基于創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)生物質(zhì)熱解專業(yè)實驗實踐教學建設(shè)

馬歡歡 章一蒙 周建斌

摘 要 生物質(zhì)熱解技術(shù)是生物質(zhì)能源化利用的重要方向，全國多個高校開設(shè)了生物質(zhì)能源專業(yè)和課程。本文分析探討了基于創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的生物質(zhì)專業(yè)基礎(chǔ)實驗實踐教學建設(shè)的意義，梳理了實驗實踐教學內(nèi)容，強調(diào)了科研成果轉(zhuǎn)化實驗、虛擬仿真實驗、實習實踐教學在創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)中的重要作用，為我國的生物質(zhì)熱解技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展提供創(chuàng)新實踐型人才支持。

關(guān)鍵詞 創(chuàng)新實踐能力 生物質(zhì)熱解專業(yè) 實驗實踐教學 虛擬仿真

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

0前言

我國生物質(zhì)資源極為豐富，同時生物質(zhì)能源化利用還具有低碳環(huán)保、循環(huán)再生的優(yōu)點，在應對能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)環(huán)境保護等方面發(fā)揮著重要作用，在化石燃料逐漸枯竭和環(huán)境污染的背景下，生物質(zhì)能源的替代作用逐漸凸顯。

南京林業(yè)大學作為一所以林科為特色，以資源、生態(tài)和環(huán)境類學科為優(yōu)勢的多科性大學，生物質(zhì)資源的高質(zhì)化利用是我校工科專業(yè)的重要方向，而生物質(zhì)能源多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)重要途徑。生物質(zhì)熱解技術(shù)能夠以較低的成本、連續(xù)化生產(chǎn)工藝，將低能量密度的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的氣、液、固產(chǎn)物，以及促進生物質(zhì)能源化的推廣。但目前生物質(zhì)熱解專業(yè)人才較少，難以滿足市場需求，生物質(zhì)熱解專業(yè)實驗實踐教學是重要教學環(huán)節(jié)，急需加強系統(tǒng)化建設(shè)。

1生物質(zhì)熱解專業(yè)實驗實踐教學建設(shè)的意義

生物質(zhì)熱解等生物質(zhì)綜合利用技術(shù)近年受到國家多個部門政策的支持，如在《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出，要積極發(fā)展分布式農(nóng)林生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，積極推進新建熱電聯(lián)產(chǎn)項目。生物質(zhì)能源化多聯(lián)產(chǎn)的綜合利用是國家政策導向，同時也是將清潔能源消費與環(huán)境保護、土壤改良相結(jié)合的重要研究方向。所以系統(tǒng)性的基于創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的生物質(zhì)熱解實驗實踐課程建設(shè)，是當前生物質(zhì)能源利用專業(yè)的重要任務(wù)。實驗實踐課程建設(shè)有助于培養(yǎng)學生觀察、思考問題的能力，系統(tǒng)了解生物質(zhì)能源專業(yè)的概況、加強專業(yè)理論知識的學習，提高學生對本專業(yè)在國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展中的作用及地位的認識，將課本理論知識和實踐操作經(jīng)驗有機結(jié)合，培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力，為學生就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)，也為生物質(zhì)能源行業(yè)輸送專業(yè)型、實踐型、創(chuàng)新型復合人才。

2生物質(zhì)熱解專業(yè)實驗教學內(nèi)容建設(shè)

實驗實踐課程內(nèi)容的建設(shè)根據(jù)學生的認知規(guī)律和人才培養(yǎng)目標科學合理的規(guī)劃，內(nèi)容設(shè)置上由簡單向復雜遞進，由基礎(chǔ)實驗向綜合性、設(shè)計性、研究性實驗過渡。生物質(zhì)熱解實驗過程是由原料的基礎(chǔ)分析、熱解過程參數(shù)的控制、熱解產(chǎn)物的分析和利用組成，在此基礎(chǔ)上開展創(chuàng)新研究性實驗，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)實驗，真正實現(xiàn)全反應鏈的熟練掌握。

2.1生物質(zhì)熱解基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容建設(shè)

（1）生物質(zhì)的原料理化性質(zhì)分析。實驗內(nèi)容主要有：①生物質(zhì)的工業(yè)分析實驗：掌握利用干燥箱、馬弗爐等設(shè)備檢測生物質(zhì)水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳等指標含量。②生物質(zhì)的元素分析實驗：掌握利用元素分析儀測量生物質(zhì)碳、氫、氮、硫、氧元素含量。③生物質(zhì)的熱值分析實驗：掌握利用微機量熱儀測量生物質(zhì)的熱值大小。

（2）生物質(zhì)熱重-紅外聯(lián)用分析實驗：利用熱重-紅外聯(lián)用分析儀，進行毫克級的生物質(zhì)熱解特性實驗，學習掌握生物質(zhì)熱解失重規(guī)律與氣體產(chǎn)物生成規(guī)律。

2.2生物質(zhì)熱解綜合性實驗內(nèi)容建設(shè)

（1）生物質(zhì)的熱解特性實驗。生物質(zhì)的熱解過程比較復雜，影響因素主要有原料種類、原料粒度、熱解方式、熱解溫度、熱解時間、升溫速度、反應壓力等，主要設(shè)置實驗內(nèi)容有流化床生物質(zhì)快速熱解液化實驗、固定床生物質(zhì)熱解實驗、干餾式熱解炭化實驗、下吸式固定床生物質(zhì)熱解氣化實驗。

（2）生物質(zhì)熱解產(chǎn)物分析實驗。生物質(zhì)熱解產(chǎn)物的高附加值的綜合利用是生物質(zhì)能源的發(fā)展方向。生物質(zhì)的熱解產(chǎn)物主要有生物質(zhì)可燃氣、生物質(zhì)炭、生物質(zhì)提取液、生物質(zhì)油，根據(jù)利用方向的不同，主要設(shè)置氣相色譜法測量生物質(zhì)可燃氣組分及熱值分析實驗、生物質(zhì)炭的工業(yè)分析和熱值分析、生物質(zhì)炭比表面積及孔徑分布檢測實驗、生物質(zhì)提取液的組分分析實驗、生物油的熱值分析實驗等。

2.3生物質(zhì)熱解創(chuàng)新性實驗內(nèi)容建設(shè)

由科研成果轉(zhuǎn)化的實驗是創(chuàng)新性實驗建設(shè)的重要內(nèi)容，近年實驗室隊伍成員分別主持或參加 “農(nóng)林生物質(zhì)能源多聯(lián)產(chǎn)綜合利用技術(shù)示范”、“熱解氣化制取生物燃氣新技術(shù)與示范”、“活性炭清潔生產(chǎn)新技術(shù)研究與示范”、“生物質(zhì)三組分烘焙脫氧及其對熱解液體產(chǎn)物的調(diào)控機制研究”、“農(nóng)業(yè)廢棄物和生活垃圾共熱解氣化技術(shù)及示范應用”等課題基金項目，在生物質(zhì)氣體燃料定向制備與轉(zhuǎn)化以及副產(chǎn)物炭液的開發(fā)應用、生物質(zhì)熱能的高效利用領(lǐng)域有扎實的研究基礎(chǔ)。

2.4生物質(zhì)熱解虛擬仿真實驗教學建設(shè)

生物質(zhì)熱解能源綜合利用工程設(shè)備過于龐大，在教學授課過程中，不能很好的對學生進行知識的普及，也無法讓每個學生都深入進行實際的實驗，因此制作開發(fā)虛擬仿真實驗系統(tǒng)。目的在于更好的開展教學活動，讓每個學生都能了解生物質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)利用系統(tǒng)的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，深入認識多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化的意義，同時對于設(shè)備的改進和發(fā)展具有較大的幫助。

生物質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)利用虛擬仿真實驗系統(tǒng)項目設(shè)計規(guī)劃采用三維模型搭建，運用交互教學的方式進行框架設(shè)計，主要分為以下三個方面：采用平面或者三維的形式先對整個工藝流程進行分析;采用三維交互設(shè)計的方式，對生產(chǎn)線的主要工作方式或者內(nèi)部工作原理進行全方位，三維模擬形式的展現(xiàn)，并且設(shè)置不同的配方，比對產(chǎn)出物的不同，讓學生在實驗過程中更加明白設(shè)備的工作原理;產(chǎn)物的加工利用包括固體、液體、氣體，每種產(chǎn)出物都有各自對應的一整套深加工設(shè)備及利用工藝流程。

3生物質(zhì)熱解專業(yè)實踐教學內(nèi)容建設(shè)

實踐教學是本專業(yè)的重要教學環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)實踐型人才的重要方式，通過生產(chǎn)實踐實習，使學生參與生產(chǎn)企業(yè)的實際生產(chǎn)管理過程中，從而深化對生物質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)工藝相關(guān)生產(chǎn)、加工等領(lǐng)域的實際應用的掌握。實踐實習基地充分利用企業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)營的軟硬件資源，著力培養(yǎng)學生專業(yè)技能與職業(yè)素質(zhì)。通過以下方式建設(shè)對口穩(wěn)定的實踐教學基地：

（1）建立實踐基地合作制度。實踐實習基地的建立應有利于促進學校與基地資源共享、互惠互利、共同發(fā)展。實踐實習基地具備實習條件和管理環(huán)境，能幫助解決實習學生所需的食宿、勞動保護和衛(wèi)生等條件，使學生能有效地參與實踐活動，順利完成實踐教學計劃要求相對穩(wěn)定，每學期或每學年有固定專業(yè)的學生進行實習。

（2）建立實踐實習教學計劃。建立好實習計劃、實習大綱和實習指導書等材料，與基地有關(guān)人員共商實習措施，培訓指導老師，熟悉實習基地的各項工藝流程，校企及學生共同簽訂《實踐實習協(xié)議書》。根據(jù)生產(chǎn)實際，合理安排學生的實習崗位和工作，并按照《實踐實習協(xié)議書》做好學生的實習管理工作，確保學生實踐實習的順利完成。

（3）建立發(fā)展機制。教師在基地可以根據(jù)生產(chǎn)實際的需要進行科研工作，在科研工作中培養(yǎng)人才，使人才服務(wù)于科研，同時科研成果又將豐富教學內(nèi)容，這樣的教學更能吸引學生;學生可以在基地進行實習，將專業(yè)理論運用于實際，同時生產(chǎn)實際的需要能夠激發(fā)學生的求知欲和責任感，促使其主動完成專業(yè)知識的學習和專業(yè)技能的訓練。建立長期發(fā)展的實習基地，可以實現(xiàn)教學、科研及生產(chǎn)的相互促進和發(fā)展，意義重大。

4結(jié)語

生物質(zhì)熱解技術(shù)是生物質(zhì)能源化利用的重要方向，通過專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學和綜合性設(shè)計性實驗的強化，結(jié)合科研成果轉(zhuǎn)化實驗、虛擬仿真實驗、實習實踐教學，提高學生的分析計算和實驗操作能力，系統(tǒng)培養(yǎng)了創(chuàng)新實踐能力的系統(tǒng)化培養(yǎng)，同時通過生物質(zhì)熱解相關(guān)的實驗課程教材配套教學，結(jié)合前沿的知識和學科發(fā)展動態(tài)，強化實驗教學與科學研究的緊密結(jié)合，從科研項目中提煉更多具有工程應用背景的專業(yè)實驗，為我國的生物質(zhì)熱解技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展提供創(chuàng)新實踐型人才支持。

（通訊作者：周建斌）

作者簡介：馬歡歡（1989-），男，安徽宿州人，碩士，南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，實驗師，從事生物質(zhì)熱解研究與教學;通訊作者：周建斌（1965-），男，教授/博導，從事生物質(zhì)能源科研教學與產(chǎn)業(yè)化。

參考文獻

[1] 周建斌.生物質(zhì)能源工程與技術(shù)[M].北京：中國林業(yè)出版社， 2011.

[2] 朱錫鋒.生物質(zhì)熱解原理與技術(shù)[M].合肥：中國科學技術(shù)大學出版社， 2006.

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