新能源專業(yè)“教源于研 研推進(jìn)教”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

應(yīng) 芝,鄭曉園,崔國民

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海 200093)

當(dāng)前倡導(dǎo)開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目,鼓勵本科生發(fā)揮創(chuàng)新和實(shí)踐能力[1-2],提升綜合素質(zhì)。然而,學(xué)生從書本知識往往很難開拓科學(xué)思維,常規(guī)的實(shí)驗(yàn)課程難以有效鍛煉學(xué)生實(shí)踐或分析能力。新能源專業(yè)教研室從教學(xué)源于研究、研究推進(jìn)教學(xué)這一思路出發(fā),考慮將專業(yè)教師的科研課題與本科生實(shí)驗(yàn)相結(jié)合[3-5],從教師熟悉的領(lǐng)域中提取不同難度的實(shí)驗(yàn),包括基本知識的運(yùn)用、前沿工作的探索等,與理論課程內(nèi)容結(jié)合在一起[6],激發(fā)學(xué)生的探索和求知欲望,調(diào)動學(xué)生的積極主動性。通過這種教與研的結(jié)合[7-9],有望實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力的提升,為學(xué)生確定科研方向提供指引。

1 新能源專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀概況

新能源通常指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式,如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、氫能、核能等。實(shí)驗(yàn)課程主要針對新能源科學(xué)與工程專業(yè)本科四年級學(xué)生開設(shè),一般45人左右。課程內(nèi)容已延續(xù)多年,涵蓋了與多種新能源有關(guān)的實(shí)驗(yàn),表1列出具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

表1 新能源專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)過程中,教師依據(jù)編制好的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書并結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備,講解實(shí)驗(yàn)原理、演示實(shí)驗(yàn)操作流程,最后由學(xué)生分組動手完成實(shí)驗(yàn)操作。然而,學(xué)生通常對實(shí)驗(yàn)背景、原理和實(shí)驗(yàn)流程一知半解,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)陳舊,難以激發(fā)起學(xué)生的熱情,基本以流水線形式完成全部實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)效果較差。因此,改進(jìn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目勢在必行,而與科研課題結(jié)合是一個較好的途徑。

2 用科學(xué)研究推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

新能源專業(yè)教師均從事一定領(lǐng)域的科學(xué)研究,時刻關(guān)注前沿方向,如能從科研課題中提取難度適宜的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,帶領(lǐng)本科生完成,不僅可以調(diào)動學(xué)生積極性和探索欲,而且可以提升學(xué)生科研與創(chuàng)新能力,為其后期擇業(yè)選擇提供參考。但是,科學(xué)研究通常沒有提前編制好的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,需要學(xué)生閱讀文獻(xiàn)確定實(shí)驗(yàn)方案和詳細(xì)流程,并查閱設(shè)備說明書摸索實(shí)驗(yàn)方法。因此,用科學(xué)研究改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后,考慮將學(xué)生分成2～4人一組,合作完成1個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,包括調(diào)研文獻(xiàn)、設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案和流程、開展實(shí)驗(yàn)工作、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律。通過科學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ郊由顚W(xué)生對知識的理解與運(yùn)用,加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力。

結(jié)合科研方向——?dú)淠荛_發(fā)與利用,考慮將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中5、6兩項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)。制氫方法很多,如化石燃料制氫、生物質(zhì)制氫、水制氫?；剂虾蜕镔|(zhì)制氫需要高溫?zé)峤饣驓饣?作為本科生實(shí)驗(yàn)較難開展。電解水制氫方法已經(jīng)商業(yè)化,缺點(diǎn)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(xué)制氫,可以在較低溫度下實(shí)現(xiàn)。從課題硫碘熱化學(xué)循環(huán)制氫(包括下面3步反應(yīng))中可以提取科學(xué)實(shí)驗(yàn)給本科生學(xué)習(xí)和研究。

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

(1)

(2)

(3)

Bunsen反應(yīng)(1)、HI分解(2)和H2SO4分解(3)的總反應(yīng)為水分解生成氫氣與氧氣,中間物質(zhì)SO2和I2循環(huán)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(yīng)在熱力學(xué)上更易進(jìn)行和生成物能自發(fā)分為上層H2SO4相(H2SO4/H2O)和下層HIx相(HI/I2/H2O),方便后續(xù)分離H2SO4和HI并進(jìn)行分解反應(yīng)。然而,Bunsen反應(yīng)生成的四元混合溶液H2SO4/ HI/I2/H2O在自發(fā)分層過程中會混入對方相的雜質(zhì),不能完全按照式(1)進(jìn)行。所以需要通過實(shí)驗(yàn)探索在多少過量碘和水、溫度條件下可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的液-液相分層,即分層得到的兩相溶液雜質(zhì)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(yīng)液相分層實(shí)驗(yàn)得到高濃度和低雜質(zhì)的HI和H2SO4溶液。圖1是本實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jīng)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(yīng)液相分層特性實(shí)驗(yàn)臺

實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谧寣W(xué)生直觀認(rèn)識制氫技術(shù)和一些組分分析測定方法。具體實(shí)施過程涉及以下幾個方面:

(1) 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計。依據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案,確定初步的工況范圍。

(2) 實(shí)驗(yàn)臺搭建。連接各個儀器裝置,檢查管路,保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)密閉性；熟悉各儀器使用方法。

(3) 實(shí)驗(yàn)過程實(shí)施。配制標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液并標(biāo)定,配制四元溶液,調(diào)節(jié)溫度,靜置觀察,取樣滴定測量。

(4) 數(shù)據(jù)處理分析。依據(jù)離子守恒和質(zhì)量守恒原理對測量值進(jìn)行后續(xù)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(shí)驗(yàn)實(shí)施期間,以學(xué)生為主,教師適當(dāng)輔以指導(dǎo)幫助。尤其在實(shí)驗(yàn)操作過程中,教師可觀察并適當(dāng)指導(dǎo),鼓勵學(xué)生遇到難題自己思考解決或交流討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,鼓勵學(xué)生獨(dú)立處理和分析數(shù)據(jù),提出自己的科學(xué)思考,對整個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行回顧和總結(jié)。

科學(xué)研究改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)調(diào)以“學(xué)”為主體地位,不再是教師盲目灌輸,要求學(xué)生具備主動性和積極性。教研結(jié)合不僅能讓學(xué)生的理論知識、創(chuàng)新能力和實(shí)踐技能大幅提高,真正學(xué)有所得,而且使教師能從繁重而冗長的課堂教學(xué)中解放出來,集中精力對學(xué)生進(jìn)行專業(yè)指導(dǎo),實(shí)現(xiàn)因材施教。因此,用科學(xué)研究推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價值。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初步成效

上述科學(xué)實(shí)驗(yàn)首先由2名四年級本科生開展,效果良好。

(1) 在前期學(xué)習(xí)新能源理論知識和英語的基礎(chǔ)上,學(xué)生具備閱讀中英文文獻(xiàn)的能力。通過查閱中英文文獻(xiàn)并歸納總結(jié),學(xué)生了解了硫碘循環(huán)制氫的基本原理并確定實(shí)驗(yàn)初始工況范圍。這一項(xiàng)工作比較費(fèi)時和費(fèi)精力,但也有效地提升了學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研和文獻(xiàn)綜述的能力。

(2) 新能源相較于傳統(tǒng)化石燃料,應(yīng)用還不廣泛。學(xué)生對于新能源的認(rèn)知停留在書本,比如了解氫氣的分子量小、熱值高、環(huán)保等,但不清楚氫氣怎么制備、當(dāng)前有哪些比較熱門的制氫方法等。而通過結(jié)合教師的科研課題開展實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化成實(shí)踐應(yīng)用,活學(xué)活用。

(3) 在面對大量測量數(shù)據(jù),比如H2SO4相中H2SO4、H2O及少量HI、I2,HIx相中HI、I2、H2O及少量H2SO4,學(xué)生首先必須明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是高濃度酸和低濃度雜質(zhì)。對比不同工況下分層特性時,可以采用濃度、質(zhì)量、百分比、物質(zhì)摩爾比等基準(zhǔn)。學(xué)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(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析結(jié)果的能力。

除了本文改進(jìn)的氫能實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,還可以依據(jù)教師的其他科研課題開展新能源實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,包括太陽能熱水器、太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)利用、氫燃料電池、不同水合物制備等，讓學(xué)生對新能源的利用有直觀認(rèn)識,開闊學(xué)生的視野,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索創(chuàng)新的綜合素質(zhì)。

4 結(jié)語

用科學(xué)研究推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教研結(jié)合模式,以學(xué)生“學(xué)”為主、教師“協(xié)助”為輔,因材施教,旨在開拓學(xué)生視野和思維,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探索欲望,調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性,提升學(xué)生的理論知識運(yùn)用及專業(yè)實(shí)踐能力,增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力,培養(yǎng)更高專業(yè)素質(zhì)的大學(xué)生,為其今后繼續(xù)學(xué)習(xí)深造或進(jìn)入社會工作做好鋪墊。

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