氫燃料電池虛擬仿真實驗教學淺析

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摘要：鑒于目前國內大部分高校受實驗成本和實驗條件的限制，缺乏氫燃料電池實驗平臺這一客觀現(xiàn)實，該文設計一種基于虛擬仿真技術的氫燃料電池實驗教學平臺。平臺共包含實驗認知、實操練習和習題考核3大環(huán)節(jié)，并進一步細分為6大模塊。通過該平臺，學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，彌補傳統(tǒng)實驗教學的不足。通過虛實結合、寓教于景，改善傳統(tǒng)的單一教學模式，從而全面培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、工程實踐能力和綜合分析能力，為新工科人才培養(yǎng)助力。

關鍵詞：氫燃料電池；虛擬仿真技術；實驗教學平臺；實驗模塊設計；教學模式設計

為了如期實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”這一偉大戰(zhàn)略目標，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能轉化為電能而不必經過熱機過程，具有能量轉化率高、零排放和能源可再生等優(yōu)點，被認為是終極的發(fā)電方式之一，未來在新能源汽車、發(fā)電廠、軍事空間和移動設備等領域有廣泛的應用前景[3-5]。新能源材料與器件專業(yè)是為適應我國新能源、新材料和新能源汽車等國家戰(zhàn)略性新型產業(yè)發(fā)展而設立的新興專業(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)開展了相關專業(yè)課程，如電化學、化學電源等理論課和新能源器件創(chuàng)新實踐等實驗課程。在這些課程中，氫燃料電池相關的專業(yè)知識屬于重點講授的內容。高校對于學生的培養(yǎng)，不僅要讓學生掌握扎實的理論知識，還要注重實踐能力的培養(yǎng)，這樣才能提高學生的綜合素質能力。然而，目前我國氫燃料電池的發(fā)展還處于起步階段，國內大部分高校由于實驗經費和實驗條件的限制，還不具備實驗平臺，學生難以體驗真實的操作流程。少數(shù)高校實驗室雖然搭建了相關實驗平臺，但是所用設備大多進口，價格昂貴，操作程序復雜。更重要的是，氫燃料電池的陽極燃料為易燃易爆的氫氣，給學生的實際操作帶來嚴重安全威脅。因此，出于經濟性和安全性考慮，任課教師通常都會限制本科生動手操作該實驗。然而，隨著當前理論計算和模擬手段的迅速發(fā)展，僅僅依靠傳統(tǒng)的課堂理論教學手段已經不能滿足學生的多元化學習需要。這一日益加劇的矛盾，促使高校順應時代趨勢，亟需開發(fā)一款將理論與實踐相結合的虛擬仿真實驗平臺，打破時間和空間的制約，突破實驗經費和大型高危實驗平臺的限制，推動理論與實踐教學深度融合，更好地服務于“金課”建設工作[6-10]?；谏鲜鰢鴥雀咝Ｈ瞬排囵B(yǎng)和教學環(huán)境，開展了氫燃料電池虛擬仿真實驗教學平臺的設計與開發(fā)工作。通過該平臺，學生可以不受實驗成本和高危環(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，并了解其實際應用領域，改善了傳統(tǒng)的單一教學模式。同時，虛擬仿真技術也為疫情期間的線上教學和高校之間的優(yōu)質資源共享提供了便利條件[11-12]。

1虛擬仿真實驗平臺總體設計思路

在氫燃料電池中，質子交換膜氫燃料電池由于啟動時間短、反應溫度低、功率密度高和電解質無腐蝕性等優(yōu)點而成為最有應用前景的燃料電池。對于氫燃料電池的膜電極制備及電池組裝工藝環(huán)節(jié)，所有材料及設備較為昂貴，且存在一定危險性，本科生在線下課程很難實現(xiàn)真正動手操作。因此，本虛擬仿真實驗以質子交換膜氫燃料電池為模型，設計并開發(fā)了“氫燃料電池膜電極制備及電池組裝工藝虛擬仿真實驗”?？紤]到催化劑的化學制備過程所用材料及設備較為簡單，依靠線下實驗基本就可以滿足操作需求，因此，該實驗平臺將略去催化劑的化學制備環(huán)節(jié)，直接選用商用Pt/C催化劑來制備膜電極并實現(xiàn)電池的組裝，以求在教學中有的放矢，突出重點。同時，為了增強交互性體驗，本項目在關鍵實驗步驟部分融入了系統(tǒng)驗證環(huán)節(jié)，即學生只有保證關鍵步驟的正確，才能順利進入下一環(huán)節(jié)的實驗操作，最終成功完成整個項目的體驗。通過設置合理的參數(shù)，實現(xiàn)實驗任務和學生設計的互動，加深了同學們對關鍵步驟的理解和掌握，增強了項目的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。圖1展示了該虛擬仿真實驗平臺的總體設計思路，本實驗共包含實驗認知、實操練習和習題考核3大環(huán)節(jié)，并進一步細分為理論學習、制備膜電極、組裝燃料電池、電池質量檢測、場景化應用及課程報告輸出6大模塊。實驗認知對應的是模塊一，該環(huán)節(jié)意在實驗前對學生進行系統(tǒng)的理論熱身，鞏固理論知識；實操練習對應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，意在使學生通過該環(huán)節(jié)的訓練，真正掌握電池的組裝全過程，彌補線下教學的不足；習題考核對應的是模塊六，該環(huán)節(jié)意在通過習題測驗，進一步考察學生的課堂學習效果。通過以上環(huán)節(jié)，系統(tǒng)后臺可以自動判定學生成績，并輸出詳細的課程報告，這樣學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虛擬仿真實驗教學目標

本虛擬仿真實驗共設置4學時的實驗內容，主要面向鄭州大學材料科學與工程專業(yè)新能源材料與器件方向的大三本科生。6個模塊的內容關聯(lián)緊密且層層遞進，每一模塊的實驗操作又相互獨立。通過該虛擬仿真實驗平臺的搭建，以期實現(xiàn)下列教學目標：（1）通過自主研發(fā)的虛擬仿真技術，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構組成，使學生在傳統(tǒng)課堂掌握的理論知識基礎上，進一步加深氫燃料電池相關的專業(yè)知識，尤其是膜電極、電堆和單電池等關鍵性概念，從而滿足燃料電池理論專業(yè)知識的個性化教學。（2）通過體驗虛擬仿真實驗平臺的操作環(huán)境，讓學生掌握氫燃料電池膜電極的制備及電池組裝全過程，使學生在虛擬環(huán)境中開展實驗，鍛煉動手操作能力，彌補了線下實驗室難以提供的實驗條件和機會，培養(yǎng)學生的理論聯(lián)系實際及工程實踐能力，提高學生應用虛擬仿真教學資源的信息素養(yǎng)。（3）通過搭建虛擬仿真教學實驗平臺，給學生提供隨時隨地進行虛擬仿真的實驗條件，提高學生的理論學習和實驗學習效果，增強了課堂的趣味性，提升了學生的主觀能動性，改善了教學效果。

3虛擬仿真實驗模塊設計

本虛擬仿真實驗平臺共設置了實驗認知、實操練習和習題考核3大環(huán)節(jié)，6大模塊，14個操作步驟。在開始實驗操作前，需要先注冊并登錄系統(tǒng)，如圖2所示，方能進入實驗場景。為了幫助讀者更好地理解本教學平臺的實驗內容與步驟，下面將對每一模塊的設計目的及操作方法做詳細說明。

3.1理論學習模塊

模塊一對應的是理論學習模塊。該模塊的設計目的在于使學生通過理論學習，了解氫燃料電池的基本原理，熟悉交互性操作步驟的實驗參數(shù)設置規(guī)則，從而為后續(xù)的實操練習奠定基礎。點擊進入該模塊后，會出現(xiàn)實驗任務與目標、實驗原理和實驗參數(shù)填寫說明3大板塊，學生可依次點擊進入每一板塊，學習相關理論知識。

3.2制備膜電極模塊

模塊二對應的是制備膜電極模塊，設計思路如圖3所示。從該模塊開始，正式進入該虛擬仿真實驗交互性操作步驟環(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，是本項目的重要內容之一。該模塊意在通過虛擬仿真訓練，使學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、催化劑的噴涂質量檢測和膜電極的制備。點擊進入模塊二后，會依次出現(xiàn)上述步驟，每一步驟都通過系統(tǒng)后臺設置相應的得分標準。值得一提的是，為了增強本項目的人機交互性體驗，本項目在關鍵實驗部分設置了系統(tǒng)驗證環(huán)節(jié)。即只有保證該步驟的完全正確，才能順利進入下一步驟的實驗操作，否則系統(tǒng)會自動退回本模塊的最原始步驟，學生需要重新操作。對于該模塊，由于步驟5和步驟6屬于關鍵步驟，系統(tǒng)單獨設置了系統(tǒng)驗證環(huán)節(jié)，這樣可以加深同學們對關鍵步驟的理解和掌握，并增強了該項目的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。

3.3組裝燃料電池模塊

模塊三對應的是組裝燃料電池模塊，設計思路如圖4所示。燃料電池的組裝工藝是該虛擬仿真項目的另一個重要內容。該模塊意在通過實操訓練，使學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、進氣口的雙極板，緊貼膜電極兩側，得到燃料電池的單體電池。依此重復膜電極、雙極板，形成20個重復的燃料電池單體電池單元。然后在重復的單體電池單元兩側依次安裝集流體、絕緣板和兩端端板，并通過螺栓固定以上結構，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)后臺設置相應的得分標準。在關鍵步驟7之后同樣設置了系統(tǒng)驗證環(huán)節(jié)，保證所有同學在順利通過本項目前都能掌握燃料電池電堆的組裝。

3.4電池質量檢測模塊

模塊四對應的是電池質量檢測模塊，設計思路如圖5所示。只有順利通過質量檢測的燃料電池才能投放市場使用。該模塊意在通過實操訓練，使學生熟悉電池質量檢測步驟。該模塊包括操作步驟9—步驟11，分別對應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品，才能進入下一操作步驟。

3.5場景化應用模塊

模塊五對應的是燃料電池場景化應用。該模塊包含了學生比較感興趣的內容，意在通過趣味性內容，使學生掌握燃料電池的應用領域，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域（航天飛機、無人機、冬奧會客車和智能家居等領域）的應用場景。該模塊內容在整個項目中難度較低，是大部分學生的加分項。該模塊的設計，增加了整個項目的吸引力和趣味性。

3.6課程報告輸出模塊

模塊六是整個項目的最后環(huán)節(jié)，對應的是課程報告輸出模塊。為了考察學生理論知識和實驗操作的掌握程度，該模塊專門設置了習題考核環(huán)節(jié)，題型包括單選和多選題，滿分20分。系統(tǒng)將根據(jù)每題的實際分值及習題正確與否，進行自動判分。最終，系統(tǒng)后臺將根據(jù)各步驟的操作記錄，進行數(shù)據(jù)分析并輸出課程報告，如圖7所示。學生可以看到課程總成績并查找自身薄弱點，教師也可以及時得到課堂反饋。

4虛擬仿真實驗平臺的教學模式設計

為了提升本虛擬仿真實驗的教學效果，本平臺設計了以下教學模式。

4.1理論與實踐結合法

項目采用理論與實踐相結合的教學方法，以“教學平臺+互聯(lián)網+教學軟件”為載體，在教師的指導下，學生作為獨立的學習單位，掌握相關專業(yè)知識。首先在課堂上對氫燃料電池的基本結構、運行原理及組裝過程進行初步講解，使學生對氫燃料電池有初步認識。之后通過形象直觀、交互性強的虛擬仿真界面，使學生對氫燃料電池的基本結構（如陽極、陰極和隔膜等）建立感性認知，進一步增強學生對理論知識的理解。以學生為主體，通過在虛擬實踐中進行演示的方法，可以突破空間和時間的制約進行多方案學習，并突破傳統(tǒng)的教學模式最終實現(xiàn)創(chuàng)造性學習。

4.2虛實結合法

項目采用虛實結合的教學方法，以虛補實，以虛促實。在實踐教學過程中，帶領學生進入實驗室參觀氫燃料電池模具，使學生對燃料電池的陰陽兩極、隔膜、氣體擴散層、膜電極、集流體和電堆等概念有初步的了解。待學生儲備了相關專業(yè)知識，開始進行虛擬仿真實驗的操作體驗，增進學生對理論知識的理解，培養(yǎng)其理論聯(lián)系實際能力。

4.3體驗式教學法

體驗式教學法創(chuàng)建的是一種互動的交往形式，強調重視師生的雙邊情感體驗[13]。其能夠引起學生積極的、健康的情感體驗，提高學生的學習積極性，使學習成為快樂的事情。將氫燃料電池的虛擬仿真實驗整合到教學中，設計“釋義”“示范”和“實踐環(huán)節(jié)”，可以讓學生在體驗式的環(huán)境下學習氫燃料電池的相關知識，使學生在實際操作之前就具備燃料電池相關的基本技能，為今后實際操作積累經驗。這種教學方法有助于在教學過程中促進師生之間的信息交流和情感交流，激發(fā)學生的學習興趣。

4.4探究式教學法

探究式教學，是指在教師的指導下，以學生為主體，通過獨立自主地發(fā)現(xiàn)問題，進行實驗操作、收集與處理信息等探索活動，讓學生主動地探索并掌握解決問題的方法和步驟[14]。在本項目中，設計氫燃料電池的結構組裝及運行方式等虛擬仿真環(huán)節(jié)，學生可以觀察并記錄實際操作步驟，并通過改變操作步驟中的變量（如催化劑負載量、膜電極質量等），分析影響燃料電池性能的影響因素，并總結相關規(guī)律。在探究式教學過程中，學生能夠充分體會探究的真正價值，并體驗到探究的樂趣，增強成就感，這樣學生的主觀能動性就能被充分調動，增強了其主體地位。

5結束語

為助力新工科背景下的人才培養(yǎng)，基于VR虛擬仿真技術，本實驗教學平臺選取被認為具有完美發(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用，進行氫燃料電池虛擬仿真實踐教學。本項目可以實現(xiàn)多次操作，并融入創(chuàng)新性設計，注重人機交互，真實模擬實際操作過程中可能出現(xiàn)的各種實驗現(xiàn)象。教學實踐表明，學生在教師引導下以3D實景的形式進行自主式實驗操作。通過虛實結合、寓教于景，提高了教學效果，全面培養(yǎng)了學生的研究創(chuàng)新能力、工程實踐能力及綜合分析能力。

作者:趙藝閣 胡俊華 曲睿 單位:鄭州大學材料科學與工程學院