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2019 年“课程思政”示范课程典型优秀案例九:新能源与燃料乙醇发酵

作者: 来源: 发布日期:2020-12-22 浏览次数:

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能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题,对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。关于我国的能源战略,习总书记早就提出:推动能源消费革命,抑制不合理能源消费;推动能源供给革命,建立多元供应体系;推动能源技术革命,带动产业升级;推动能源体制革命,打通能源发展快车道;全方位加强国际合作,实现开放条件下能源安全。通过“巴黎协定”中国和美国态度的对比,展现我国的大国担当,也说明我国发展不以破坏环境为代价。从非燃料型能源的电力行业发展,以及燃料型能源的车用燃料看新能源的发展,使学生充分认识到我国新能源发展的成果和趋势,激发学生的爱国主义热情。通过学生翻转课堂介绍某种新能源,以及教师讲授燃料乙醇发酵原理和工艺,丰富学生知识,开阔学生视野,培养学生对生物能源方面的兴趣和热情。

一、教学目标

(一)课程教学目标

本部分内容位于课程第十一章发酵工程在新型能源和环境保护方面的应用第一节乙醇的发酵。课程的教学目标包括:1、了解我国新能源行业的发展,尤其是燃料乙醇行业的现状和发展历程;2、掌握燃料乙醇的淀粉质原料发酵工艺。

(二)思政育人目标

1.设计思路

首先介绍我国新能源发展的大背景,据预计,石油资源将在2050年左右枯竭,风能、太阳能等正在快速发展,可以充分调动学生积极性,进行互动,让学生介绍身边所见所闻的新能源,比如坐在高铁上看到的巨大的风力发电机,比如正在进入千家万户的新能源汽车等,引发学生兴趣;然后有选了这个题目的小组进行演讲,进一步增加感性认识。教师以一个新型燃料乙醇企业建成投产为切入点,介绍本节重点的燃料乙醇行业的发展,最后讲授其发酵工艺的理论知识。总结后提出思考题让学生课下进一步学习。

2.思政育人目标

我国是世界能源消耗第三大国,随着生产力的迅速发展,能源消耗量也在不断增加,其中,石油、煤炭的消耗占据极大比例,但随着近年来全球气候逐渐变暖,石油资源的日益枯竭,新型能源的开发显得极为迫切。本节课介绍我国新能源的发展,介绍燃料乙醇行业的发展,介绍相关的政策,引入采用冶金废气生产燃料乙醇的企业的案例,这些工作的目的就是一个,希望能让学生了解我国能源产业的现状和发展趋势,引起学生兴趣,培养其社会责任感,进而培养其家国情怀和投身相关生产和科研事业的决心。

3.育人主题

社会责任、家国情怀,培养学生对新能源领域尤其是生物能源领域的兴趣。

二、教学实施过程

1、教学理念

本节课主要的教学理念就是设法“带领同学走出去”,即走出课堂知识,走出书本限制,了解社会生产大环境、大形势。古语云,读万卷书,行万里路。作为当代大学生,不能两耳不闻窗外事,一心只读圣贤书。让学生明白,学习不只是为了分数、升学、就业而已,更重要的是学好本领、报效祖国。所以不能把学校当做象牙塔,要放开眼界,要了解中国,了解世界。只有这样,学习才有目标,才有动力。

2、教学方法

教学方法方面,主要采用了翻转课堂和比较教学的方法,翻转课堂的具体形式就是让学生根据本节的主题:生物能源,课下查阅资料准备一个题目,课上分组进行演讲,让后讨论点评等。通过这个方法,学生在准备过程中亲身参与,印象深刻,而听其他组演讲也开阔了视野。比较教学法主要是授课内容的某些部分与课程其他部分有类似的内容,因此通过回忆比较让学生更加清楚理论知识。

本节课按照课前、课上、课后三个阶段实施:课前主体是学生,搜集资料,准备PPT;课中学生教师都参与,学生先演讲,再讨论和点评,最后教师按照课程设计引入思政元素,讲解理论知识;课后学生完成思考题,撰写心得。

3、教学创新

本课程教学的创新主要是将雨课堂应用于课堂上并与翻转课堂相结合。学生演讲后,可以方便通过雨课堂与教师交流,而教师也很方便随时在课堂上用雨课堂提问点名,以及推送各类问题、思考题,学生可以立刻作答。雨课堂自动批改并统计,教师可以立刻有针对进行讲解。

4、主要教学内容

一、新能源与生物能源

能源亦称能量资源或能源资源,是指可产生各种能量(如热量、电能、光能和机械能等)或可作功的物质的统称,包括能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源,包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源,以及其他新能源和可再生能源。新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源,如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。

关于“巴黎协定”:2020年12月12日,在“巴黎协定”峰会上,作为全球第一大温室气体排放国家,中国做出承诺在2030年将国内二氧化碳排放量比2005年减少65%以上。这一承诺被西方媒体普遍称赞。形成鲜明对比的是,美国却因为特朗普政府推出“巴黎协定”而缺席了会议。要知道,美国可是世界上第二大温室气体排放国家。

从非燃料型能源的电力行业发展看新能源的发展:2010到2019年的变化,详细数据见教案。引入习总书记提出的“四个革命、一个合作”能源安全战略,说明我国发展新能源的决心。

二、燃料乙醇行业兴衰起伏

另一个重要领域,燃料型能源领域,从一个重要行业车用燃料角度分析,看新能源行业的发展。重点分析燃料乙醇行业的发展,详见教案。( 这是本节第一个重点,旨在让学生了解我国新能源产业的发展情况和政策 )

此处引入国家2017年出台的“关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案”,以及今年的一则以一氧化碳工业尾气为原料的燃料乙醇企业建成投产新闻为切入点,让学生全面认识我国燃料乙醇行业发展的历史和现状,让学生分析该行业现在的特点和形成原因。

三、乙醇发酵的原料和菌种

1、乙醇的工业用途

乙醇是重要的轻化工原料,也是酒精饮料的基本成分,从长远看又是一种重要的能源。乙醇工业原料乙醇的用途很广,可以用于:溶剂;有机合成;各种化合物的结晶;洗涤剂;萃取剂;燃料等等。

2、乙醇发酵原料

常用的或具有潜在能力的原料有淀粉质原料(主要原料。我国发酵乙醇的80%是用淀粉质原料生产的,其中以甘薯等薯类为原料的约占45%,玉米等谷物为原料的约占35%)、糖质原料(常用的糖质原料有糖蜜、蔗糖、甜菜和甜高粱等)和纤维质原料等。

3、乙醇发酵微生物

与乙醇发酵有关的微生物主要有糖化菌和乙醇发酵微生物两大类。(1)糖化菌。在实际生产中主要用的是曲霉和根霉。(2)乙醇发酵微生物。许多微生物都能利用己糖进行乙醇发酵,但在实际生产中用于乙醇发酵的几乎全是酒精酵母,俗称酒母( Saccharomyces cerevisiae )。

四、乙醇发酵生化机制

1、淀粉质原料的水解

注意此部分通过互动让学生回忆第四章培养基最后一节淀粉原料的预处理,是本节这部分内容的细化 。

2、纤维素原料的水解

根据采用的方法不同可将纤维素的水解方法分成三种,即稀酸水解法、浓酸水解法和酶水解法。酶水解采用的酶是纤维素酶,它是一种复合酶类,故又称纤维素酶复合物。

3、酵母菌乙醇发酵途径

此部分通过互动让学生回忆第三章第二节糖代谢产物的厌氧发酵机制中乙醇的发酵机制。

五、乙醇发酵工艺

1、淀粉原料乙醇发酵工艺

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这是本节教学内容的 第二个重点 。各个步骤的细节参见教案。

同时采用比较教学法让学生分析与同为酒精发酵产物的中国白酒发酵的工艺的异同和原因。

2、糖质原料的乙醇发酵工艺

相对与淀粉原料发酵工艺,因为原料不必糖化,因此较简单。

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3、纤维素原料的乙醇发酵工艺

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主要工艺有:(1)水解发酵两步法;(2)同时糖化发酵法;(3)固定化细胞发酵工艺等。此处强调,纤维素原料的乙醇发酵虽然可以“变废为宝”,但是目前成本无法降低,很难与淀粉乙醇竞争。也让同学课下了解一些世界著名的纤维素酶生产商,如诺维信等。

六、乙醇蒸馏工艺

学生课下阅读内容。

三、教学效果

(一)案例开展的意义和价值

发酵工程虽然是一门工科课程,但是作为理科的生物技术专业却可以从中吸取很多养分。再好的实验室成果也只有应用到社会大生产中才能发挥其经济价值和社会价值。从这点上说,这也是本课程思政各案例教学的推广价值。

能源是关系国计民生的大事,对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。在“国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标”对能源发展都有明确的目标。在燃料型能源领域,燃料乙醇占有重要地位,了解其发酵生产工艺很有价值。这其中还有很多问题需要解决,比如降低成本,纤维素原料发酵工艺的改进等,本案例教学有利于鼓励和激发学生今后从事进行相关的科研工作。

(二) 主要成效和特色

通过课下自己亲自搜集资料和课上听其他组介绍各种各样的新能源,比如燃料电池等,学生反映开阔了视野,对新能源、燃料乙醇等行业有了一定的认识,对国家能源方面的政策和未来的发展规划也有了一定的了解,也了解了燃料乙醇的发酵生产方法,知识上也有收获。详见网站问卷调查结果。

四、案例反思

在本案例教学中遇到的主要问题是,学生对能源类型的概念比较混淆,不知道有燃料型和非燃料型的划分,不知道什么是新能源,什么是传统能源。这主要是由于这些概念在快速变化所致。比如生物能源,其实在两种能源类型中都存在,比如非燃料型能源的生物质能发电,燃料型能源的燃料乙醇。在以后的教学中可以适当增加这部分知识的介绍。但是总的来说,学生还是很感兴趣的,相比于本课程关于农业方面的两个题目,学生兴趣更大。



编辑:房春红

终审:姜在民

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