氢燃料电池虚拟仿真实验教学浅析

摘要：鉴于目前国内大部分高校受实验成本和实验条件的限制，缺乏氢燃料电池实验平台这一客观现实，该文设计一种基于虚拟仿真技术的氢燃料电池实验教学平台。平台共包含实验认知、实操练习和习题考核3大环节，并进一步细分为6大模块。通过该平台，学生可以安全快速地掌握氢燃料电池膜电极的制备方法及电池组装工艺，弥补传统实验教学的不足。通过虚实结合、寓教于景，改善传统的单一教学模式，从而全面培养学生的创新能力、工程实践能力和综合分析能力，为新工科人才培养助力。

关键词：氢燃料电池；虚拟仿真技术；实验教学平台；实验模块设计；教学模式设计

为了如期实现“碳达峰”“碳中和”这一伟大战略目标，必须大力开发清洁可再生能源，减少碳排放。氢能作为一种清洁高效的二次能源、属于零碳能源，来源丰富、转化高效，使用过程无排放污染[1-2]。氢燃料电池可以直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，具有能量转化率高、零排放和能源可再生等优点，被认为是终极的发电方式之一，未来在新能源汽车、发电厂、军事空间和移动设备等领域有广泛的应用前景[3-5]。新能源材料与器件专业是为适应我国新能源、新材料和新能源汽车等国家战略性新型产业发展而设立的新兴专业。为了更好地培养我国新能源方面的专业人才，各大高校陆续开展了相关专业课程，如电化学、化学电源等理论课和新能源器件创新实践等实验课程。在这些课程中，氢燃料电池相关的专业知识属于重点讲授的内容。高校对于学生的培养，不仅要让学生掌握扎实的理论知识，还要注重实践能力的培养，这样才能提高学生的综合素质能力。然而，目前我国氢燃料电池的发展还处于起步阶段，国内大部分高校由于实验经费和实验条件的限制，还不具备实验平台，学生难以体验真实的操作流程。少数高校实验室虽然搭建了相关实验平台，但是所用设备大多进口，价格昂贵，操作程序复杂。更重要的是，氢燃料电池的阳极燃料为易燃易爆的氢气，给学生的实际操作带来严重安全威胁。因此，出于经济性和安全性考虑，任课教师通常都会限制本科生动手操作该实验。然而，随着当前理论计算和模拟手段的迅速发展，仅仅依靠传统的课堂理论教学手段已经不能满足学生的多元化学习需要。这一日益加剧的矛盾，促使高校顺应时代趋势，亟需开发一款将理论与实践相结合的虚拟仿真实验平台，打破时间和空间的制约，突破实验经费和大型高危实验平台的限制，推动理论与实践教学深度融合，更好地服务于“金课”建设工作[6-10]。基于上述国内高校人才培养和教学环境，开展了氢燃料电池虚拟仿真实验教学平台的设计与开发工作。通过该平台，学生可以不受实验成本和高危环境限制，安全快速地掌握氢燃料电池膜电极的制备方法及电池组装工艺，并了解其实际应用领域，改善了传统的单一教学模式。同时，虚拟仿真技术也为疫情期间的线上教学和高校之间的优质资源共享提供了便利条件[11-12]。

1虚拟仿真实验平台总体设计思路

在氢燃料电池中，质子交换膜氢燃料电池由于启动时间短、反应温度低、功率密度高和电解质无腐蚀性等优点而成为最有应用前景的燃料电池。对于氢燃料电池的膜电极制备及电池组装工艺环节，所有材料及设备较为昂贵，且存在一定危险性，本科生在线下课程很难实现真正动手操作。因此，本虚拟仿真实验以质子交换膜氢燃料电池为模型，设计并开发了“氢燃料电池膜电极制备及电池组装工艺虚拟仿真实验”。考虑到催化剂的化学制备过程所用材料及设备较为简单，依靠线下实验基本就可以满足操作需求，因此，该实验平台将略去催化剂的化学制备环节，直接选用商用Pt/C催化剂来制备膜电极并实现电池的组装，以求在教学中有的放矢，突出重点。同时，为了增强交互性体验，本项目在关键实验步骤部分融入了系统验证环节，即学生只有保证关键步骤的正确，才能顺利进入下一环节的实验操作，最终成功完成整个项目的体验。通过设置合理的参数，实现实验任务和学生设计的互动，加深了同学们对关键步骤的理解和掌握，增强了项目的创新性和挑战性。图1展示了该虚拟仿真实验平台的总体设计思路，本实验共包含实验认知、实操练习和习题考核3大环节，并进一步细分为理论学习、制备膜电极、组装燃料电池、电池质量检测、场景化应用及课程报告输出6大模块。实验认知对应的是模块一，该环节意在实验前对学生进行系统的理论热身，巩固理论知识；实操练习对应的是模块二到模块五，涵盖了从膜电极制备到燃料电池组装等步骤，意在使学生通过该环节的训练，真正掌握电池的组装全过程，弥补线下教学的不足；习题考核对应的是模块六，该环节意在通过习题测验，进一步考察学生的课堂学习效果。通过以上环节，系统后台可以自动判定学生成绩，并输出详细的课程报告，这样学生可以清楚知道自己的薄弱环节，教师也可以及时得到课堂效果反馈。

2虚拟仿真实验教学目标

本虚拟仿真实验共设置4学时的实验内容，主要面向郑州大学材料科学与工程专业新能源材料与器件方向的大三本科生。6个模块的内容关联紧密且层层递进，每一模块的实验操作又相互独立。通过该虚拟仿真实验平台的搭建，以期实现下列教学目标：（1）通过自主研发的虚拟仿真技术，营造出虚拟的三维立体场景，以视频、动画和图片的形式展示氢燃料电池的工作原理及其结构组成，使学生在传统课堂掌握的理论知识基础上，进一步加深氢燃料电池相关的专业知识，尤其是膜电极、电堆和单电池等关键性概念，从而满足燃料电池理论专业知识的个性化教学。（2）通过体验虚拟仿真实验平台的操作环境，让学生掌握氢燃料电池膜电极的制备及电池组装全过程，使学生在虚拟环境中开展实验，锻炼动手操作能力，弥补了线下实验室难以提供的实验条件和机会，培养学生的理论联系实际及工程实践能力，提高学生应用虚拟仿真教学资源的信息素养。（3）通过搭建虚拟仿真教学实验平台，给学生提供随时随地进行虚拟仿真的实验条件，提高学生的理论学习和实验学习效果，增强了课堂的趣味性，提升了学生的主观能动性，改善了教学效果。

3虚拟仿真实验模块设计

本虚拟仿真实验平台共设置了实验认知、实操练习和习题考核3大环节，6大模块，14个操作步骤。在开始实验操作前，需要先注册并登录系统，如图2所示，方能进入实验场景。为了帮助读者更好地理解本教学平台的实验内容与步骤，下面将对每一模块的设计目的及操作方法做详细说明。

3.1理论学习模块

模块一对应的是理论学习模块。该模块的设计目的在于使学生通过理论学习，了解氢燃料电池的基本原理，熟悉交互性操作步骤的实验参数设置规则，从而为后续的实操练习奠定基础。点击进入该模块后，会出现实验任务与目标、实验原理和实验参数填写说明3大板块，学生可依次点击进入每一板块，学习相关理论知识。

3.2制备膜电极模块

模块二对应的是制备膜电极模块，设计思路如图3所示。从该模块开始，正式进入该虚拟仿真实验交互性操作步骤环节。膜电极是燃料电池的核心部件，其制备效果直接影响电池的输出性能，是本项目的重要内容之一。该模块意在通过虚拟仿真训练，使学生掌握氢燃料电池膜电极的制备方法。该模块包括操作步骤2—步骤6，分别对应催化剂的精确称量、催化剂溶液的制备、催化剂溶液的涂覆、催化剂的喷涂质量检测和膜电极的制备。点击进入模块二后，会依次出现上述步骤，每一步骤都通过系统后台设置相应的得分标准。值得一提的是，为了增强本项目的人机交互性体验，本项目在关键实验部分设置了系统验证环节。即只有保证该步骤的完全正确，才能顺利进入下一步骤的实验操作，否则系统会自动退回本模块的最原始步骤，学生需要重新操作。对于该模块，由于步骤5和步骤6属于关键步骤，系统单独设置了系统验证环节，这样可以加深同学们对关键步骤的理解和掌握，并增强了该项目的创新性和挑战性。

3.3组装燃料电池模块

模块三对应的是组装燃料电池模块，设计思路如图4所示。燃料电池的组装工艺是该虚拟仿真项目的另一个重要内容。该模块意在通过实操训练，使学生掌握电堆和电池的组装工艺。该模块包括操作步骤7—步骤8，分别对应燃料电池电堆的组装和燃料电池的组装。具体操作方法为：将2块带有气体蛇形流场、进气口的双极板，紧贴膜电极两侧，得到燃料电池的单体电池。依此重复膜电极、双极板，形成20个重复的燃料电池单体电池单元。然后在重复的单体电池单元两侧依次安装集流体、绝缘板和两端端板，并通过螺栓固定以上结构，得到燃料电池电堆。最后，依次将燃料电池电堆安装上气体管理模块、水管理模块和电路管理模块，得到燃料电池。同模块二一样，每一步骤都通过系统后台设置相应的得分标准。在关键步骤7之后同样设置了系统验证环节，保证所有同学在顺利通过本项目前都能掌握燃料电池电堆的组装。

3.4电池质量检测模块

模块四对应的是电池质量检测模块，设计思路如图5所示。只有顺利通过质量检测的燃料电池才能投放市场使用。该模块意在通过实操训练，使学生熟悉电池质量检测步骤。该模块包括操作步骤9—步骤11，分别对应燃料电池的气密性检测、水循环检测和电路安全检测。组装的燃料电池只有通过上述的全部检测，才能说明组装的燃料电池是合格的产品，才能进入下一操作步骤。

3.5场景化应用模块

模块五对应的是燃料电池场景化应用。该模块包含了学生比较感兴趣的内容，意在通过趣味性内容，使学生掌握燃料电池的应用领域，有助于开阔视野。前面所有的步骤做完后，燃料电池会被安装到汽车上，随后出现新能源汽车在马路上奔驰的画面（图6）。接着会专门播放视频，演示氢燃料电池在其他领域（航天飞机、无人机、冬奥会客车和智能家居等领域）的应用场景。该模块内容在整个项目中难度较低，是大部分学生的加分项。该模块的设计，增加了整个项目的吸引力和趣味性。

3.6课程报告输出模块

模块六是整个项目的最后环节，对应的是课程报告输出模块。为了考察学生理论知识和实验操作的掌握程度，该模块专门设置了习题考核环节，题型包括单选和多选题，满分20分。系统将根据每题的实际分值及习题正确与否，进行自动判分。最终，系统后台将根据各步骤的操作记录，进行数据分析并输出课程报告，如图7所示。学生可以看到课程总成绩并查找自身薄弱点，教师也可以及时得到课堂反馈。

4虚拟仿真实验平台的教学模式设计

为了提升本虚拟仿真实验的教学效果，本平台设计了以下教学模式。

4.1理论与实践结合法

项目采用理论与实践相结合的教学方法，以“教学平台+互联网+教学软件”为载体，在教师的指导下，学生作为独立的学习单位，掌握相关专业知识。首先在课堂上对氢燃料电池的基本结构、运行原理及组装过程进行初步讲解，使学生对氢燃料电池有初步认识。之后通过形象直观、交互性强的虚拟仿真界面，使学生对氢燃料电池的基本结构（如阳极、阴极和隔膜等）建立感性认知，进一步增强学生对理论知识的理解。以学生为主体，通过在虚拟实践中进行演示的方法，可以突破空间和时间的制约进行多方案学习，并突破传统的教学模式最终实现创造性学习。

4.2虚实结合法

项目采用虚实结合的教学方法，以虚补实，以虚促实。在实践教学过程中，带领学生进入实验室参观氢燃料电池模具，使学生对燃料电池的阴阳两极、隔膜、气体扩散层、膜电极、集流体和电堆等概念有初步的了解。待学生储备了相关专业知识，开始进行虚拟仿真实验的操作体验，增进学生对理论知识的理解，培养其理论联系实际能力。

4.3体验式教学法

体验式教学法创建的是一种互动的交往形式，强调重视师生的双边情感体验[13]。其能够引起学生积极的、健康的情感体验，提高学生的学习积极性，使学习成为快乐的事情。将氢燃料电池的虚拟仿真实验整合到教学中，设计“释义”“示范”和“实践环节”，可以让学生在体验式的环境下学习氢燃料电池的相关知识，使学生在实际操作之前就具备燃料电池相关的基本技能，为今后实际操作积累经验。这种教学方法有助于在教学过程中促进师生之间的信息交流和情感交流，激发学生的学习兴趣。

4.4探究式教学法

探究式教学，是指在教师的指导下，以学生为主体，通过独立自主地发现问题，进行实验操作、收集与处理信息等探索活动，让学生主动地探索并掌握解决问题的方法和步骤[14]。在本项目中，设计氢燃料电池的结构组装及运行方式等虚拟仿真环节，学生可以观察并记录实际操作步骤，并通过改变操作步骤中的变量（如催化剂负载量、膜电极质量等），分析影响燃料电池性能的影响因素，并总结相关规律。在探究式教学过程中，学生能够充分体会探究的真正价值，并体验到探究的乐趣，增强成就感，这样学生的主观能动性就能被充分调动，增强了其主体地位。

5结束语

为助力新工科背景下的人才培养，基于VR虚拟仿真技术，本实验教学平台选取被认为具有完美发电方式的氢燃料电池作为模型，以膜电极制备及电池组装工艺为案例，融入燃料电池的场景化应用，进行氢燃料电池虚拟仿真实践教学。本项目可以实现多次操作，并融入创新性设计，注重人机交互，真实模拟实际操作过程中可能出现的各种实验现象。教学实践表明，学生在教师引导下以3D实景的形式进行自主式实验操作。通过虚实结合、寓教于景，提高了教学效果，全面培养了学生的研究创新能力、工程实践能力及综合分析能力。

作者:赵艺阁 胡俊华 曲睿 单位:郑州大学材料科学与工程学院