摩尔电导率测定实验的综合设计及教学模式探索

苗荣荣，陈佰满，赵鸿斌，李超，宋金刚

（东莞理工学院，化学工程与能源技术学院，广东 东莞 523808）

2030 年前实现“碳达峰”、2060 年前实现“碳中和”是我国发展绿色经济的标志性目标，在此“双碳”背景下，新能源行业迎来急速发展期，对电化学相关专业人才的需求量持续增长，有些新能源企业甚至面临“用工荒”困境［1］。目前我国高校的电化学专业设置和人才培养赶不上新能源产业的发展速度，而且新能源行业对电化学人才的需求是多方位、多层次的［2，3］。因此，为缓解这种人才供应与市场需求的不平衡，提高电化学专业人才在专业岗位的综合竞争力，迫切需要把与学科发展前沿和实际应用接轨的综合设计型实验项目纳入到教学中［4］，充分挖掘学生的创新性、提高学生的主体地位和动手能力，培养基础理论扎实、创新精神好、实践能力强、综合素质高的高级应用型人才。

1 摩尔电导率测定实验综合性设计的意义

摩尔电导率是学生认识第二类导体——离子导体的重要媒介，也是构建电化学装置的重要组成部分，该参数应用范围广泛，可用于间接测定电解质的解离度、解离平衡常数、溶度积常数等物理量及废水处理检测［5，6］，是非常重要的电化学参数之一。摩尔电导率的测定属于电化学基础实验部分内容，3 个学时完成，该实验对理解和设计电池体系中电解质溶液、开发有机体系电镀液、腐蚀防护及电催化等具有重要先行指导意义［7，8］。此外，该实验内容是新能源战略性行业的重要理论基础，更容易与科技前沿和市场热点对接，学生兴趣度大，更容易提高学生参与度和课堂活跃度，对其进行拓展和综合设计具有重要的现实意义。

但摩尔电导率的测定实验在传统教学模式下仍存在如下问题［9］：（1）该实验以验证性内容为主，缺乏综合性和拓展性，与科技前沿知识的衔接性不足。（2）预习流于形式，不能充分为课堂服务。大部分同学仅通过教材或讲义抄写实验原理和操作步骤，对于仪器和操作认知模糊，导致课堂上看一遍教师演示后不能完全理解，实验过程中，只会按步操作，对每一步实施的原因不明白，导致大部分时间仅忙于应对操作上的问题，缺乏更深入的思考和对实验的设计，不能把理论知识和实验内容有机融合起来，无法培养学生综合能力及挖掘学生创新性。（3）实验内容缺乏设计点，实验过程中不同实验组的实验内容和结果一成不变，学生操作参与度与认真度不足，团队协作性也无法体现。（4）缺乏实验总结和讨论环节，对知识点的凝练和创新性思考不足，学生自主性和主体地位无法充分发挥；（5）缺乏全过程可量化的评价机制，无法依据成绩针对性改善。

因此，针对上述问题，在保留现有基础性、验证性实验内容的基础上，逐级拓展，提高实验设计性、综合性，引入科技前沿知识，增加可研究性、挑战性和趣味性，形成逐级提高的综合实验教学体系，对提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，培养学生逻辑思维能力、工程思维方法、独立思考及创新意识具有举足轻重的作用。

2 摩尔电导率测定实验的综合性设计

2.1 实验目的

本实验的主要教学目标是提高学生对电化学基础知识的实践和综合应用能力，具体包括测量电解质溶液的摩尔电导率，并计算弱电解质溶液的电离常数；拓展非水体系电解质溶液摩尔电导率及极限摩尔电导率的测定。

2.2 综合实验的设计与实施

2.2.1 综合实验设计思路与背景

鉴于电化学实验课时量有限、实验内容多及数据处理复杂的特点，对其综合性实验设计既不能是基础实验的重复，又要有别于科学研究或毕业论文，应是在基础实验基础上的一种拓展和综合运用，在充分挖掘基础实验本身的拓展点并掌握基本实验技能基础上，融入科技前沿相关拓展内容，增加课时量（4 个学时），并设计实验方法，引导学生独立思考，培养学生的综合应用能力。

2.2.2 实验设计与实施

基础实验部分摩尔电导率（Λm）的重要应用之一是求弱电解质溶液的电离平衡常数。对于一个AB 型弱电解质，如醋酸（HAc）溶液而言，当其在一定温度下达到电离平衡时，若初始浓度为c，则该温度下的标准平衡常数与摩尔电导率的关系如式（1）和（2）所示［10-11］：

图1 电导率测定装置图Fig.1 Device diagram of conductivity measurement

根据上述实验原理及过程，在该实验内容基础上增设如下设计点：

（1）探讨初始浓度对摩尔电导率及电离平衡常数的影响规律。原有基础实验是在固定的初始浓度基础上进行逐步稀释获得不同浓度溶液的电导率，从而得到HAc 的解离平衡常数。可对不同组学生设置不同的初始浓度，提高实验数据的多样性。引导学生纵观全局，对比不同组别实验结果，探讨a）不同初始浓度时摩尔电导率随浓度变化关系；b）结合化学平衡理论知识，讨论标准平衡常数与初始浓度关系。

（2）探讨温度对解离平衡常数的影响规律。原基础实验所有实验组都是在相同温度下进行测定。可在相同初始浓度组别中设定不同测试温度，探讨温度对平衡常数的影响，并将实验结果与范特霍夫等压方程进行对比分析。

（1）采用新能源热点领域锂离子二次电池中所采用的常规电解液为测试对象，即采用碳酸乙烯酯（EC）及碳酸二甲酯（DMC）的混合溶液为有机溶剂（体积比为1∶1），六氟磷酸锂（LiFP6）为电解质，根据强电解质的Λm和c遵循柯尔劳施（Kohlrausch）［12］关系式其中Λm和呈线性关系，将浓度外推至c=0 处即可求得的基本原理。引导学生查阅文献了解该电解液的特性，结合基础实验中电导率仪的使用方法和注意事项，拟定实验步骤，探索LiFP6电解质电导率随浓度的变化关系测得其极限摩尔电导率。

（2）围绕前沿研究成果设计实验，将高比能量金属锂基二次电池体系中，能够有效抑制金属锂枝晶的新型高浓度电解液应用于本实验［20］。即将7 mol/L 双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）溶解于乙二醇二甲醚DME 溶剂中获得高浓度电解液体系［21］，测试不同浓度时电导率随浓度的变化关系及LiFSI 的并与常规电解液体系参数对比，深度探究溶剂化作用，并使学生更直观了解电化学发展趋势。

（3）介绍离子液体这种新型的非溶剂类离子导体［22-24］，引导学生查阅文献了解其导电原理，将科研实验室试剂与公共实验室试剂结合，让学生测定其电导率并与有机体系电导率值进行比较，开拓视野，并观察上述几种不同体系电导率变化，讨论可能原因，提出电解液设计的思路。

3 实验教学模式改革与探索

为提高实验的综合性和实践性，以摩尔电导率的测定综合性实验为例，优化并设计了如图2 所示的教学过程。

图2 实验教学过程设计Fig.2 Design of experimental teaching process

3.1 线上预习模式探索

实验前的预习通过线上开展，提高效率。教师和学生各自完成角色内容，根据预习进程包含如下环节：教师发布任务→学生预习→学生提交预习报告→师生互动→教师反馈。

教师依托“优学院”网络教学平台，发布实验名称、基础实验内容、综合拓展内容及实验目的；上传实验仪器操作方法视频，并将学习后台数据作为学生预习成绩评价依据之一；发布与拓展实验相关的科技前沿知识点学习任务（如锂离子电池电解液分类、组成、不同组分作用、离子液体化学成分、导电机理等）。学生组建实验团队，预习实验原理，学习视频提前熟悉仪器操作方法和注意点，并根据教师线上发布的教学任务进行相关文献检索、阅读和归纳整理，设计拟定实验方案，撰写并线上提交预习报告（包括预习资料整理总结内容及拓展实验方案设计）。对于预习报告的反馈环节，首先进行学生线上互评，学生互查实验方案漏洞，通过互相阅读不同组学生收集的文献资料，扩大资料库，为实验做充分前期准备。学生自查并完善预习报告后，对于不确定或有争议的内容与老师讨论，最后教师检查实验细节、批阅评分并确定实验设计方案。

3.2 “学生主动、教师导向”型实验教学模式改革

（1）创新性地将“翻转课堂”应用于实验教学中，提高学生对实验仪器的掌握程度。对基础实验部分随机邀请一位学生进行课堂操作演示，学生和老师共同找出操作的易错点以及关键控制点，加强学生主体地位的同时检验学生对预习操作部分的学习效果，充分发挥预习的作用，为后续综合实验操作和讨论留出更多的课堂时间。

（2）引导式实验教学，鱼骨图因果分析法培养。整个实验过程中，教师从“讲授”角色转变为“引导”角色，尊重学生主体地位。对于团队出现的疑问，引导学生学习使用“鱼骨”图的因果分析方法（以摩尔电导率测定实验误差分析为例，如图3 所示），层层递进，逐步深入的引导学生共同探讨寻找答案。该方法能够简洁直观地展示问题分析与解决思路，有效找到引发问题的根本原因，提高学生全面分析问题及深度分析问题能力。此外，教师在实验过程中关注学生实验习惯的养成，如实验记录的完整性、真实性、条理性，注重实验现象的观察与思考，为后续毕业设计及科研工作做准备。

图3 误差分析“鱼骨”示意图Fig.3 Schematic diagram of"fish bone"error analysis

3.3 实验讨论总结

实验讨论分为线下师生共讨论及总结沉淀两部分；线下讨论时，请学生分享实验过程中团队成员的具体分工及协作完成实验内容的详细过程。包括实验过程中遇到的问题、本组解决方案和思路、易错点汇总等。这些都是来自于学生自己的案例分析，更容易引起共鸣。教师讲解与拓展实验内容相关的科技前沿知识，拓宽学生思路。

总结沉淀部分，鼓励学生撰写科研论文式实验总结，线上提交，并评选出优秀总结案例，在线上教学平台展示学习。作为传统实验报告的一种补充，这种科研论文式实验总结包含标题、摘要、关键词、前言、实验部分、结果与讨论及展望几大部分。摘要部分的撰写能够培养学生概括总结及提炼重点的能力；前言部分考察了学生对相关背景知识的前期调研总结、实验关键控制点的理解及本实验的设计思路；实验部分包含了具体的实验方案和数据处理过程。结果与讨论部分是对采用什么方法，得到什么直接结论、间接结论和推论的一种表达，鼓励不同实验组之间进行探讨和数据共享，分析不同条件对测试结果的影响，锻炼学生对数据的挖掘分析能力和归纳总结能力；展望部分包含了学生对本实验的体会、建议以及该部分知识或测试方法在其他领域的应用探索。

3.4 量化考核体系构建

以学生综合应用能力培养为导向，设定如表1所示的教学目标。

表1 实验教学课程目标Tab.1 Experimental teaching objectives

围绕上述教学目标，以全过程考核替代传统的结果性考核，构建贯穿整个学与教过程的量化考核模型，对实验进行全面、多样和灵活的考核。细化成绩构成和评定标准，具体如表2 所示。根据每一个对应目标下的学生成绩，进行课程目标达成度的可量化计算，即用每个教学环节学生取得的成绩乘以相应的支撑权重，除以该教学环节的累计设定分数，得到课程目标的达成度评价值。第i个课程目标达成度评价值Di的可量化计算方法如下式所示：

表2 实验成绩量化考核模型及评定标准Tab.2 Quantitative assessment and evaluation standard

当Di＜0.75，认为该目标未达成；当Di≥0.75，认为该目标达成；当0.75 ＜Di＜0.85，认为该目标为中等；当Di≥0.85，该目标为优秀。

上述可量化评价模式的建立及目标达成度的可量化计算，有助于实现“全程监控”的考核理念，并精准定位学生的薄弱环节，针对性改善。而且，考核过程加入了学生互评环节，提高了学生成绩的公平合理性和区分度。

3.5 实践效果

图4 为本校2020 至2021 学年第一学期应用化学专业共计51 名学生采用量化评价方式下的实验成绩直方图及课程目标达成度直方图。由图可知，学生成绩呈正态分布，其中课程目标4：融会贯通，综合应用能力的评价值为0.71，低于0.75 的目标期望值，但超过了0.6 的及格线，说明该教学目标的培养较为薄弱，需要在后续教学过程中有针对性的强化改进。该量化评价模型还可根据实际教学反馈及实操性不断进行优化调整，以实现在整个基础实验课程的推广。

图4 量化评价方式下学生成绩分布图（a）及对应课程目标达成度直方图（b）Fig.4 Distribution chart of students' scores under quantitative evaluation（a）and achievement degree of corresponding course objectives（b）

4 结论

通过对摩尔电导率测定实验的综合设计，突破了枯燥的学习模式，从增加变量设计因素、独立设计关联实验、创新性的与新能源热点领域相结合等方面，多维度，多层次的设计实验内容，并优化教学过程，提出线上预习、实验翻转课堂、“鱼骨图”引导教学、实验讨论、科研式实验总结、可量化评价模型等教学改革举措，建立教学闭环，有效提高了学生学习的自主性，增强了对电化学理论知识和基本实验技能的融会贯通和综合应用能力，强化了学生的团队意识和创新探索精神，拓展了学生的学科视野，为新工科背景下，创新型、复合型和应用型人才的培养奠定了重要的学科基础。