高校《生物質熱解原理與技術》實驗實踐課程教學建設

馬歡歡 章一蒙 周建斌 陳登宇

摘要：生物質能是重要的清潔可再生能源，具有低碳、環保、循環可再生等特點，其應用形式多樣、應用技術成熟、應用范圍廣泛，在應對全球氣候變化、緩解能源供需矛盾、保護生態環境等方面發揮著重要作用，逐漸成為能源結構消費調整、國際能源轉型的重要力量。生物質熱解技術是生物質能源中的重要利用方向，通過對實驗實踐課程的學習，使學生深刻理解生物質熱解原理與技術的專業知識，獲得相應分析計算和實驗操作能力，提高學生運用所學知識發現、分析和解決實際問題的能力。

關鍵詞：生物質能源；《生物質熱解原理與技術》；課程建設；實踐教學

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）18-0186-02

一、前言

近年來生物質能引起了社會各方的極大關注。我國生物質資源極為豐富，農作物秸稈資源每年約9億噸，林業三剩物約1.2億噸，這些能源由于能量密度低而帶來的體積大、運輸貯存費用高，給工業化利用帶來了困難和不便。隨著生物質成型燃料、熱解、氣化、液化等關鍵技術的攻克和產業化進程的推進，生物質能源的應用隨之會帶來巨大的社會、經濟和環境效益[1]。南京林業大學材料科學與工程學院在生物質熱解氣化技術研究和產業化建設方面形成了一定的知識產權和研究成果，并在此基礎上成立了新能源科學與工程專業。生物質資源的高質化利用是我校工科專業的重要方向，而生物質能源（熱解）多聯產技術正是高質化利用的重要途徑。本專業的建設定位是面向新能源，以生物質能源高效利用為特色，充分發揮我校在生物質氣化、液化多聯產技術方面的優勢，同時兼顧太陽能、風能、沼氣能等課程方向。

二、課程建設基礎與背景

生物質熱解等生物質綜合利用技術近年來受到國家各級政策的支持。國家能源局在2016年10月印發了《生物質能發展“十三五”規劃》，規劃中指出要積極發展分布式農林生物質熱電聯產技術，積極推進新建熱電聯產項目。2017年6月國家林業局、發改委、科技部等部委聯合發布《林業產業發展“十三五”規劃》，其中“專欄8生物質能源多聯產發展工程”，要求加快建設一批生物質能源多聯產示范基地，強化科學技術研究和標準化建設，支持科研院所、高等院校、關聯企業等參與生物質能源多聯產生產技術和產物綜合利用及應用推廣研究。加強與農業、國土等部門的合作，推動生物質炭、肥等產品應用于農業生產和土壤改良等領域。國家能源局、環境保護部印發了《關于開展燃煤耦合生物質發電技改試點工作的通知》，旨在發揮清潔高效煤電體系的技術領先優勢，依托現役的煤電高效發電系統和污染物集中治理設施，利用生物質熱解氣化技術，消納農林廢棄物等生物質資源，破解秸稈田間焚燒造成空氣環境污染等社會治理難題。國家發改委、農業部、能源局聯合發文《關于開展秸稈氣化清潔能源利用工程建設的指導意見》，實施建設秸稈等生物質氣化清潔供熱利用工程。因此可見，生物質能源化多聯產的綜合利用是國家政策導向，同時也是與環境保護相結合的重要研究方向。所以《生物質熱解原理與技術》實驗實踐課程的安排應根據學生的認知規律和人才培養目標，對實驗教學內容進行科學合理的規劃，從生物質原料的分析到熱解過程的實驗以及熱解各項產物的分析和利用研究，達到生物質熱解的綜合利用目的，同時開展生物質熱解的綜合性或拓展性實驗，做到基礎性實驗和綜合性與設計性實驗相結合，堅持實驗教學與科學研究相結合的模式，深入開展研究性實驗教學。

三、實驗實踐教學體系的建設

在生物質能源方向中，《生物質熱解原理與技術》的實驗實踐課程建設思路應該是突出以生物質能源技術、生物質綜合利用技術為重點，整合基礎的熱能利用實驗平臺，構建生物質能源專業實驗平臺，構建專業實驗實訓平臺和校內工程實訓平臺，培養學生的動手能力和工程實踐能力，構建應用型科研實驗平臺，并與教師科研相結合，積極引導學生創新創作。

實驗實踐教學體系包括基礎性實驗和拓展開放性實驗，基礎性實驗主要包括專業基礎課程中的實驗和單獨設置的實驗課程，實驗的設置目的是為了配合理論教學中重要的基礎理論或知識點而設置的演示性實驗或驗證性實驗。該類實驗側重對基礎技能的訓練，鞏固所學的基礎理論知識，規范操作方法，掌握實驗的基本方法和基本技能、數據處理的知識和實驗報告的撰寫，為綜合實驗和研究創新性實驗奠定了基礎。拓展開放性的綜合實驗是來源于教師申請的課題或是企業委托的研究項目等，內容設置則有利于學生將所學理論和技能進行綜合運用與發揮，提高系統地分析和解決實際問題的能力，培養學生的綜合能力和團結協作精神，全面考核學生對本專業能力的掌握情況[2]。

四、實驗實踐教學課程內容的建設

在實驗實踐課程的內容設置上，應改善原有的實驗教學體系，優化實驗內容設置，強化實驗基本技能，適當減少驗證性實驗內容，增加探索性、創新性實驗內容，提高學生的分析和解決問題能力、獨立工作能力和創新思維能力。同時按照學科的發展，開展前沿性的實驗項目建設，使人才培養能夠學習到前沿的知識和學科發展動態。堅持基礎性實驗和綜合性與設計性實驗相結合、實驗教學與科學研究相結合的模式，深入開展研究性實驗教學，強化實驗教學與科學研究的緊密結合，將科研方法和手段轉化為實驗教學的方法和手段，從而更新和完善相關實驗的教學內容[3]。

《生物質熱解原理與技術》實驗學時為32學時，在課程內容設置上包括四個方面[4]：（1）生物質的原料分析。生物質原料的基礎理化特性的分析對生物質熱解利用有重要的意義，屬于基礎性實驗，實驗內容主要有生物質的工業分析實驗、生物質的元素分析實驗、生物質的熱值分析實驗。（2）生物質的熱解實驗。生物質的熱解過程比較復雜，影響因素有原料種類、原料尺寸、熱解裝置、熱解溫度、升溫速度、反應壓力等，同時實驗設置要涵蓋多個生物質量的區間，主要有生物質的熱重分析實驗、熱重—紅外光譜聯用分析實驗、流化床生物質液化實驗、固定床生物質熱解實驗、固定床生物質熱解氣化實驗。（3）熱解產物性質分析實驗。熱解產物的高附加值的綜合利用是生物質能源的發展方向。主要設置生物質可燃氣組分及熱值分析、生物質炭的工業分析和熱值分析、生物質炭吸附性能檢測、生物油的熱值分析、生物質提取液的組分分析等。（4）拓展性與綜合性分析實驗。生物質熱解—氣相—質譜聯用綜合性實驗、生物炭深加工利用實驗等，也可開展生物質熱解氣化多聯產利用系統工程虛擬仿真實驗，利用平面或者三維的形式先對整個工藝流程進行學習，利用三維交互設計的方式，對生產線的主要工作方式或原理進行全方位三維模擬形式的展現，讓學生更加直觀的學習和掌握[5]。

五、結語

《生物質熱解原理與技術》是生物質能源研究方向的重要課程，其實驗實踐教學也是工科學生培養的重要部分，實驗實踐課程教學也可提高學生運用所學知識解決實際問題的能力，隨著生物質能源的發展，社會對生物質能源領域的人才需求也更多，學生實踐能力的提高也為其在專業領域的就業提供了保障。同時，結合前沿的知識和學科發展動態，強化實驗教學與科學研究的緊密結合，從科研項目中提煉更多具有工程應用背景的專業實驗，為我國生物質能源的發展提供人才支持。

參考文獻：

[1]周建斌.生物質能源工程與技術[M].北京：中國林業出版社，2011.

[2]李健，鄭冀魯，尉芹，等.《生物質能源工程與技術》教學改革探索[J].廣州化工，2015，43（19）：226-228.

[3]王鑒，姜振軍.論教學理論介入教學實踐的路徑與價值[J].教育理論與實踐，2014，34（4）：53-56.

[4]朱錫鋒.生物質熱解原理與技術[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2006.

[5]李松，陳麗梅，王琪，等.地方農業院校工程類校級實驗教學示范中心平臺建設——以生物質能方向為例[J].教育教學論壇，2016，（51）：269-270.