“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
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1、 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
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