太陽(yáng)能光伏應(yīng)用創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐

楊宏偉

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院物理系，江蘇 南京 210095）

大學(xué)是青年人成長(zhǎng)的重要基地，上大學(xué)是大部分青年人的夢(mèng)想和理想。經(jīng)過(guò)小學(xué)和中學(xué)的艱苦努力和層層選拔，終于考取了大學(xué)。到大學(xué)里，就出現(xiàn)了一系列的問(wèn)題，究竟應(yīng)該怎么樣學(xué)？學(xué)什么？是像中學(xué)一樣，按部就班，老師講什么，就學(xué)什么；上課聽(tīng)講，下課寫(xiě)作業(yè)，作業(yè)做完對(duì)答案，還是發(fā)揮你的主觀能動(dòng)性，積極、主動(dòng)、創(chuàng)造性地學(xué)習(xí)，是擺在大學(xué)生面前的課題。同時(shí)，大學(xué)的教育工作者，有責(zé)任將這項(xiàng)工作做好。基于這樣的目的，2012年我校開(kāi)設(shè)了“創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)項(xiàng)目。作者審視了當(dāng)前世界能源危機(jī)和基于物理學(xué)的應(yīng)用申請(qǐng)了“太陽(yáng)能光伏應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”教改項(xiàng)目，作為全校本科生利用業(yè)余時(shí)間開(kāi)設(shè)的一門(mén)選修科目進(jìn)行了實(shí)踐［1－4］，取得了階段性成果。

1 項(xiàng)目實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)生報(bào)名踴躍

受?chē)?guó)內(nèi)外能源危機(jī)日益加劇的影響，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都在尋找新的可替代的能源，太陽(yáng)能、風(fēng)能和天然氣等新興能源就逐漸受到了人們的重視。太陽(yáng)能等與化石類(lèi)的能源石油或煤炭相比，不但清潔而且蘊(yùn)藏量豐富，特別是太陽(yáng)能和風(fēng)能，幾乎是用之不竭的清潔能源［5－6］。而與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的、能夠有效促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提高，容易被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的則首推是太陽(yáng)能。萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，植物的光合作用，動(dòng)物生長(zhǎng)的陽(yáng)光雨露，都與太陽(yáng)能緊密相關(guān)，與大學(xué)生的專(zhuān)業(yè)背景緊密聯(lián)系［7－8］。

我校作為“211工程”建設(shè)的全國(guó)重點(diǎn)農(nóng)業(yè)高校，具有110年的辦學(xué)歷史，現(xiàn)有60個(gè)本科專(zhuān)業(yè)，主要是與農(nóng)業(yè)、工業(yè)、經(jīng)濟(jì)、管理和金融等相關(guān)的學(xué)科。直接涉及農(nóng)業(yè)的專(zhuān)業(yè)有30多個(gè)，如農(nóng)學(xué)、植物保護(hù)、園藝、環(huán)境保護(hù)、中藥學(xué)和生物科學(xué)等。這些專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用背景明確，大都與植物或動(dòng)物的生長(zhǎng)繁殖緊密相關(guān)聯(lián)，因此，與太陽(yáng)能相關(guān)的課程，就受到了學(xué)生的重視。作為一門(mén)具有創(chuàng)新性的實(shí)踐課程，學(xué)校采取自由報(bào)名的方式進(jìn)行，但由于受到實(shí)驗(yàn)室空間等條件的限制，雖然學(xué)校只允許30人報(bào)名，但實(shí)際報(bào)名人數(shù)仍然達(dá)到了60人，其按學(xué)科專(zhuān)業(yè)類(lèi)別劃分，學(xué)生報(bào)名情況如表1所示。

表1 報(bào)名學(xué)生學(xué)科或?qū)I(yè)分布

從報(bào)名的學(xué)生的學(xué)科或?qū)I(yè)分布可以看出，對(duì)光照的利用有強(qiáng)烈需求的這些專(zhuān)業(yè)，其學(xué)生更重視這門(mén)課程的學(xué)習(xí)，他們迫切要對(duì)課程的進(jìn)一步了解，更希望能夠從太陽(yáng)能方面入手，看看對(duì)自己專(zhuān)業(yè)知識(shí)的拓展有多大的幫助。

2 教學(xué)內(nèi)容的選取

太陽(yáng)能光伏應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容很多，受該課程只有18學(xué)時(shí)的限制，為了使學(xué)生既能充分利用這有限的時(shí)間，又能對(duì)太陽(yáng)能光伏有個(gè)比較好的了解、認(rèn)知和實(shí)踐，我們主要進(jìn)行了以下3個(gè)方面的工作。

2.1 國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀介紹

近幾年，國(guó)內(nèi)外的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量和廠家數(shù)量增長(zhǎng)迅速，幾乎是一夜之間，全國(guó)各地出現(xiàn)了無(wú)數(shù)家太陽(yáng)能光伏生產(chǎn)廠家。狀況到底如何，我們需要有個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。我們要認(rèn)識(shí)到雖然我國(guó)太陽(yáng)能光伏板的產(chǎn)量很高，占世界總產(chǎn)量的60%，價(jià)格也很低廉，有一定的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，但我們很少有核心技術(shù)。我們的生產(chǎn)，大多類(lèi)似于代工的形式，在技術(shù)上仍然處于被動(dòng)局面。所以，在一片繁榮之后，暗藏著巨大的危機(jī)。這是需要我們向?qū)W生介紹的重要內(nèi)容之一，目的是希望學(xué)生能好好學(xué)習(xí)，力爭(zhēng)通過(guò)大學(xué)學(xué)習(xí)，自己能掌握一些本專(zhuān)業(yè)的核心技術(shù)，為本專(zhuān)業(yè)作貢獻(xiàn)，為國(guó)家社會(huì)多作貢獻(xiàn)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

同時(shí)，太陽(yáng)能的利用，并不像一些媒體宣傳的那么光芒四射，它也有其自身的嚴(yán)重不足，這也是作為教學(xué)的內(nèi)容必須讓學(xué)生知道的，例如，它受到天氣陰晴的影響，以及受蓄電池的影響較大，成本較高，維護(hù)很艱難等，也是我們必須面對(duì)的。

2.2 太陽(yáng)能光伏與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、生物學(xué)和信息產(chǎn)業(yè)等學(xué)科的關(guān)系

太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)，應(yīng)該說(shuō)是個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，正在不斷壯大。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，為了提高產(chǎn)量，加快育種繁殖，僅靠自然太陽(yáng)光和環(huán)境已經(jīng)不夠了。于是，就需要人造環(huán)境，例如，通過(guò)太陽(yáng)能光伏板與蓄電池，將白天的能量收集起來(lái)，在晚上或其他適當(dāng)時(shí)間段，通過(guò)電能的釋放，調(diào)節(jié)對(duì)植物的照明或其他影響，就可以達(dá)到提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和品質(zhì)，改變生物學(xué)性狀的作用。例如，農(nóng)作物的24小時(shí)不間斷的光照射，促進(jìn)其光合作用的進(jìn)行；農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)（雞，豬，牛等），調(diào)節(jié)照明，可以影響產(chǎn)蛋、產(chǎn)仔和產(chǎn)奶量；利用有害昆蟲(chóng)的趨光性，可以在晚上利用太陽(yáng)能點(diǎn)亮誘蟲(chóng)燈進(jìn)行誘蟲(chóng)，達(dá)到生物物理學(xué)防治害蟲(chóng)的目的，這種方法環(huán)保且簡(jiǎn)單易行，可以普及應(yīng)用；將信息產(chǎn)業(yè)中的控制技術(shù)引進(jìn)來(lái)，利用所學(xué)的計(jì)算機(jī)知識(shí)、單片機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)原理等，將太陽(yáng)能光伏的控制系統(tǒng)做好，達(dá)到人們想要的適時(shí)控制的要求，既可以節(jié)約能源，充分利用能源，又可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人化管理。以上的應(yīng)用實(shí)例，都是現(xiàn)代社會(huì)所需要的，還有很多其他方面的應(yīng)用待開(kāi)發(fā)，前途廣闊。

2.3 太陽(yáng)能光伏電路的簡(jiǎn)單核算、設(shè)計(jì)、組裝、實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)介紹

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，不但要求學(xué)生會(huì)做，而且還應(yīng)讓學(xué)生知道為什么這么做，于是我們結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，介紹太陽(yáng)能光伏電路的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)和核算問(wèn)題［9－10］。例如，按照目的和要求，以南京市為例，查找一年四季的平均日照時(shí)間及分布規(guī)律和光強(qiáng)，進(jìn)而計(jì)算所需要太陽(yáng)能光伏板的大小。考慮太陽(yáng)能光伏板的大小、傾角和效率等參數(shù)，再核算太陽(yáng)能控制器的電壓、電流、功率等要求，然后選型號(hào)，進(jìn)一步選配合適的蓄電池。在太陽(yáng)能光伏應(yīng)用過(guò)程中，蓄電池所占成本較高，它體積和重量都比較大，而且含有一定的污染物，后期處理要考慮環(huán)保問(wèn)題，這都給學(xué)生做了較為詳細(xì)的介紹。

在組裝實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)通過(guò)實(shí)際操作，讓每位學(xué)生都有動(dòng)手的機(jī)會(huì)，還可以裝了拆、拆了可以再裝，直到實(shí)現(xiàn)其功能［11－12］，盡量滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。

在實(shí)驗(yàn)具體內(nèi)容方面，我們根據(jù)參加該項(xiàng)目的學(xué)生的不同專(zhuān)業(yè)背景和興趣愛(ài)好，進(jìn)行了分類(lèi)指導(dǎo)，并考慮到經(jīng)濟(jì)和時(shí)間以及承受能力等因素，靈活掌握［13－14］。例如，學(xué)習(xí)農(nóng)學(xué)的學(xué)生，將來(lái)主要是從事農(nóng)作物育種和長(zhǎng)勢(shì)分析等工作，我們就選用價(jià)格低廉的大豆等種子作為實(shí)驗(yàn)原材料，其實(shí)驗(yàn)辦法類(lèi)似于“生豆芽”，采用白天自然生長(zhǎng)，晚上利用貯存的電能，利用LED燈對(duì)其照明，促進(jìn)其光合作用，并適當(dāng)改變時(shí)間和照射光強(qiáng)等參數(shù)，觀察對(duì)照比較其生長(zhǎng)規(guī)律，以1～3人為一個(gè)小組，協(xié)作完成。學(xué)生都能很認(rèn)真地做，并寫(xiě)好實(shí)驗(yàn)報(bào)告和結(jié)果分析。又如，學(xué)習(xí)中藥材種植的和學(xué)習(xí)園藝的，讓他們找個(gè)廉價(jià)的中藥材或園藝物種來(lái)觀察光照對(duì)植物生長(zhǎng)的光合作用的影響。學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)工程或信息技術(shù)類(lèi)的，就讓他們調(diào)研國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)形勢(shì)與展望，該行業(yè)的人才需求、技術(shù)儲(chǔ)備等問(wèn)題，同時(shí)，也讓他們參與其他小組的實(shí)驗(yàn)，形成同學(xué)之間的學(xué)科交叉融合，互為補(bǔ)充，互相促進(jìn)的態(tài)勢(shì)。

3 實(shí)踐結(jié)果分析

“太陽(yáng)能光伏應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”創(chuàng)新性課程于2012年1月初報(bào)名，2012年5月份，太陽(yáng)光強(qiáng)漸好，我們開(kāi)始了理論學(xué)習(xí)與準(zhǔn)備，6—9月份，利用夏季較好的太陽(yáng)能和假期，我們廣泛地開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)。為了方便攜帶，我們采購(gòu)了5～15W的體積較小的太陽(yáng)能板和7～12 Ah的蓄電池等器件，允許學(xué)生帶回到宿舍，甚至假期中帶回家鄉(xiāng)去做。因此，學(xué)生的積極性都很高。假期中，還經(jīng)常有學(xué)生打來(lái)電話或親自登門(mén)向教師請(qǐng)教，討論實(shí)驗(yàn)方案或?qū)嶒?yàn)結(jié)果分析等問(wèn)題，收到了很好的教學(xué)效果。總體來(lái)講，體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

3.1 學(xué)生自行組裝實(shí)驗(yàn)裝置

受課時(shí)的限制，課堂上理論分析這一內(nèi)容可以不講，一方面是為了鍛煉學(xué)生的能力，另一方面，考慮到其內(nèi)容較簡(jiǎn)單，學(xué)生一學(xué)就會(huì)，沒(méi)有特別繁雜的公式和計(jì)算，因此，學(xué)生樂(lè)意直接去做，自行設(shè)計(jì)組合該系統(tǒng)。為此，我們特意采購(gòu)了不同尺寸、形狀和功率的太陽(yáng)能光伏板、控制器和蓄電池，以及照明用LED燈等器件，以滿足學(xué)生設(shè)計(jì)組裝和改裝的需要。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容靈活

因?yàn)槭莿?chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生利用課外業(yè)余時(shí)間，結(jié)合自己的專(zhuān)業(yè)和興趣去做，因此，教師只推薦題目，不限定內(nèi)容。學(xué)生如果不選推薦題目，另有一些較好的想法的話，經(jīng)過(guò)討論分析，認(rèn)為可行，也可以實(shí)踐。這本來(lái)就是一種創(chuàng)新活動(dòng)，所以，學(xué)生的興趣很高，愿意通過(guò)自己動(dòng)腦筋，參與的人也很多［15］。

3.3 實(shí)踐內(nèi)容大都與專(zhuān)業(yè)和興趣緊密相關(guān)聯(lián)

農(nóng)業(yè)院校，種植、養(yǎng)殖和生物技術(shù)是強(qiáng)勢(shì)學(xué)科，學(xué)生來(lái)本校學(xué)習(xí)，大部分都是對(duì)這些學(xué)科有興趣的，學(xué)生都愿意學(xué)好。但由于這些技術(shù)已經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，再有重大突破也相當(dāng)困難。于是，專(zhuān)業(yè)教師也會(huì)建議學(xué)生走學(xué)科交叉的路線，從中尋找新的靈感。因此，農(nóng)學(xué)、中藥栽培和環(huán)境設(shè)施等專(zhuān)業(yè)的學(xué)生非常感興趣，很想實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，感受太陽(yáng)能光伏的技術(shù)與他們的專(zhuān)業(yè)是如何結(jié)合的，以便有利于自己將來(lái)的專(zhuān)業(yè)發(fā)展和科研，而我們開(kāi)設(shè)的這門(mén)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)正好可以滿足這方面的需求。該課程可以花較少的時(shí)間（總共只有18學(xué)時(shí)）就可以比較詳細(xì)地了解整個(gè)過(guò)程，且理論與實(shí)踐都基本學(xué)到了，因此，學(xué)生的積極性很高。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)2012年的春天報(bào)名，夏秋季實(shí)驗(yàn)和冬季總結(jié)，我們較好地完成了“太陽(yáng)能光伏應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”這門(mén)創(chuàng)新性實(shí)踐課程的教學(xué)工作。通過(guò)該課程，學(xué)生了解了太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)并組裝了簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，并結(jié)合自己所學(xué)的專(zhuān)業(yè)，將太陽(yáng)能光伏應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。該實(shí)踐課程自成一個(gè)體系，鍛煉了學(xué)生從理論到實(shí)踐，再?gòu)膶?shí)踐上升到理論的能力，形成了一個(gè)較為完整的科研訓(xùn)練鏈條，使學(xué)生在設(shè)計(jì)、組裝、選題、具體實(shí)踐、小團(tuán)隊(duì)建設(shè)及分工協(xié)作等多方面都得到了鍛煉，達(dá)到了大學(xué)課程培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性的目的。以后如有機(jī)會(huì)，將會(huì)不斷開(kāi)展下去，為培養(yǎng)適合現(xiàn)代社會(huì)需求的人才而努力工作。

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