王秋芬， 張會菊， 范云場， 繆 娟， 陳玉梅

（河南理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南 焦作 454003）

0 引 言

大學(xué)化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)是化學(xué)、化工和材料類高年級學(xué)生的必修課［1-2］，它突出強(qiáng)調(diào)學(xué)生對所學(xué)化學(xué)知識和化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能的綜合應(yīng)用。通過一種材料的制備、表征、性能測試和分析討論等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自主化、個性化和創(chuàng)造性發(fā)展人才的培養(yǎng)目標(biāo)，符合新工科人才的培養(yǎng)要求。但是由于一些中大型設(shè)備有限以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間和條件的限制，不能滿足每位學(xué)生操作的需求，從而制約了他們創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。因此，大學(xué)化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革迫在眉睫。

2020 年的新冠肺炎疫情，改變了人們的生活，也打破了原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，廣大教師嘗試運(yùn)用QQ、視頻和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等多種形式進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)效果顯著。教育部高等教育司司長吳巖指出［3］，融合了“互聯(lián)網(wǎng)+”和“智能+”技術(shù)的在線教學(xué)已經(jīng)成為國內(nèi)外高等教育的重要發(fā)展方向。要加快在線教學(xué)從“新鮮感”向“新常態(tài)”轉(zhuǎn)變。未來，傳統(tǒng)意義上的課堂教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)融入的在線教學(xué)將長期共存并深度融合。這種融合將從物理變化走向化學(xué)變化，從而生成線上、線下及混合式教學(xué)等新的教育形態(tài)和新的人才培養(yǎng)模式［4］。據(jù)統(tǒng)計，超過80%的教師愿意開展在線教學(xué)或混合式教學(xué)［5-6］。

目前，鋰離子電池在各類電子產(chǎn)品及儲能領(lǐng)域顯示了巨大潛力［7］，鋰離子電池廠家應(yīng)運(yùn)而生并迅猛發(fā)展，從而造成專業(yè)人才缺乏。所以，本文以社會需求度高的鋰離子電池為研究對象，以電極材料SnS2的制備及儲鋰性能研究為例，依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺將材料的制備過程、線下實(shí)驗(yàn)中的危險性操作過程和精密貴重儀器的操作過程仿真呈現(xiàn)；將可節(jié)省實(shí)際操作時間的真空干燥和性能測試等錄制視頻，而后進(jìn)行實(shí)際操作。這種通過把長學(xué)時的綜合實(shí)驗(yàn)分解為多個短學(xué)時，采用不同的教學(xué)模式進(jìn)行的教學(xué)稱為碎片化教學(xué)［8］。此模式既節(jié)省實(shí)驗(yàn)時間，又能開拓學(xué)生的知識面和調(diào)動他們的主觀能動性，還能夠提高學(xué)生線下實(shí)際操作效率和成功率，從而培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的專業(yè)實(shí)踐能力和跨學(xué)科交叉復(fù)合的跨界實(shí)踐能力［9-10］，符合當(dāng)今時代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的宗旨［11-12］。

我校能源化工專業(yè)大三學(xué)生已采用碎片化教學(xué)進(jìn)行了“SnS2材料的制備及儲鋰性能研究”綜合實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果顯著，深受學(xué)生的喜愛。

1 實(shí)驗(yàn)原理與教學(xué)方案設(shè)計

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)是為了讓學(xué)生掌握水熱法制備SnS2的基本原理；熟悉電極片的制作工藝和扣式鋰離子電池的組裝流程；了解充放電測試儀的使用；學(xué)會運(yùn)用origin等軟件處理數(shù)據(jù)并應(yīng)用電化學(xué)理論進(jìn)行分析。

（1）水熱法制備SnS2的基本原理。以四氯化錫（SnCl4·5H2O）為錫源，硫代乙酰胺（CH3CSNH2）為硫源，以十六烷基三甲基溴化銨（C19H42BrN）為表面活性劑，采用乙醇的水溶液作為溶劑，在水熱反應(yīng)條件下制備SnS2，其主要反應(yīng)過程如下：

在酸性溶液中

（2）鋰離子電池的充放電反應(yīng)原理。以SnS2為正極、鋰片為負(fù)極的鋰離子電池充放電反應(yīng)原理［14］為：當(dāng)首次放電時，Li失電子，同時Li+脫出進(jìn)入SnS2，生成Li2S和Sn納米粒子：

當(dāng)充電時，LixSn失去電子流入外電源正極，同時生成的Li+由電解液到負(fù)極即LixSn 的去合金化。在隨后放充電循環(huán)中，進(jìn)行LixSn 的去合金化和合金化的可逆反應(yīng)。

1.2 教學(xué)方案設(shè)計

（1）單一線下教學(xué)的弊端。①綜合實(shí)驗(yàn)普遍存在實(shí)驗(yàn)課時不足的情況。譬如，采用水熱法制備SnS2

的水熱反應(yīng)需要12 h；電極材料的制作過程中，極片真空干燥需要時間為10 ～12 h；扣式電池組裝好后需要靜置10 ～12 h；電池性能測試耗時較長。②某些材料，如水熱反應(yīng)的中間產(chǎn)物H2S 的毒性較大，影響學(xué)生的身體健康。③涂膜到組裝電池失敗率較高。從涂膜到組裝為合格的扣式電池，與操作熟練程度密切相關(guān)。因此，只采用線下完成一項(xiàng)綜合實(shí)驗(yàn)，效果不太理想，影響了學(xué)生的積極性。

（2）實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計。為了解決單一線下教學(xué)存在的問題，制定本實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)分為3 個片段。①采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行水熱法制備SnS2材料；②

錄制電極片的制作和扣式鋰離子電池的組裝及儲鋰性能測試等教學(xué)視頻；③以前期制備的SnS2為活性物質(zhì)進(jìn)行電極片的制作、扣式鋰離子電池的組裝和SnS2儲鋰性能測試實(shí)際操作及數(shù)據(jù)處理。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

2.1 水熱法制備SnS2 材料

采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺完成水熱法制備SnS2及其結(jié)構(gòu)表征。由于初次使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，教師首先在QQ群上采用分享屏幕方式直播講解虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的使用方法，并詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)的基本原理、操作步驟和完成實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)等，使學(xué)生有一直觀認(rèn)識。其后學(xué)生在“演示”模塊下反復(fù)練習(xí)直至操作熟練，并在“考試”模塊下操作，完成實(shí)驗(yàn)，平臺給出此部分實(shí)驗(yàn)的成績。

2.2 SnS2 電極片的制備和扣式電池的組裝

錄制電極片的制作和扣式鋰離子電池組裝的工藝流程教學(xué)視頻，在實(shí)驗(yàn)前發(fā)布給學(xué)生，學(xué)生可以利用課余片段時間隨時觀看，反復(fù)學(xué)習(xí)。要求學(xué)生繪制電極片制作和電池組裝的工藝流程示意圖并敘述之。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，教師以提問或小組討論形式，鼓勵他們積極發(fā)言，檢查學(xué)生課下學(xué)習(xí)效果，而后按照電極片的制作和扣式電池的組裝流程進(jìn)行實(shí)際操作。

2.3 SnS2 儲鋰性能測試

學(xué)生在課余時間觀看充放電測試儀的使用方法視頻的基礎(chǔ)上，進(jìn)行SnS2儲鋰性能（材料應(yīng)用于鋰離子電池中的充放電性能）測試實(shí)際操作。儲鋰性能一般指材料應(yīng)用于鋰離子電池中的充放電性能。為了檢查學(xué)生觀看視頻的效果，先讓學(xué)生自述充放電測試儀的工作原理。教師再演示充放電性能測試的設(shè)置步驟，分析充放電曲線的數(shù)據(jù)，講解軟件的使用方法。鼓勵學(xué)生進(jìn)行不同電流密度下的間斷和連續(xù)設(shè)置操作。

3 教學(xué)效果與評價

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

（1）學(xué)生利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺基本掌握了SnS2的制備流程。能夠根據(jù)操作步驟，繪制其工藝流程示意圖（見圖1），并能夠簡要敘述其制備過程：把40 mmol硫代乙酰銨加入到0.5 g 表面活性劑和20 mmol結(jié)晶四氯化錫的醇水溶液中，混合均勻后放入200 mL水熱釜中，在烘箱中以180 °C 保溫12 h。等反應(yīng)釜自然冷卻后，將黃色液體過濾和離心洗滌數(shù)次，而后干燥得到黃色的SnS2粉體。

圖1 制備SnS2 的工藝流程示意圖

（2）學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺基本掌握了

SnS2的SEM測試技術(shù)?？梢垣@得SnS2的SEM圖（見圖2），并能夠分析SnS2的形貌特征：SnS2是由很多納米片自組裝為大小不一的花形顆粒，尺寸為200 nm ～5 μm，有些粒子發(fā)生了團(tuán)聚。

圖2 SnS2 的SEM圖

（3）使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺制備SnS2實(shí)驗(yàn)過程安全，且不受時空約束。避免了學(xué)生在線下實(shí)驗(yàn)過程中可能由于操作不當(dāng)吸入有害氣體（H2S），同時也提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，鍛煉了他們分析問題和解決問題的能力。

3.2 教學(xué)視頻

實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生通過前期教學(xué)視頻的學(xué)習(xí)，能夠繪制電極片制作和扣式電池組裝的工藝流程示意圖（見圖3），并能夠簡述其工藝流程：按80∶10∶10 的質(zhì)量比分別稱取SnS2、導(dǎo)電炭黑和聚偏二氟乙烯（PVDF）待用。把PVDF 溶于N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，加入SnS2

和導(dǎo)電炭黑攪拌直至混合成漿料，而后使用涂膜機(jī)把漿料均勻涂在銅箔上，移入烘箱中以60 °C烘干，再在真空干燥箱中，以110 °C干燥10 ～12 h。用沖子切成Φ11 mm的圓片，用壓片機(jī)壓制得電極片。把電極片放入手套箱中，以鋰片作為對電極，以Φ18 mm的聚丙烯多孔膜為隔膜，按照扣式電池的層堆順序（正極殼-正極-電解液-隔膜-電解液-鋰片-墊片-彈片-負(fù)極殼）組裝并密封得到扣式鋰離子電池。

圖3 電極片制備和扣式鋰離子電池組裝的流程示意圖

由此可見，通過教學(xué)視頻的學(xué)習(xí)，學(xué)生對電極片的制備及組裝流程已胸有成竹，為他們進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)操打下了基礎(chǔ)。另外，通過流程圖的繪制和分析，他們不僅學(xué)會了畫圖軟件的使用方法，而且鍛煉了他們的語言表達(dá)能力。再者，在線上學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際操作，既可以縮短教師的講解時間又可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也增加了他們組裝電池的成功率從而提高了他們的成就感。

3.3 線下實(shí)驗(yàn)

（1）學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作，掌握了電極片制備和和扣式電池組裝的流程，了解了混漿料、涂膜和組裝電池的技巧。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生積極思考和互相討論，探索合適的活性物質(zhì)、導(dǎo)電炭黑和黏結(jié)劑的比例，反復(fù)操作直至熟練，從而獲得合格的電池。圖4 所示為1 名學(xué)生拍照的漿料膜、電極片和扣式電池的圖片。由圖可看見，漿料膜表面平整，電極片沒有脫落現(xiàn)象，組裝的電池封口嚴(yán)實(shí)。學(xué)生對自己的實(shí)驗(yàn)成果，非常滿意。通過這個過程，學(xué)生了解了所學(xué)知識與科研前沿的緊密聯(lián)系，增強(qiáng)了他們對實(shí)驗(yàn)的自信心，也鍛煉了他們的實(shí)驗(yàn)技能。另外，學(xué)生之間相互探討，激發(fā)靈感，不僅增強(qiáng)了團(tuán)隊合作意識，而且培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力，提高了綜合素養(yǎng)水平。

圖4 學(xué)生的部分實(shí)驗(yàn)成果

（2）采用Origin軟件對充放電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析。圖5（a）所示為SnS2在電流密度為90 mA/g時的首次充放電曲線。由圖可知，材料的放、充電比容量分別為1647.7 和669.9 mAh/g。首次不可逆比容量為977.7 mAh/g，首次庫倫效率為40.7%。50 次循環(huán)后［見圖5（b）］，放電比容量為160.5 mAh/g。圖5（c）所示為50 次循環(huán)后，在不同電流密度（90、270、450 和900 mA/g）下的充放電性能圖。由圖可知，隨著電流密度的增大，充放電比容量隨之降低。在電流密度為90 mA/g時，其放電比容量為158.0 mAh/g；當(dāng)電流密度增加到900 mA/g時，放電比容量為92.1 mAh/g-1。這是由于充放電過程中，離子在液相中的擴(kuò)散速率大于在固相中的擴(kuò)散速率，造成反應(yīng)未達(dá)到平衡，而兩極間的電勢卻已達(dá)到平衡，活性材料來不及做出電化學(xué)響應(yīng)循環(huán)已結(jié)束，從而造成容量損失［15-16］。

圖5 SnS2 充放電性能測試結(jié)果

通過采用Origin軟件對充放的實(shí)際操作、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，學(xué)生學(xué)會了運(yùn)用Origin軟件處理數(shù)據(jù)，并能夠采取科學(xué)的思維方式，運(yùn)用理論知識和相關(guān)文獻(xiàn)分析數(shù)據(jù)。由此檢驗(yàn)了學(xué)生對所學(xué)知識的掌握程度，培養(yǎng)了他們分析問題和解決問題的能力，激發(fā)了他們從事科研工作的熱情，為畢業(yè)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

3.4 學(xué)生反饋

為了考查碎片化教學(xué)在綜合實(shí)驗(yàn)中的效果，對參與課程的174 名學(xué)生進(jìn)行了喜歡哪一種教學(xué)模式的問卷調(diào)查。從學(xué)生的反饋情況來看，91.95%的學(xué)生喜歡碎片化教學(xué)模式，他們認(rèn)為此模式不僅能夠節(jié)省實(shí)際操作的時間和提高自己的動手能力，還能夠拓展自己的知識面和培養(yǎng)自己的綜合能力；僅有7.47%的學(xué)生認(rèn)為綜合實(shí)驗(yàn)全部采用線下教學(xué)好；0.58%的學(xué)生喜歡全部實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和觀看視頻的線上教學(xué)模式。由此可見，采用碎片化教學(xué)深受學(xué)生們喜歡。

4 結(jié) 語

以SnS2的制備及儲鋰性能研究為例，在化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了碎片化教學(xué)，并詳細(xì)分析了教學(xué)效果。此教學(xué)模式突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時空限制，將會是化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢。一方面通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺和錄制教學(xué)視頻等資源，讓學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)和自主學(xué)習(xí)，不受時空限制，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。另一方面通過實(shí)際操作可以增強(qiáng)學(xué)生的動手能力，鍛煉了他們的實(shí)驗(yàn)技能，從而激發(fā)了他們的科研興趣。另外，學(xué)生之間相互探討，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力，不僅增強(qiáng)了團(tuán)隊合作意識，而且培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新思維能力，提高了綜合素養(yǎng)水平。但是如何優(yōu)化碎片化教學(xué)的最佳結(jié)合點(diǎn)，使教學(xué)效果達(dá)到最大化，還需在以后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中不斷探索。