氫燃料電池虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)淺析
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摘要：鑒于目前國內(nèi)大部分高校受實(shí)驗(yàn)成本和實(shí)驗(yàn)條件的限制，缺乏氫燃料電池實(shí)驗(yàn)平臺這一客觀現(xiàn)實(shí)，該文設(shè)計(jì)一種基于虛擬仿真技術(shù)的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。平臺共包含實(shí)驗(yàn)認(rèn)知、實(shí)操練習(xí)和習(xí)題考核3大環(huán)節(jié)，并進(jìn)一步細(xì)分為6大模塊。通過該平臺，學(xué)生可以安全快速地掌握氫燃料電池膜電極的制備方法及電池組裝工藝，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。通過虛實(shí)結(jié)合、寓教于景，改善傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式，從而全面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力和綜合分析能力，為新工科人才培養(yǎng)助力。
關(guān)鍵詞：氫燃料電池；虛擬仿真技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺；實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)；教學(xué)模式設(shè)計(jì)
為了如期實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”這一偉大戰(zhàn)略目標(biāo)，必須大力開發(fā)清潔可再生能源，減少碳排放。氫能作為一種清潔高效的二次能源、屬于零碳能源，來源豐富、轉(zhuǎn)化高效，使用過程無排放污染[1-2]。氫燃料電池可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而不必經(jīng)過熱機(jī)過程，具有能量轉(zhuǎn)化率高、零排放和能源可再生等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是終極的發(fā)電方式之一，未來在新能源汽車、發(fā)電廠、軍事空間和移動設(shè)備等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[3-5]。新能源材料與器件專業(yè)是為適應(yīng)我國新能源、新材料和新能源汽車等國家戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展而設(shè)立的新興專業(yè)。為了更好地培養(yǎng)我國新能源方面的專業(yè)人才，各大高校陸續(xù)開展了相關(guān)專業(yè)課程，如電化學(xué)、化學(xué)電源等理論課和新能源器件創(chuàng)新實(shí)踐等實(shí)驗(yàn)課程。在這些課程中，氫燃料電池相關(guān)的專業(yè)知識屬于重點(diǎn)講授的內(nèi)容。高校對于學(xué)生的培養(yǎng)，不僅要讓學(xué)生掌握扎實(shí)的理論知識，還要注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，這樣才能提高學(xué)生的綜合素質(zhì)能力。然而，目前我國氫燃料電池的發(fā)展還處于起步階段，國內(nèi)大部分高校由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)條件的限制，還不具備實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生難以體驗(yàn)真實(shí)的操作流程。少數(shù)高校實(shí)驗(yàn)室雖然搭建了相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺，但是所用設(shè)備大多進(jìn)口，價格昂貴，操作程序復(fù)雜。更重要的是，氫燃料電池的陽極燃料為易燃易爆的氫氣，給學(xué)生的實(shí)際操作帶來嚴(yán)重安全威脅。因此，出于經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮，任課教師通常都會限制本科生動手操作該實(shí)驗(yàn)。然而，隨著當(dāng)前理論計(jì)算和模擬手段的迅速發(fā)展，僅僅依靠傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)手段已經(jīng)不能滿足學(xué)生的多元化學(xué)習(xí)需要。這一日益加劇的矛盾，促使高校順應(yīng)時代趨勢，亟需開發(fā)一款將理論與實(shí)踐相結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，打破時間和空間的制約，突破實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和大型高危實(shí)驗(yàn)平臺的限制，推動理論與實(shí)踐教學(xué)深度融合，更好地服務(wù)于“金課”建設(shè)工作[6-10]。基于上述國內(nèi)高校人才培養(yǎng)和教學(xué)環(huán)境，開展了氫燃料電池虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。通過該平臺，學(xué)生可以不受實(shí)驗(yàn)成本和高危環(huán)境限制，安全快速地掌握氫燃料電池膜電極的制備方法及電池組裝工藝，并了解其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，改善了傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式。同時，虛擬仿真技術(shù)也為疫情期間的線上教學(xué)和高校之間的優(yōu)質(zhì)資源共享提供了便利條件[11-12]。
1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺總體設(shè)計(jì)思路
在氫燃料電池中，質(zhì)子交換膜氫燃料電池由于啟動時間短、反應(yīng)溫度低、功率密度高和電解質(zhì)無腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)而成為最有應(yīng)用前景的燃料電池。對于氫燃料電池的膜電極制備及電池組裝工藝環(huán)節(jié)，所有材料及設(shè)備較為昂貴，且存在一定危險性，本科生在線下課程很難實(shí)現(xiàn)真正動手操作。因此，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以質(zhì)子交換膜氫燃料電池為模型，設(shè)計(jì)并開發(fā)了“氫燃料電池膜電極制備及電池組裝工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”?？紤]到催化劑的化學(xué)制備過程所用材料及設(shè)備較為簡單，依靠線下實(shí)驗(yàn)基本就可以滿足操作需求，因此，該實(shí)驗(yàn)平臺將略去催化劑的化學(xué)制備環(huán)節(jié)，直接選用商用Pt/C催化劑來制備膜電極并實(shí)現(xiàn)電池的組裝，以求在教學(xué)中有的放矢，突出重點(diǎn)。同時，為了增強(qiáng)交互性體驗(yàn)，本項(xiàng)目在關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)步驟部分融入了系統(tǒng)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，即學(xué)生只有保證關(guān)鍵步驟的正確，才能順利進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)操作，最終成功完成整個項(xiàng)目的體驗(yàn)。通過設(shè)置合理的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)任務(wù)和學(xué)生設(shè)計(jì)的互動，加深了同學(xué)們對關(guān)鍵步驟的理解和掌握，增強(qiáng)了項(xiàng)目的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。圖1展示了該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的總體設(shè)計(jì)思路，本實(shí)驗(yàn)共包含實(shí)驗(yàn)認(rèn)知、實(shí)操練習(xí)和習(xí)題考核3大環(huán)節(jié)，并進(jìn)一步細(xì)分為理論學(xué)習(xí)、制備膜電極、組裝燃料電池、電池質(zhì)量檢測、場景化應(yīng)用及課程報告輸出6大模塊。實(shí)驗(yàn)認(rèn)知對應(yīng)的是模塊一，該環(huán)節(jié)意在實(shí)驗(yàn)前對學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的理論熱身，鞏固理論知識；實(shí)操練習(xí)對應(yīng)的是模塊二到模塊五，涵蓋了從膜電極制備到燃料電池組裝等步驟，意在使學(xué)生通過該環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，真正掌握電池的組裝全過程，彌補(bǔ)線下教學(xué)的不足；習(xí)題考核對應(yīng)的是模塊六，該環(huán)節(jié)意在通過習(xí)題測驗(yàn)，進(jìn)一步考察學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果。通過以上環(huán)節(jié)，系統(tǒng)后臺可以自動判定學(xué)生成績，并輸出詳細(xì)的課程報告，這樣學(xué)生可以清楚知道自己的薄弱環(huán)節(jié)，教師也可以及時得到課堂效果反饋。
2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)
本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共設(shè)置4學(xué)時的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要面向鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)新能源材料與器件方向的大三本科生。6個模塊的內(nèi)容關(guān)聯(lián)緊密且層層遞進(jìn)，每一模塊的實(shí)驗(yàn)操作又相互獨(dú)立。通過該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的搭建，以期實(shí)現(xiàn)下列教學(xué)目標(biāo)：（1）通過自主研發(fā)的虛擬仿真技術(shù)，營造出虛擬的三維立體場景，以視頻、動畫和圖片的形式展示氫燃料電池的工作原理及其結(jié)構(gòu)組成，使學(xué)生在傳統(tǒng)課堂掌握的理論知識基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加深氫燃料電池相關(guān)的專業(yè)知識，尤其是膜電極、電堆和單電池等關(guān)鍵性概念，從而滿足燃料電池理論專業(yè)知識的個性化教學(xué)。（2）通過體驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的操作環(huán)境，讓學(xué)生掌握氫燃料電池膜電極的制備及電池組裝全過程，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，鍛煉動手操作能力，彌補(bǔ)了線下實(shí)驗(yàn)室難以提供的實(shí)驗(yàn)條件和機(jī)會，培養(yǎng)學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際及工程實(shí)踐能力，提高學(xué)生應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)資源的信息素養(yǎng)。（3）通過搭建虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，給學(xué)生提供隨時隨地進(jìn)行虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)條件，提高學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)了課堂的趣味性，提升了學(xué)生的主觀能動性，改善了教學(xué)效果。
3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)
本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺共設(shè)置了實(shí)驗(yàn)認(rèn)知、實(shí)操練習(xí)和習(xí)題考核3大環(huán)節(jié)，6大模塊，14個操作步驟。在開始實(shí)驗(yàn)操作前，需要先注冊并登錄系統(tǒng)，如圖2所示，方能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)場景。為了幫助讀者更好地理解本教學(xué)平臺的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟，下面將對每一模塊的設(shè)計(jì)目的及操作方法做詳細(xì)說明。
3.1理論學(xué)習(xí)模塊
模塊一對應(yīng)的是理論學(xué)習(xí)模塊。該模塊的設(shè)計(jì)目的在于使學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)，了解氫燃料電池的基本原理，熟悉交互性操作步驟的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置規(guī)則，從而為后續(xù)的實(shí)操練習(xí)奠定基礎(chǔ)。點(diǎn)擊進(jìn)入該模塊后，會出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)任務(wù)與目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)參數(shù)填寫說明3大板塊，學(xué)生可依次點(diǎn)擊進(jìn)入每一板塊，學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識。
3.2制備膜電極模塊
模塊二對應(yīng)的是制備膜電極模塊，設(shè)計(jì)思路如圖3所示。從該模塊開始，正式進(jìn)入該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)交互性操作步驟環(huán)節(jié)。膜電極是燃料電池的核心部件，其制備效果直接影響電池的輸出性能，是本項(xiàng)目的重要內(nèi)容之一。該模塊意在通過虛擬仿真訓(xùn)練，使學(xué)生掌握氫燃料電池膜電極的制備方法。該模塊包括操作步驟2—步驟6，分別對應(yīng)催化劑的精確稱量、催化劑溶液的制備、催化劑溶液的涂覆、催化劑的噴涂質(zhì)量檢測和膜電極的制備。點(diǎn)擊進(jìn)入模塊二后，會依次出現(xiàn)上述步驟，每一步驟都通過系統(tǒng)后臺設(shè)置相應(yīng)的得分標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是，為了增強(qiáng)本項(xiàng)目的人機(jī)交互性體驗(yàn)，本項(xiàng)目在關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)部分設(shè)置了系統(tǒng)驗(yàn)證環(huán)節(jié)。即只有保證該步驟的完全正確，才能順利進(jìn)入下一步驟的實(shí)驗(yàn)操作，否則系統(tǒng)會自動退回本模塊的最原始步驟，學(xué)生需要重新操作。對于該模塊，由于步驟5和步驟6屬于關(guān)鍵步驟，系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置了系統(tǒng)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，這樣可以加深同學(xué)們對關(guān)鍵步驟的理解和掌握，并增強(qiáng)了該項(xiàng)目的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。
3.3組裝燃料電池模塊
模塊三對應(yīng)的是組裝燃料電池模塊，設(shè)計(jì)思路如圖4所示。燃料電池的組裝工藝是該虛擬仿真項(xiàng)目的另一個重要內(nèi)容。該模塊意在通過實(shí)操訓(xùn)練，使學(xué)生掌握電堆和電池的組裝工藝。該模塊包括操作步驟7—步驟8，分別對應(yīng)燃料電池電堆的組裝和燃料電池的組裝。具體操作方法為：將2塊帶有氣體蛇形流場、進(jìn)氣口的雙極板，緊貼膜電極兩側(cè)，得到燃料電池的單體電池。依此重復(fù)膜電極、雙極板，形成20個重復(fù)的燃料電池單體電池單元。然后在重復(fù)的單體電池單元兩側(cè)依次安裝集流體、絕緣板和兩端端板，并通過螺栓固定以上結(jié)構(gòu)，得到燃料電池電堆。最后，依次將燃料電池電堆安裝上氣體管理模塊、水管理模塊和電路管理模塊，得到燃料電池。同模塊二一樣，每一步驟都通過系統(tǒng)后臺設(shè)置相應(yīng)的得分標(biāo)準(zhǔn)。在關(guān)鍵步驟7之后同樣設(shè)置了系統(tǒng)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，保證所有同學(xué)在順利通過本項(xiàng)目前都能掌握燃料電池電堆的組裝。
3.4電池質(zhì)量檢測模塊
模塊四對應(yīng)的是電池質(zhì)量檢測模塊，設(shè)計(jì)思路如圖5所示。只有順利通過質(zhì)量檢測的燃料電池才能投放市場使用。該模塊意在通過實(shí)操訓(xùn)練，使學(xué)生熟悉電池質(zhì)量檢測步驟。該模塊包括操作步驟9—步驟11，分別對應(yīng)燃料電池的氣密性檢測、水循環(huán)檢測和電路安全檢測。組裝的燃料電池只有通過上述的全部檢測，才能說明組裝的燃料電池是合格的產(chǎn)品，才能進(jìn)入下一操作步驟。
3.5場景化應(yīng)用模塊
模塊五對應(yīng)的是燃料電池場景化應(yīng)用。該模塊包含了學(xué)生比較感興趣的內(nèi)容，意在通過趣味性內(nèi)容，使學(xué)生掌握燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域，有助于開闊視野。前面所有的步驟做完后，燃料電池會被安裝到汽車上，隨后出現(xiàn)新能源汽車在馬路上奔馳的畫面（圖6）。接著會專門播放視頻，演示氫燃料電池在其他領(lǐng)域（航天飛機(jī)、無人機(jī)、冬奧會客車和智能家居等領(lǐng)域）的應(yīng)用場景。該模塊內(nèi)容在整個項(xiàng)目中難度較低，是大部分學(xué)生的加分項(xiàng)。該模塊的設(shè)計(jì)，增加了整個項(xiàng)目的吸引力和趣味性。
3.6課程報告輸出模塊
模塊六是整個項(xiàng)目的最后環(huán)節(jié)，對應(yīng)的是課程報告輸出模塊。為了考察學(xué)生理論知識和實(shí)驗(yàn)操作的掌握程度，該模塊專門設(shè)置了習(xí)題考核環(huán)節(jié)，題型包括單選和多選題，滿分20分。系統(tǒng)將根據(jù)每題的實(shí)際分值及習(xí)題正確與否，進(jìn)行自動判分。最終，系統(tǒng)后臺將根據(jù)各步驟的操作記錄，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并輸出課程報告，如圖7所示。學(xué)生可以看到課程總成績并查找自身薄弱點(diǎn)，教師也可以及時得到課堂反饋。
4虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的教學(xué)模式設(shè)計(jì)
為了提升本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，本平臺設(shè)計(jì)了以下教學(xué)模式。
4.1理論與實(shí)踐結(jié)合法
項(xiàng)目采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，以“教學(xué)平臺+互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)軟件”為載體，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生作為獨(dú)立的學(xué)習(xí)單位，掌握相關(guān)專業(yè)知識。首先在課堂上對氫燃料電池的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理及組裝過程進(jìn)行初步講解，使學(xué)生對氫燃料電池有初步認(rèn)識。之后通過形象直觀、交互性強(qiáng)的虛擬仿真界面，使學(xué)生對氫燃料電池的基本結(jié)構(gòu)（如陽極、陰極和隔膜等）建立感性認(rèn)知，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解。以學(xué)生為主體，通過在虛擬實(shí)踐中進(jìn)行演示的方法，可以突破空間和時間的制約進(jìn)行多方案學(xué)習(xí)，并突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式最終實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性學(xué)習(xí)。
4.2虛實(shí)結(jié)合法
項(xiàng)目采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法，以虛補(bǔ)實(shí)，以虛促實(shí)。在實(shí)踐教學(xué)過程中，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參觀氫燃料電池模具，使學(xué)生對燃料電池的陰陽兩極、隔膜、氣體擴(kuò)散層、膜電極、集流體和電堆等概念有初步的了解。待學(xué)生儲備了相關(guān)專業(yè)知識，開始進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作體驗(yàn)，增進(jìn)學(xué)生對理論知識的理解，培養(yǎng)其理論聯(lián)系實(shí)際能力。
4.3體驗(yàn)式教學(xué)法
體驗(yàn)式教學(xué)法創(chuàng)建的是一種互動的交往形式，強(qiáng)調(diào)重視師生的雙邊情感體驗(yàn)[13]。其能夠引起學(xué)生積極的、健康的情感體驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)習(xí)成為快樂的事情。將氫燃料電池的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)整合到教學(xué)中，設(shè)計(jì)“釋義”“示范”和“實(shí)踐環(huán)節(jié)”，可以讓學(xué)生在體驗(yàn)式的環(huán)境下學(xué)習(xí)氫燃料電池的相關(guān)知識，使學(xué)生在實(shí)際操作之前就具備燃料電池相關(guān)的基本技能，為今后實(shí)際操作積累經(jīng)驗(yàn)。這種教學(xué)方法有助于在教學(xué)過程中促進(jìn)師生之間的信息交流和情感交流，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
4.4探究式教學(xué)法
探究式教學(xué)，是指在教師的指導(dǎo)下，以學(xué)生為主體，通過獨(dú)立自主地發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、收集與處理信息等探索活動，讓學(xué)生主動地探索并掌握解決問題的方法和步驟[14]。在本項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)氫燃料電池的結(jié)構(gòu)組裝及運(yùn)行方式等虛擬仿真環(huán)節(jié)，學(xué)生可以觀察并記錄實(shí)際操作步驟，并通過改變操作步驟中的變量（如催化劑負(fù)載量、膜電極質(zhì)量等），分析影響燃料電池性能的影響因素，并總結(jié)相關(guān)規(guī)律。在探究式教學(xué)過程中，學(xué)生能夠充分體會探究的真正價值，并體驗(yàn)到探究的樂趣，增強(qiáng)成就感，這樣學(xué)生的主觀能動性就能被充分調(diào)動，增強(qiáng)了其主體地位。
5結(jié)束語
為助力新工科背景下的人才培養(yǎng)，基于VR虛擬仿真技術(shù)，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺選取被認(rèn)為具有完美發(fā)電方式的氫燃料電池作為模型，以膜電極制備及電池組裝工藝為案例，融入燃料電池的場景化應(yīng)用，進(jìn)行氫燃料電池虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)。本項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)多次操作，并融入創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，注重人機(jī)交互，真實(shí)模擬實(shí)際操作過程中可能出現(xiàn)的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在教師引導(dǎo)下以3D實(shí)景的形式進(jìn)行自主式實(shí)驗(yàn)操作。通過虛實(shí)結(jié)合、寓教于景，提高了教學(xué)效果，全面培養(yǎng)了學(xué)生的研究創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力及綜合分析能力。
作者:趙藝閣 胡俊華 曲睿 單位:鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院