戴宗 肖小華 胡玉玲 凌連生 謝天堯 朱芳 鄒小勇 李攻科 陳六平

(中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 廣東廣州 510275)

線性掃描伏安法測(cè)定廢水中鎘離子的實(shí)驗(yàn)是我院本科三年級(jí)上學(xué)期開(kāi)設(shè)的電分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)，其目的是使學(xué)生：1) 掌握線性掃描伏安法的基本原理和基本方法；2) 掌握線性掃描伏安法的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程；3) 通過(guò)進(jìn)一步引導(dǎo)，使學(xué)生了解該方法的特點(diǎn)以及與其他儀器分析方法的不同之處，包括：原子發(fā)射、原子吸收、質(zhì)譜、離子色譜等。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，不僅能鞏固和提高學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)原理和基本技能的掌握，同時(shí)還能將學(xué)生所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，培養(yǎng)他們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和實(shí)際應(yīng)用的能力。

在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常是由實(shí)驗(yàn)教師提前制備好汞膜電極。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生只需配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，在組裝好電解池后，直接利用教師制備的汞膜電極進(jìn)行測(cè)定。這種教學(xué)方式雖然保證了實(shí)驗(yàn)的成功率，但容易給學(xué)生造成“儀器分析實(shí)驗(yàn)就是配溶液”的錯(cuò)覺(jué)，難以體現(xiàn)儀器分析的特點(diǎn)。更重要的是，由于指導(dǎo)教師過(guò)于追求實(shí)驗(yàn)的成功率，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中過(guò)多為學(xué)生“代勞”，大大降低了實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)性，減弱了實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，難以引起學(xué)生的興趣，也達(dá)不到加深儀器分析理論的理解和理論聯(lián)系實(shí)際的目的。

為了加深學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的理解和提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，經(jīng)過(guò)近兩年的實(shí)踐探索，本教學(xué)小組對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大幅度的改革。主要是加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的訓(xùn)練，以提高學(xué)生的自主性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

本實(shí)驗(yàn)修改后，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：用金盤(pán)電極為基底電極制備汞膜電極(金基汞膜電極)；配制一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，利用線性掃描伏安法，在同一根汞膜電極上分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液，并制作標(biāo)準(zhǔn)曲線；再利用上述汞膜電極測(cè)定廢水樣品，用標(biāo)準(zhǔn)曲線法獲得該樣品中鎘離子的濃度。

圖1 線性掃描伏安法的4種典型響應(yīng)

在實(shí)驗(yàn)中，金基汞膜電極的制備雖不是實(shí)驗(yàn)的知識(shí)要點(diǎn)，但卻是決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。在制備汞膜電極過(guò)程中，金盤(pán)電極的拋光、黏汞的速度、汞膜電極的清洗和保存等步驟如操作不當(dāng)，均會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖1為4種典型的實(shí)驗(yàn)響應(yīng)，A為理想的線性掃描伏安響應(yīng)，電流達(dá)到極大值后迅速降低，在某一刻達(dá)到平衡，電流恒定；B與A峰形相似，表現(xiàn)出半峰，但峰尾隨電位的負(fù)移而快速升高，體現(xiàn)出明顯的析氫干擾；C為臺(tái)階狀峰形，且峰電位負(fù)移；D中無(wú)法判斷峰形。這些不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是由汞膜電極的制備狀態(tài)所決定的，并直接與電化學(xué)理論中的許多基本概念相關(guān)，如可逆反應(yīng)、準(zhǔn)可逆反應(yīng)、不可逆反應(yīng)、異相電子轉(zhuǎn)移速率和擴(kuò)散控制等。這些概念在本實(shí)驗(yàn)中雖未作要求，但若能結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)這些概念進(jìn)行介紹和解釋?zhuān)瑢?duì)加深實(shí)驗(yàn)的理解甚至對(duì)整個(gè)電分析化學(xué)知識(shí)的掌握均有幫助。

因此，我們?cè)谠搶?shí)驗(yàn)的教學(xué)中改變了以往的教學(xué)方式，要求學(xué)生自己制備汞膜電極。在實(shí)驗(yàn)前，先詳細(xì)講解汞膜電極的制備要求和要點(diǎn)；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解釋導(dǎo)致不同結(jié)果的原因，并適時(shí)引入所涉及的電化學(xué)概念加以解釋?zhuān)詈笤俅螐?qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，并與學(xué)生共同討論改進(jìn)的方法，要求實(shí)驗(yàn)失敗的學(xué)生及時(shí)重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

我們總結(jié)了06級(jí)化學(xué)學(xué)院376位本科生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在最初的幾次實(shí)驗(yàn)中，每次實(shí)驗(yàn)的4 組學(xué)生中會(huì)有1～2組的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象介于C與D之間，另2組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也未達(dá)到正常響應(yīng)。通過(guò)教師和學(xué)生共同對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)異?，F(xiàn)象及產(chǎn)生原因及時(shí)分析，學(xué)生普遍對(duì)實(shí)驗(yàn)的基本原理、方法，以及相關(guān)的基本概念、基礎(chǔ)知識(shí)等有較好的掌握。重做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生在看到自己通過(guò)努力改善了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也增強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)的信心和興趣，加深了對(duì)該實(shí)驗(yàn)的印象。雖然開(kāi)始學(xué)生用自制的汞膜電極不易獲得很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，甚至?xí)霈F(xiàn)重做實(shí)驗(yàn)的情況，且實(shí)驗(yàn)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，但指導(dǎo)教師只要把握實(shí)驗(yàn)的成功率，則每次實(shí)驗(yàn)中多數(shù)小組都能有較好結(jié)果，而且在無(wú)形中引入了競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，能激勵(lì)學(xué)生在課前認(rèn)真預(yù)習(xí)，尋找制備金基汞膜電極的方法和要點(diǎn)以及影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的各種因素等。

由于儀器分析實(shí)驗(yàn)是采取大循環(huán)方式，通過(guò)學(xué)生的口耳相傳，學(xué)生們對(duì)該實(shí)驗(yàn)普遍有很高的期待，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備充分、過(guò)程細(xì)致，重做實(shí)驗(yàn)的組數(shù)越來(lái)越少，結(jié)果也越來(lái)越好，實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間也大大縮短。在學(xué)期末對(duì)這376位學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，該實(shí)驗(yàn)獲得了較好的評(píng)價(jià)。學(xué)生認(rèn)為：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)很有意思”，“電極的制備比較難，有挑戰(zhàn)性”，“從這個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)到了很多知識(shí)”?；具_(dá)到了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的目的。

經(jīng)過(guò)對(duì)該實(shí)驗(yàn)的探討和改革，我們認(rèn)為：實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)始終堅(jiān)持以學(xué)生為中心、以教師為主導(dǎo)的指導(dǎo)思想。學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的根本[1]；要盡量讓學(xué)生動(dòng)手，積極引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)允許適度的“失敗”，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)體驗(yàn)“嘗試—失敗—思考—再選擇—再實(shí)驗(yàn)”，經(jīng)歷這一完整的科學(xué)研究過(guò)程[2]，以提高實(shí)驗(yàn)的趣味性和挑戰(zhàn)性，鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，培育學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲芯?。?dāng)然，在實(shí)驗(yàn)中若重做組數(shù)太多，會(huì)打擊學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的信心，并導(dǎo)致“做不出來(lái)也無(wú)所謂”的消極情緒。只有在每次實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生明顯對(duì)照，才會(huì)激起他們的興趣，使他們?cè)趯?shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)更加認(rèn)真，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的印象也能更深刻。

總之，在儀器分析實(shí)驗(yàn)課中，強(qiáng)化學(xué)生能力的培養(yǎng)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本[3]。不僅要使學(xué)生掌握儀器分析方法的基本原理和操作技能，而且要提高學(xué)生運(yùn)用知識(shí)分析、解決問(wèn)題的綜合能力。這才是儀器分析實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)目的，是我們努力的方向。

[1] 張培敏，陳恒武，郭偉強(qiáng)，等.大學(xué)化學(xué)，2007，22(2):10

[2] 馬志玲，黃濱，鄒小勇，等.大學(xué)化學(xué)，2003，18(5):15

[3] 趙慧.內(nèi)蒙古石油化工，2002，28:129