“双碳”目标下化工专业实验...实结合教学模式的探索与实践_毛庆.pdf

年月 第 卷 第期 作者简介毛庆（），男，副教授，博士。通信作者毛庆，：。基金项目：大连理工大学化工学院教育教学改革项目（）。“双碳”目标下化工专业实验虚实结合教学模式的探索与实践毛庆，潘艳秋（大连理工大学 化工学院，辽宁 大连 ）摘要 实践教学是化工专业人才培养的重要组成部分，也是当前高校紧跟“双碳”目标需求、强化新工科内涵建设的重要手段。文章结合大连理工大学化学工程与工艺专业的人才培养特点，介绍了自主设计的系列实验教学课程，并以质子交换膜燃料电池综合实验为例，详细介绍了课程教学资源、教学方法、考评机制的设计思路与建设内容，以及依托前沿科技、借助虚拟仿真教学优势构建的线上线下相结合的实验课程。实践表明，虚实结合的实验教学不仅能加深学生对化工技术的理解与工程认知，还可提升学生的工程实践能力与环境保护意识。关键词“双碳”目标；新工科内涵建设；燃料电池；虚实结合的教学模式 ，（，）：，：；实现“碳达峰”“碳中和”是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。深度参与甚至引领这次新变革，实现科技实力与科技人员培养“弯道超车”，已成 为我国科学 技术与高 等教育发展的主旋律。年月，教育部部长怀进鹏提出了教育发展的新思路，指出要“把教育信息化作为发展的战略制高点，以教育信息化推动教育高质量发展，以教育信息化引领教育现代化”。年月，教育部印发了 加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案，这为我国高校工科人才培养与高等教育改革指明了方向。我校的化学工程与工艺专业包含化学工程、化学工艺、电化学工程、催化化学与工程、材料化工、精细化工个专业方向。该专业的专业实验课程包括学分的专业基础实验（包含化工热力学、反应工程、传递原理相关内容）和学分的专业方向实验。其中，专业基础实验由专业整体建设，专业方向实验由专业统筹建设、各专业方向独立设计和实施。电化学工程学科是化学工程学科的一个重要分支，涵盖能源电化学、腐蚀电化学、环境电化学等诸多领域的知识，应用范围覆盖国民经济发展的各个行业。该学科的知识在解决能源与环境问题方面，尤其是在“双碳”战略实施过程中能够发挥巨大作用。电化学工程作为我校化学工程与工艺专业的一个专业方向，其实践课程教学是培养学生工程认知与创新能力的重要环节，有助于学生巩固电化学理论知识、强化理论联系实际的能力。年以前，该方向的实践课程仍沿用 世纪 年代的“电偶腐蚀中电位序的测定”“循环伏安法研究铁氰根离子电化学反应的可逆性”等验证性实验内容，这显然已难以满足新时代一流工程技术人才的培养需求。随着信息技术的快速发展，电化学工程方向的实践教学也迎来了新机遇。将新兴信息技术、“互联网”技术、智能技术与实验教学相结合，建设适合交叉性、创新性人才培养的实践教学体系，是“双碳”背景下强化新工科内涵建设、提升化学工程与工艺专业人才培养质量的重要途径。为此，本专业自主设计了能源电化学转化及深度利用系统实验教学平台，如图所示。我们引入当今能源电化学领域的前沿科 技（燃 料 电池 技术、膜 电 极 水电解技术与 电还原技术），设计了一组可展现自然界中碳、氢、氧循环的可持续发展愿景，以电化学工程视角分别呈现能够推动我国“低碳”“零碳”“负碳”发展的工程类专业系列实验课程。同时，借助虚拟仿真教学的优势，我们还设计了线上线下相结合的实践课程体系，完成了多方位拓展、递进式的实验教学设计。一、能源电化学工程实验新体系能源电化学转化及深度利用系统实验教学平台包括 个实验教学模块：盐差电池、电解水、电还原和燃料电池，完整呈现了未来我国能源体系可持续发展的全貌。盐差电池是典型的低品位能向高品位能转化的“低碳”技术；电解水与燃料电池是能够实现自然界中氢氧循环的“零碳”技术；而 电还原则是解决当前日益严重的“温室效应”、实现碳循环的“负碳”技术。燃料电池技术、膜电极水电解技术以及 电还原技术均是当今能源电化学工程学科的研究前沿与热点 。本文将以燃料电池实验教学模块为例，分别介绍我校化学工程与工艺专业电化学工程方向在教学资源、教学方法和考评机制建设方面的设计思路、建设内容以及教学实践情况。质子交换膜燃料电池（）综合实验是基于燃料电池实验教学平台设计的一项综合性教毛庆，等“双碳”目标下化工专业实验虚实结合教学模式的探索与实践图能源电化学转化及深度利用系统实验教学平台学实验，教学中共设置了个知识点，如图所示。该 实 验 将 电 化 学 原 理 课 程 中 的 方程简化、动力学参数实验测定方法、平衡电极电位的测定、欠电势沉积技术以及循环伏安、交流阻抗等电化学分析技术囊括在内，要求学生掌握涉氢实验室的安全防护等级、安全防护措施，提升学生的安全防护意识。另外，我们将环保教育融入实践教学，通过向学生介绍我国的“双碳”发展战略，提高学生的环保意识、职业责任感与荣誉感。如介绍了“氢”这一清洁、高效、可持续的能源载体：利用可再生电力电解水产生的绿氢，可进一步通过燃料电池实现高效利用，这一过程真正做到了 的“零产生”和“零排放”。图质子交换膜燃料电池综合实验知识点为了在有限的线下教学时间内提升学生对知识点的掌握程度，我们在进行 教学实验平台硬件建设的同时，引入“互联网”技术，自主设计并开发了虚拟仿真手机 （见图），为学生打造线上线下相结合的实验课程体系。二、教学资源建设在学校实验室建设相关重点项目的资助下，我们自主设计并搭建的实验教学平台不仅具有保障 运行的流体控制系统、增湿系统以及温度控制系统，还具有保障实验运行安全的应急防护系统。虚拟仿真手机 和实验教学模块是依托 实验教学装置建设而成，主要包括 个模块的仿真操作：单电池组装，单电池活化，阴极电化学比表面积的原位测定和 阴极氧还原反应的动力学参数的原位测定。虚拟仿真实验是 综合实验课程教学的重要组成部分，其优势主要体现在：可突破教学时间与空间的限制，使学生能够在不同时间、不同地域利用网络参与实践教学活动；具有在线帮助功能，方便学生随时查找学习资料，实现线下学习的扩展与提升；具有循序渐进的任务和完成速度排名功能，可有效调动学生的学习积极性和主动性；具有过程跟踪、自动评价与统计功能，有助于教师全面了解学生对知识点的掌握情况，分析学生存在的共性问题并开展有针对性的答疑。毛庆，等“双碳”目标下化工专业实验虚实结合教学模式的探索与实践图 实验教学装置与虚拟仿真实验界面（）实验教学装置（）实验教学装置虚拟仿真界面全景（）虚拟仿真模块展示（）单电池装配场景三、实验教学方法建设 综合实验将电化学热力学、电极过程动力学、燃料电池的基本原理等核心知识点整合在一起，教学内容分为线下教学内容和线上教学内容两部分，教学层次结构与教学模块如图所示。图教学层次结构与相应教学模块（一）线下实验教学线下实验教学是通过学生与实验装置的交互，强化学生的体验感，使学生掌握燃料电池的单电池结构、组装以及测试方法，认识燃料电池存在的安全隐患与产生的环境问题。单电池的组装与活化是该实验的前期准备工作，虽包含部分关键知识点，但实验耗时较长。为此，我们在线下 实 验 教 学 中 仅 采 用 装 配 且 活 化 完 成 的 单电池，将相关知识点的学习与操作训练留给学生通过线上虚拟仿真实验完成。虚拟仿真实验能够扩展线下实验的时间，为开展高质量的实验教学设计提供了可能。教育部高教司司长吴岩曾深入浅出地阐述了线下课堂教学逐级提升的五重境界 沉默（）、问答（）、对话（）、质疑（）和辩论（），并明确指出课堂教学需要更多的对话、质疑和辩论。为此，我们在线下实验教学中，针对“欠电势沉积氢与电化学比表面积之间的联系”毛庆，等“双碳”目标下化工专业实验虚实结合教学模式的探索与实践和“斜率选取区间”两个主题，组织师生展开讨论。（二）虚拟仿真实验教学虚拟仿真实验教学包括理论知识教学与仿真操作训练两个层次。理论知识教学有线上和线下两种模式。其中，课堂教学是线下教学的主体。教师通过讲授电化学原理、化学电源工艺学等课程，让学生对电化学热力学、电极过程动力学、欠电势沉积技术及电化学测试与表征技术等开展系统性学习。然而，课堂教学无法聚焦燃料电池工艺本身所包含的知识点。为此，我们在虚拟仿真实验项目中设计了线上理论知识学习环节，作为课堂教学的补充。虚拟仿真实验项目中的理论知识部分包含燃料电池的工艺安全与环保、电化学热力学、电极过程动力学等相关知识，通过人机互动，使学生潜移默化地完成从知识点学习到知识点运用的转变。以燃料电池的工艺安全与环保模块为例，学生在虚拟仿真 中可以了解气瓶柜的使用、氢气报警器以及专用气体排放的管路设计，学习实验室气体的安全使用规范。仿真操作包含 阴极电化学比表面积的原位测定和 阴极氧还原反应动力学参数的原位测定两个教学模块，以及 单电池组装和 单电池活化两个拓展模 块。阴极电化学比表面积的原位测定模块旨在强化学生对欠电势沉积概念的理解，使学生明确电极几何表面积与电化学比表面积的差异，并借助循环伏安测试技术让学生更好地理解原子探针在电化学表征中的运用。阴极氧还原反应的动力学参数的原位测定模块包含电极过程动力学中 方程简化、电极过程动力学参数的测定方法以及电化学热力学中用于平衡电极电位确定的 方程等知识点，涉及开路电位、交流阻抗与线性扫描测试技术 。该模块的教学不仅可强化学生对所学知识的理解，提高学生熟练使用电化学分析仪器的能力，还能够提升学生综合运用电化学测试技术进行燃料电池分析、诊断的能力。单电池组装模块旨在强化学生对 膜电极、流场以及单电池组成的认知，使学生掌握 膜电极的制备工艺与装配方法。考虑到复杂的单电池装配工艺、较大的实验操作难度及相对较长的实验耗时，该模块仅作为拓展模块由学生线上完成，而线下实验由任课教师或有兴趣的学生准备。单电池活化同样是开展线下实验的必要准备。该模块可加强学生与燃料电池实验教学装置的交互，使学生熟悉燃料电池实验教学平台的使用；同时能够加深学生对 中质子传输机制的理解，使学生了解安全用电规范操作。考虑到活化时长接近 小时，该模块同样作为拓展模块由学生线上完成，相应的线下实验由任课教师完成。四、考评方法建设为了客观评价教学效果，我们针对 阴极氧还原反应动力学参数的原位测定实验，从传统的注重实验报告的考评方法转变为注重教学全过程及工程拓展的综合考评方法。实验成绩由基础知识与安全学习、虚拟仿真实验操作、实验态度、实验操作、实验报告成绩构成，这五部分成绩 分 别 占 总 成 绩 的 、和。其中，基础知识与安全考核、虚拟仿真实验考核与实验报告提交均可通过手机 实现。五、教学成效 阴极氧还原反应动力学参数的原位测定 实 验 教 学 平 台 于 年 建 成，虚 拟 仿 真 、新的教学方法与考评机制于 年初建成并在本科教学中应用，覆盖电化学工程专业方向近 人以及辽宁师范大学化学化工学院 名学生。近年的教学实践表明，教学效果非常好。约五分之四的学生认为：线下实验整体过程清晰，但 阴极电化学比表面积的原位测定实验原理复杂；而虚拟仿真实验有效地提升了学生的预习质量和电化学仪器使用技能，但对实验原理的完全理解是在线下辩论中实现的。约三分之二的学生认为：虚拟仿真 的应用，丰富了实验教学内容，充实了实验教学环节，加深了学生对实物装置的认识；多层次、全方位的教学活动与考评机制激发了学生的学习兴趣。约二分之一的学生毛庆，等“双碳”目标下化工专业实验虚实结合教学模式的探索与实践认为：虚拟仿真 的在线帮助功能，有助于学生随时查找学习资料，可实现线下学习内容的扩展；安全提示与规范化的实验操作演示，能够提升学生的实验室安全防护意识；环保政策与能源发展战略电化学方案的介绍，提高了学生的职业责任感与荣誉感。六、结语本文介绍了大连理工大学紧跟“双碳”战略需求，积极推进化学工程与工艺专业实验教学改革，强化新工科内涵建设的具体举措。追踪前沿科技、借助虚拟仿真教学优势构建线上线下相结合的实践课程，是当前高校专业实验改革的方向。而虚实结合的教学模式并非虚拟实验与线下实验的简单叠加，还需要与之相匹配的教学资源、教学方法、考评机制等一系列教学内容与方式的创新。在当前的实验教学模式下，学生可以突破教学时间与空间的限制，结合自己的特长和兴趣进行自主学习和创新思考；教师有更多的时间和精力启发学生的创新思维，开展形式多样的实践教学，解决学生在实验过程及创新过程中遇到的问题。然而，这种体系化的实践课程内容建设仍缺少学生的参与。因此，未来我们将探索开设学生参与度更高且具有竞技特征的实践教学项目，如 实验课程。教与学的变革将进一步完善工程教育教学体系，持续促进学生研究设计能力和创新能力的提升。（责任编辑：李丽妍）参考文献：吴爱华，侯永峰，杨秋波，等 加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济高等工程教育研究，（）：“新工科”建设复旦共识 复旦教育论坛，（）：吴岩 建设中国“金 课”中 国 大学教育，（）：李巧霞，徐群杰 电化学工程 教学过程中的改革与实践广州化工，（）：钟登华 新工科建设的内涵与行动 高等工程教育研究，（）：叶民，孔寒冰，张炜 新工科：从理念到行动 高等工程教育研究，（）：赵继，谢寅波新工科建设与工程教育创新高等教育研究，（）：李华，胡娜，游震生新工科：形态、内涵与方向高等工程教育研究，（）：陆国栋，李拓宇新工科建设与发展的路径思考 高等工程教育研究，（）：林健面向未来的新工科建设清华大学教育研究，（）：衣宝廉燃 料 电 池：高 效、环 境 友 好 的 发 电 方 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