新能源專業“教源于研 研推進教”實驗教學模式探索

應 芝,鄭曉園,崔國民

(上海理工大學 能源與動力工程學院,上海 200093)

當前倡導開展大學生創新創業項目,鼓勵本科生發揮創新和實踐能力[1-2],提升綜合素質。然而,學生從書本知識往往很難開拓科學思維,常規的實驗課程難以有效鍛煉學生實踐或分析能力。新能源專業教研室從教學源于研究、研究推進教學這一思路出發,考慮將專業教師的科研課題與本科生實驗相結合[3-5],從教師熟悉的領域中提取不同難度的實驗,包括基本知識的運用、前沿工作的探索等,與理論課程內容結合在一起[6],激發學生的探索和求知欲望,調動學生的積極主動性。通過這種教與研的結合[7-9],有望實現學生創新與實踐能力的提升,為學生確定科研方向提供指引。

1 新能源專業實驗教學現狀概況

新能源通常指傳統能源之外的各種能源形式,如太陽能、風能、生物質能、氫能、核能等。實驗課程主要針對新能源科學與工程專業本科四年級學生開設,一般45人左右。課程內容已延續多年,涵蓋了與多種新能源有關的實驗,表1列出具體實驗項目。

表1 新能源專業實驗教學內容

教學過程中,教師依據編制好的實驗指導書并結合實驗設備,講解實驗原理、演示實驗操作流程,最后由學生分組動手完成實驗操作。然而,學生通常對實驗背景、原理和實驗流程一知半解,實驗內容單調陳舊,難以激發起學生的熱情,基本以流水線形式完成全部實驗,實驗效果較差。因此,改進實驗項目勢在必行,而與科研課題結合是一個較好的途徑。

2 用科學研究推進實驗教學

新能源專業教師均從事一定領域的科學研究,時刻關注前沿方向,如能從科研課題中提取難度適宜的實驗內容,帶領本科生完成,不僅可以調動學生積極性和探索欲,而且可以提升學生科研與創新能力,為其后期擇業選擇提供參考。但是,科學研究通常沒有提前編制好的實驗指導書,需要學生閱讀文獻確定實驗方案和詳細流程,并查閱設備說明書摸索實驗方法。因此,用科學研究改革傳統的實驗項目后,考慮將學生分成2～4人一組,合作完成1個實驗項目,包括調研文獻、設計實驗方案和流程、開展實驗工作、分析實驗結果和規律。通過科學的實驗模式加深學生對知識的理解與運用,加強學生的創新與實踐能力。

結合科研方向——氫能開發與利用,考慮將傳統實驗項目中5、6兩項進行改進。制氫方法很多,如化石燃料制氫、生物質制氫、水制氫。化石燃料和生物質制氫需要高溫熱解或氣化,作為本科生實驗較難開展。電解水制氫方法已經商業化,缺點就是耗電量高。用水制氫還有一種研究比較熱門的方法,即熱化學制氫,可以在較低溫度下實現。從課題硫碘熱化學循環制氫(包括下面3步反應)中可以提取科學實驗給本科生學習和研究。

(H2SO4+pH2O)+(2HI+mI2+qH2O)

(1)

(2)

(3)

Bunsen反應(1)、HI分解(2)和H2SO4分解(3)的總反應為水分解生成氫氣與氧氣,中間物質SO2和I2循環使用。式(1)中m和p+q分別代表過量碘和水的量,目的是使Bunsen反應在熱力學上更易進行和生成物能自發分為上層H2SO4相(H2SO4/H2O)和下層HIx相(HI/I2/H2O),方便后續分離H2SO4和HI并進行分解反應。然而,Bunsen反應生成的四元混合溶液H2SO4/ HI/I2/H2O在自發分層過程中會混入對方相的雜質,不能完全按照式(1)進行。所以需要通過實驗探索在多少過量碘和水、溫度條件下可以實現最優的液-液相分層,即分層得到的兩相溶液雜質最少且酸濃度最高。

在分解HI和H2SO4生成H2和O2之前,需要通過Bunsen反應液相分層實驗得到高濃度和低雜質的HI和H2SO4溶液。圖1是本實驗平臺示意圖。通過定量配置四元混合溶液H2SO4/ HI/I2/H2O控制溫度；采用電位滴定法對分層后的H2SO4相和HIx相溶液組分進行測量,從而得出不同初始配比和溫度條件下的分層特性；經過對比分析確定過量碘和水及溫度的最佳范圍。

圖1 Bunsen反應液相分層特性實驗臺

實驗目的在于讓學生直觀認識制氫技術和一些組分分析測定方法。具體實施過程涉及以下幾個方面:

(1) 實驗方案設計。依據文獻調研設計實驗方案,確定初步的工況范圍。

(2) 實驗臺搭建。連接各個儀器裝置,檢查管路,保證實驗系統密閉性；熟悉各儀器使用方法。

(3) 實驗過程實施。配制標準滴定溶液并標定,配制四元溶液,調節溫度,靜置觀察,取樣滴定測量。

(4) 數據處理分析。依據離子守恒和質量守恒原理對測量值進行后續計算,基于多次測量值分析誤差,對比不同工況下的分層特性,提出分層特性最佳的工況條件。

在上述實驗實施期間,以學生為主,教師適當輔以指導幫助。尤其在實驗操作過程中,教師可觀察并適當指導,鼓勵學生遇到難題自己思考解決或交流討論。實驗結束后,鼓勵學生獨立處理和分析數據,提出自己的科學思考,對整個實驗進行回顧和總結。

科學研究改進傳統實驗教學，強調以“學”為主體地位,不再是教師盲目灌輸,要求學生具備主動性和積極性。教研結合不僅能讓學生的理論知識、創新能力和實踐技能大幅提高,真正學有所得,而且使教師能從繁重而冗長的課堂教學中解放出來,集中精力對學生進行專業指導,實現因材施教。因此,用科學研究推進實驗教學對學生具有重要的現實意義和實用價值。

3 實驗教學改革初步成效

上述科學實驗首先由2名四年級本科生開展,效果良好。

(1) 在前期學習新能源理論知識和英語的基礎上,學生具備閱讀中英文文獻的能力。通過查閱中英文文獻并歸納總結,學生了解了硫碘循環制氫的基本原理并確定實驗初始工況范圍。這一項工作比較費時和費精力,但也有效地提升了學生文獻調研和文獻綜述的能力。

(2) 新能源相較于傳統化石燃料,應用還不廣泛。學生對于新能源的認知停留在書本,比如了解氫氣的分子量小、熱值高、環保等,但不清楚氫氣怎么制備、當前有哪些比較熱門的制氫方法等。而通過結合教師的科研課題開展實驗,讓學生將理論知識轉化成實踐應用,活學活用。

(3) 在面對大量測量數據,比如H2SO4相中H2SO4、H2O及少量HI、I2,HIx相中HI、I2、H2O及少量H2SO4,學生首先必須明確實驗目標是高濃度酸和低濃度雜質。對比不同工況下分層特性時,可以采用濃度、質量、百分比、物質摩爾比等基準。學生可以自由判斷,建立自己的分析方法。這一過程很好地鍛煉了學生處理實驗數據并分析結果的能力。

除了本文改進的氫能實驗內容,還可以依據教師的其他科研課題開展新能源實驗項目,包括太陽能熱水器、太陽能光伏發電、風力發電、生物質利用、氫燃料電池、不同水合物制備等，讓學生對新能源的利用有直觀認識,開闊學生的視野,激發學生的學習興趣,提高學生自主學習和探索創新的綜合素質。

4 結語

用科學研究推進實驗教學的教研結合模式,以學生“學”為主、教師“協助”為輔,因材施教,旨在開拓學生視野和思維,激發學生學習興趣和探索欲望,調動學生的積極性和主動性,提升學生的理論知識運用及專業實踐能力,增強學生創新精神與創新能力,培養更高專業素質的大學生,為其今后繼續學習深造或進入社會工作做好鋪墊。

References)

[1] 甘露.淺談微課在新能源實訓教學中的應用[J].當代教育實踐與教學研究,2015(7):2.

[2] 劉艷,孟威,孟令軍,等.大學生創新實踐教育模式的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2016,35(1):166-168.

[3] 董社英.以科研項目為依托構建多層次學生科研創新能力培養模式[J].西安建筑科技大學學報(社會科學版),2006,25(2):91-93.

[4] 孔濱,孔德玉,趙舉中,等.強化科研反哺實驗教學培養學生創新能力[J].實驗技術與管理,2010,27(6):147-149.

[5] 張軍香,董韶鵬,袁梅,等.科研課題向實驗教學的轉化模式研究[J].實驗技術與管理,2010,27(5):18-22.

[6] 肖偉才.理論教學與實踐教學一體化教學模式的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(4) ：81-84.

[7] 沈劍英,黃風立.依托科研項目開發綜合性實驗的實踐與探索[J].實驗技術與管理,2014,31(3):163-165.

[8] 于兵川,吳洪特.實驗教學與科研有機結合培養學生創新意識和能力[J].實驗室研究與探索,2010,29(2):76-77.

[9] 姜兵,張玲玲.將科研項目引入土力學實驗教學改革的研究與探索[J].高教研究,2014(4):63-64.

[10] 楊曉玲，張恒，曲國娟.我國高校科研項目引入本科實驗教學的實踐探討[J].廣東化工,2017(10):241-242.