吝彦楠同学在《化学教育》发表论文：绿色电化学储能器件超级电容器的实验设计与实践

将实验教学融入到化学教学中，可以有效引导学生围绕实验原理、实验装置、操作步骤等内容，开展探索、理解和辨析，进行化学素养和化学思维训练。电化学能源转化与储存器件相关实验的建立，有助于帮助学生了解新型清洁能源，建立可持续发展理念和绿色化学意识。

 伴随着社会的发展和人类的进步，对能源的需求越来越大，日益严峻的能源问题已经成为亟待解决的世界性难题。人们致力于寻求新能源的有效利用方式。目前，电化学能源转化与储存材料与器件等相关技术是驱动这些能源转化途径的关键方法，例如超级电容器、二次电池、燃料电池、混合储能器件等，被认为是开发高效清洁能源的理想途径。

石河子大学化学化工学院杨金凤课题组以学科教学（化学）专业硕士点为基础，依托绿色化工过程重点实验室，开展了电化学转化与储能器件的实验设计等，帮助学生了解新型清洁能源，建立可持续发展理念和绿色化学意识。

近日，该课题组以教育部《基础教育课程改革纲要（实行）》为指导，设计以素养为本的实验（图1），对比了两种双电层电容器和赝电容器的储能机理（图2）。通过实验数据绘制循环伏安曲线图和计算二者比电容、能量密度、功率密度等，进一步得出储能机理决定性能指标不同的结论（图3）。该实验在石河子市第一中学得以实践，结果表明：电化学基础和科学研究的成功联通，让学生对电化学概念和原理有了更深刻的理解，并获得关于清洁能源储存器件的实践经验，同时也增强了学生的绿色化学素养。相关工作以“绿色电化学储能器件超级电容器的实验设计与实践”为题，在北大中文核刊《化学教育》上发表。《化学教育》是由中国科学技术协主管，中国化学会、北京师范大学主办的国家级化学教育类学术期刊，主编刘正平教授。论文作者依次为硕士研究生吝彦楠，于锋副教授（化学化工学院）、尹智敏（石河子市第一中学）和杨金凤副教授（化学化工学院）。

图1电化学储能器件超级电容器的实验设计思路。

图2（a）双电层电容器和（b）赝电容器的工作原理。

图3 (a)双电层电容器、(b)法拉按赝电容和(c)电池的循环伏安曲线

与此同时，该课题组还考察了不同电解液对超级电容器性能的影响，设计了双电层电容器的拓展实验（图4），包括理论知识的学习、双电层电容器的组装、电化学性能的测试等。通过该实验可以让学生充分了解双电层电容器的电化学储能机理，拓展学生的第二课堂，激发化学学习兴趣，建立绿色化学意识（图5）。相关工作以“Design of an Extended Experiment with Electrical Double Layer Capacitors: Electrochemical Energy Storage Devices in Green Chemistry”为题在SSCI期刊《Sustainability》上发表。论文作者依次为硕士研究生吝彦楠、赵红霞教授（师范学院）、于锋副教授（化学化工学院）和杨金凤副教授（化学化工学院）。

图4 双电层电容器工作原理和实物示意图。

图5 双电层电容器的实验设计。

此外，该课题组还相继开展了实验教学案例设计、趣味实验探索、翻转课堂研究、绿色化学设计实验等相关研究内容，将实验教学融入化学教学中。相关工作主要围绕实验的三个主体内容：实验原理、实验装置、操作步骤来引导学生展开思维活动。同时，教师可以在化学实验教学过程中引导学生围绕对上述三个主题内容的探索、理解和辨析，自始至终渗透着思维训练活动。

例如，以实验化学教学中的硫酸亚铁铵的制备为基础，进行了《"实验化学"翻转课堂教学案例设计》（化学教育, 2018, 39(6):22-26.），如图6所示；基于化学显色反应和硫酸脱水性能等，设计了《几种显色反应的化学趣味实验》（化学教与学, 2017, (12): 79-80,68.）；开展了《基于PBL导学案的实验化学翻转课堂教学研究与实践》（化学教育, 2018, 39(16):40-44.）

图6 硫酸亚铁铵制备实验的思维导图。

相关研究工作得到了教育部在线教育研究中心在线教育研究基金（全通教育）项目（No. 2017YB149）和石河子大学教学改革混合学习（No. BL2016004）资金的支持。