1. 引言
随着2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”总体战略目标的提出，逐步实现向低碳社会的过渡成为当前能源行业最为紧迫的议题之一 [1] 。电力行业，尤其是新能源发电领域，被认为是整个能源行业中解决低碳问题的关键。只有通过加速新能源发电的布局和新型电力系统的建设，才能克服传统能源高耗能消费结构向低碳清洁消费结构的转型所面临的种种制约 [2] 。电气工程专业也积极响应国家战略，正在不断改进和拓展教学内容，并在各类专业课程中增加相关的教学目标，以推动“双碳”目标的全面覆盖。因此在电气工程专业开设一门面向电气工程及其自动专业学生的新能源发电类课程变得十分重要。
“新能源与并网”课程可以使电气工程及其自动专业的学生在掌握了“电力系统分析”和“电力电子学”等课程的基础上，进一步获得有关一次能源和二次能源的基本理论和基本知识，学习新能源的种类以及其发电和并网的方法，了解主流新能源发电的基本原理和特性，特别是风力发电和光伏发电对电力系统产生影响的过程，使学生获得高覆盖的新能源发电科学技术知识。
但是，该课程实际上是一门偏重应用的课程，单纯的照本宣科式的教学显得过于枯燥，无法调动学生的学习兴趣和自主学习的动力。而且很多内容和学生的日常生活距离较远，较难具象化，较多内容偏宏观，导致学生无法感受到典型的新能源并网在现实生产、生活中的重要性，以及对电网带来的影响；导致学习过于被动，缺乏思考，容易出现为了考试通过而生搬硬套的现象，使得教学效果大打折扣 [3] [4] 。
而实际上，此类带有一定前瞻性、综合性的课程更应该是理论联系实际的良好方法，通过在课堂提出一定的问题，是翻转式课程的经典手段，只是这里所提出的问题应该带有一定的倾向性和引导性，着重于科研思维的培养。通过对问题的提出，帮助学生建立具有一定科学研究思维导向的探索方法，可以更好的带动学生学习的积极性。
2. “新能源与并网”课程介绍
“新能源与并网”课程使用了由王曼和杨素琴编写、并由中国电力出版社于2017年出版的“十三五”普通高等教育规划教材《新能源发电与并网技术》，并参考了部分其他教材的内容，主要包括五个部分，包括低碳与能源的相关知识点、风力发电与并网技术、光伏发电与并网技术、新能源发电中的电力电子技术、储能系统与微电网运行技术等教学内容。课程涵盖了目前国际上主流的新能源发电模式，并兼顾到与新能源直接相关的储能和微电网等知识点，使学生掌握新能源发电与并网的基本内容及其分析方法。其中又以“风力发电与并网技术”和“光伏发电与并网技术”为较核心的内容。
本课程的教学内容具有一定的综合性。比如“风力发电与并网技术”的章节部分，由于风力发电机涉及到空气动力学、变流器、发电机、并网等各方面的知识，这里就涉及到了“电力电子技术”和“电力系统分析”等前置专业课程的相关知识点。其中，本课程中的风力发电结构需要学生首先学习“电力电子技术”中涉及整流逆变的内容；同时这一部分内容中涉及到的风电并网控制的内容需要学生对“电力系统分析”中电力系统调峰和调频的过程有一定程度的了解才能形成系统的概念，才能够进一步理解风力发电的反调峰特性以及电力系统运行面临的困难，从而进一步理解为何电力系统存在新能源消纳困难的情况，并进一步探索解决的方法。因此可以看到，本课程的内容具有高度的综合性和贯通性，存在大量需由学生已有的知识体系出发才能得到的本课程内容的知识点。
正是因为本课程涉及的知识点多、前置课程多，如果只是对课本内容照本宣科，不加以引导，会导致教学效果较差。如“风力发电与并网”中涉及双馈风力发电机的机械原理部分，包含了阻力和升力的力学知识，但是本专业学生并不具备机械力学的知识储备，如果不加以引导并进一步延伸到风速大小与风力发电出力的关系时比较难以接受，出现了知识的断层。同时，在校园中由于客观条件的限制，教学中不太可能展示详细的风力发电机内部结构，只是展示静态的图片也无法取得较好的教学效果，需要借助更加灵活的教学形式。
因此，本课程和其他专业课之间联系比较紧密、知识点紧密结合实际，综合性非常强，各种不同领域的知识点紧密交织在一起。如果在课程教学中不能提前布局、加以引导，很难让学生形成连贯的逻辑线，导致课堂教学效果打折扣。
3. 科研思维导向的“新能源与并网”课堂教学模式设计
科研思维本质上是打破课堂教学中学生的被动位置，而变为课堂的主动参与者和推进者。这就要求从形式上对课程的讲授过程加以变更。与传统课堂以知识学习为目的的问题导向不同，培养创新精神的翻转课堂应该以解决课程中遇到的实际问题为导向 [5] 。通过循序渐进的启发性和引导性问题，使学生在课程学习的过程中逐渐培养敏锐的观察能力，并发展出发现问题、分析问题以及科学思维方式来解决问题的能力。整个引导式的课程设计被划分为3个阶段。
3.1. 预习阶段
为了取得良好的教学效果，需要在预习阶段进行充分的准备，这里包括学生进行准备和老师进行准备的过程，尤其是学生进行准备是非常必要的。特别是如果要在课堂上能够积极参与，是需要学生提前具备一定的知识铺垫的。
本课程依托了“一网畅学”平台进行预习任务的发布。首先教师需要将学生即将学习的相关内容提前发布到平台中，并通知学生进行预习。通过该平台，进入所选课程的页面，就可以提前查看到课程的基本信息、教学目标和相关材料。一般情况下，学生应该已经拥有本课程的教材，因此可以布置需要学生预读的教材页数，并通过提前发布教学PPT，进一步帮助学生完成预习任务，其中最关键的因素是通过平台提供一些带有导向性问题的预习任务，例如练习题、小测验或讨论题，通过完成这些任务帮助学生巩固理解并提前解决可能遇到的问题。同时平台还支持在线讨论或社交互动，也可以鼓励学生参与其中，与其他学生交流并共同学习。
特别是可以在预习中发布具有一定时效性的新闻报道，这些新闻报道往往会描述客观的现象，而不是像课本一样直接给出问题的回答。通过问题的构建和新闻报道中的描述，引导学生提前了解新能源发电在我国的发展现状，并促使学生联想到新能源发电需要在风光资源较充足的地区进行布局的思路，而这些地区往往远离经济中心，从而产生了电力系统如何将新能源进行消纳的难题，初步建立对其趋势的讨论。
创新必然源于对相关领域知识的充分掌握，仅仅依赖于教材的预习难以建立起培养创新精神所需的充足知识储备。学生在课前准备方面投入越多，后续的讨论和教学效果就会愈加显著。因此，预习阶段的顺利开展是后续课堂教学顺利完成的保障。
3.2. 课堂教学阶段
通过第一阶段的预习，学生已经对课堂将要讲解的问题有了初步的概念，因此可以在课堂上进行一定程度的提问。教师应该在上课过程中有意识的走下讲台，走到学生中间，近距离提问。培养创新精神和解决问题能力必须以能够引发学生思考的问题为导向。没有问题，就没有需要解决的困难，更谈不上激发科研思维的可能性。设计问题的目的在于引导学生学会明确目标，即要明确要观察、发现以及解决什么问题，并使其具备解决问题的能力，包括如何进行观察、发现、分析以及解决。通过这样的设计，旨在培养学生形成健全的科学逻辑思维习惯。
在教学的初期，可以先提较为简单的问题，如“这一章节哪里使用到了”电力系统分析“里面所学的知识呢？”等问题；在教学中期，可以进一步预设更复杂的问题，如“电力系统的调度中，新能源到底带来什么样的影响？”等问题；然后在后期，进一步在课堂上增加更加具有深度的问题，如：“如果风电必须在远离经济中心的地区才能大规模建设，那么怎么才能合理的将风电远距离送出呢”。此类问题并不能在课本上直接找到答案，往往还带有一定的延伸性，由此学生将进一步思考在电力系统调度中，传统的发电形式需要作为风力发电的有效补充，然后进一步引入实际的水光互补电网工程应用案例，分析其运作原理，进一步激发学生的学习兴趣和自主学习的热情，引发学生对相关知识点有更全面的认识。特别需要注意的是，以上问题的设置应该由表及里、由浅入深，避免问题过难导致学生缺乏参与感，从而导致响应不积极的问题。
所设计的问题的来源可以是学生在预习阶段所提的问题，也可以是教师通过丰富的经验整理出来的带有一定拓展性的问题。学生的问题往往集中在浅层的知识面上，而老师的问题往往是更加深刻的、内在的，这也对教师的经验积累提出了一定的要求。
3.3. 课后作业阶段
通过课后作业的问题设计，可以进一步促使学生回顾课堂教学的知识。传统的课后作业的设计主要侧重于知识掌握的目标。与此不同，带有科研思维导向的教学设计中是以培养学生探索性为目标的，因此所设计的问题则需要更注重实际问题，其目标在于解决实际问题，解决问题的方法是开放的，不拘泥于唯一的答案。实现这一目标更需要有意识的调动学生的逻辑思维能力，因此需要对课后作业进行一定的设计。
因此，可以在课后作业中增加新能源领域的具体实例，请同学讨论这些具体实例背后的逻辑和解决之道。实例可以是某段新闻报道，也可以是教师对某个现象的总结。这样就形成了学生从具体实例到问题总结到逻辑探索，再到解决方案提出的完整思维。再或者在布置的课后作业中，设置开放式的问答题，如“风力发电目前还不能完全替代火电和水电，那么是否有办法实现完全清洁的用电呢”等问题，促使学生进一步思考后续的解决之道。在评分上，也应该优先给予有深入分析的答案更高评价。
4. 改革效果及反思
电气工程专业是对联系实际要求较高的专业，如果学生只能够被动接收书本带来的相关条目性的知识，考试完成的时候就会全部忘记，变成一门记忆性质的课程。而通过对学生科研思维的挖掘，学生通过思考问题推进学习，在思考中巩固知识，在推理中串联逻辑，从而有机的整合本门课程的各个知识点。
对于“新能源与并网”课程的教学改革，可以使其成为一门具有电气工程特色的全面延伸、生动教学方法和灵活内容展示的课程。当然，该课程的特色改革仍有进一步的空间，如果问题设置的过多、过难，会大量占用有限的课程时间，从而起不到良好的效果；此外，由于部分同学的参与性和积极性不够，会存在沟通困难的问题，也需要教师进一步提高教学的吸引力。
5. 总结
本文介绍了面向电气工程专业的“新能源与并网”课程的基本情况，并从培养科研思维的角度构建了“新能源与并网”课程的特色教学改革方案。通过加强学生的主动性科研思维，从课前预习、课中教学和课后作业三个阶段提升本课程的教学质量，解决学生学习中的难点。通过对本课程的教学方式的改进可以为面向电气工程专业的低碳类课程教学改革提供一定的借鉴。