統(tǒng)的特點來進(jìn)行設(shè)置，主要是利用管控平臺發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行綜合實訓(xùn)，實訓(xùn)任務(wù)是在管控平臺通過PLC和按鍵盤實現(xiàn)按鍵控制環(huán)境模擬平臺鼓風(fēng)機(jī)和碘鎢燈的啟動，通過按鍵分別控制風(fēng)機(jī)、光伏板和直流負(fù)載、交流負(fù)載工作。

在完成以上四個設(shè)定任務(wù)后，學(xué)生已經(jīng)對管控平臺的運用較為熟練，有以上基礎(chǔ)知識和技術(shù)的鋪墊后，可以根據(jù)自己需求對管控平臺進(jìn)行控制的設(shè)計，通過自己的設(shè)計以鞏固上述實訓(xùn)的目的。

最后在力控組態(tài)軟件中做一個按鍵盤模擬管控平臺上的按鍵盤，實現(xiàn)對組件的控制、對微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行智能監(jiān)控。

力控組態(tài)軟件功能豐富，任務(wù)中只涉及簡單的組件控制功能，該組態(tài)軟件的主要監(jiān)控功能還未使用，因此可以根據(jù)學(xué)生掌握程度來增加拓展任務(wù)。例如：可以讓學(xué)生運用該組態(tài)軟件實現(xiàn)對電表的實時監(jiān)控，或者對溫度、濕度等的實時監(jiān)控。通過該實訓(xùn)，學(xué)生可以更好地掌握智能微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的工程設(shè)計與實施的方法與技巧，以及組態(tài)軟件的使用方法和技巧。

4 課程考核方式

鑒于課程的具體情況，構(gòu)建多元化的考核評價方式，以保障考核的科學(xué)性和公平性。采用單元測試與過程考核相結(jié)合的方式，以過程考核為主，過程分成三個層面：第一是分項練習(xí)，第二是項目整體論文，第三是答辯。

對于分項練習(xí)，教師布置任務(wù)以后，各學(xué)習(xí)小組在課上及課下完成實訓(xùn)任務(wù)，下次課各小組要匯報自己的設(shè)計過程，原則上每位學(xué)生都要展示自己的制作成果。這一部分主要考核學(xué)生的基本能力的獲得情況，以掌握基本能力為重點。

對于綜合性設(shè)計任務(wù)，小組成員分工完成，最后匯總形成設(shè)計成果，完成整體論文，展示設(shè)計成果。這一部分主要考核學(xué)生的參與深度及團(tuán)隊協(xié)調(diào)能力，以成果作為考核團(tuán)隊成績的依據(jù)。

答辯環(huán)節(jié)，各小組闡述設(shè)計思想，分析結(jié)果。該環(huán)節(jié)主要鍛煉學(xué)生的表達(dá)交流能力，師生皆參與，各小組學(xué)生相互提問、質(zhì)疑，最后各小組相互打分，與指導(dǎo)教師的打分相結(jié)合，作為最終成績的一部分。

除此之外，教師在教學(xué)過程中精心設(shè)計一系列單元測試題，通過教學(xué)網(wǎng)站或者雨課堂教學(xué)交流群發(fā)送，讓學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中或者單元總結(jié)過程中回答問題。這一部分成績計入平時成績，成為最終成績的一部分。

5 結(jié)束語

通過對風(fēng)光互補(bǔ)實訓(xùn)課程的教學(xué)內(nèi)容、開課方式、考核方式等進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計與改革實踐，使該課程成為目前提高學(xué)生綜合素質(zhì)和動手能力的一門非常有效的課程。課程以項目為驅(qū)動，學(xué)生通過學(xué)習(xí)以完成項目為目標(biāo)，在學(xué)中做、做中學(xué)，使課堂由通常的灌輸課堂過渡到對話課堂，由封閉課堂過渡到開放課堂，由被動課堂過渡到主動課堂，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升學(xué)生的獨立思考能力、靈活運用能力以及創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。