周利鵬，趙旭波，宋金帥，劉蒲，楊曉梅，關(guān)新新

鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，鄭州 450001

化學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)化學(xué)類人才的重要內(nèi)容[1]。全國(guó)大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)賽是我國(guó)高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)科面向本科生的最高級(jí)別賽事，該賽事以檢驗(yàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成果、加強(qiáng)交流、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)為宗旨，推動(dòng)我國(guó)高等學(xué)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革，探索培養(yǎng)創(chuàng)新型化學(xué)人才的思路、途徑和方法，從而提高我國(guó)高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)總體水平。從1998年至今，該賽事已成功舉辦了12屆[2,3]。2021年7月8-11日，鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院承辦了“第12屆全國(guó)大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)賽”和“第3屆全國(guó)高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)交流會(huì)”，此次賽事邀請(qǐng)了43所高校的129名化學(xué)類本科生參加。本文對(duì)本次邀請(qǐng)賽物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)命題思路、試題特點(diǎn)、比賽結(jié)果及實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析總結(jié)，期望能對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有一定的促進(jìn)作用。(物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)?jiān)斠姟把a(bǔ)充材料”，可通過網(wǎng)站http://www.dxhx.pku.edu.cn免費(fèi)下載。)

1 命題思路

本次競(jìng)賽中物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的命題強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)操作，以檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)基本原理和基本技能的掌握，以及運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和技能規(guī)范完成實(shí)驗(yàn)操作的能力。

試題選取了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中熱力學(xué)、電化學(xué)、動(dòng)力學(xué)中“乙酸乙酯飽和蒸氣壓的測(cè)定”“碳鋼電極的陽(yáng)極極化曲線”“乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定”為實(shí)驗(yàn)題目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間(含思考題回答)為2 h，所有實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，集中采用電腦處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、打印圖表及原始數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，該過程規(guī)定時(shí)間為1 h[4]。本次競(jìng)賽對(duì)所用儀器及處理數(shù)據(jù)的軟件提供了簡(jiǎn)要使用說明書。

實(shí)驗(yàn)操作部分僅提供簡(jiǎn)單操作步驟，沒有細(xì)節(jié)，學(xué)生須根據(jù)所學(xué)知識(shí)，在理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器基本原理及實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上完成實(shí)驗(yàn)。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，主要考查學(xué)生“歸納總結(jié)”的能力。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理與分析，數(shù)據(jù)分析過程要做到有據(jù)可依，進(jìn)而得出科學(xué)合理的結(jié)論。

2 考試情況

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽操作時(shí)間為6 h，數(shù)據(jù)處理1 h (計(jì)算機(jī)上機(jī)操作)，總分150分，三個(gè)實(shí)驗(yàn)分別為50分。每個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作部分10分(設(shè)置了扣分項(xiàng)，扣完為止)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告及思考題40分。超時(shí)則直接從總分中扣除，每延長(zhǎng)5 min扣2分，最多延長(zhǎng)至15 min。參加物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的選手共43位。

本次物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置較為基礎(chǔ)，絕大部分院校均開設(shè)了這三個(gè)實(shí)驗(yàn)，但本次實(shí)驗(yàn)只提供了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒑?jiǎn)要操作步驟及儀器使用說明，這就要求學(xué)生從所學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)出發(fā)，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、目的、儀器設(shè)計(jì)原理及操作做出進(jìn)一步分析，得出詳細(xì)的操作方法，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這對(duì)本科生的基本理論知識(shí)及實(shí)驗(yàn)技能均提出了較高的要求。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)總成績(jī)分布如圖1所示。分?jǐn)?shù)相對(duì)集中，呈正態(tài)分布，70分以上的考生占比56%，平均分79.9，最高分127，最低分42，基本反映了參賽選手物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的整體水平，同時(shí)也反映出不同院校學(xué)生存在較大差距，需要進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)教學(xué)交流，提高教學(xué)質(zhì)量。

圖1 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題成績(jī)分布圖(滿分150)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的分項(xiàng)成績(jī)見表1。在實(shí)驗(yàn)操作部分，得分≥ 20的有10人，占總?cè)藬?shù)的23%，這部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作比較規(guī)范，能夠較好地完成實(shí)驗(yàn)；得分＜15的學(xué)生10人，這部分學(xué)生基本操作不規(guī)范，對(duì)實(shí)驗(yàn)題目沒有理解透徹，沒有理解實(shí)驗(yàn)儀器的原理及相應(yīng)的操作方法，造成操作目的性不明確，無法準(zhǔn)確獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。思考題得分不理想，最高得分為20，最低分2，平均分9.7。得分≥ 12的同學(xué)有18人，＜ 8的有16人，對(duì)于思考題的分析將在接下來每個(gè)相應(yīng)的小實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)報(bào)告部分在本試題中占比最大，為65%。實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要包括數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性和規(guī)范性方面，大部分同學(xué)做得比較好。本次競(jìng)賽全部采用了電腦作圖處理數(shù)據(jù)，所有的同學(xué)都較好地完成了這部分工作，說明學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告比較重視，也與平時(shí)實(shí)驗(yàn)課中老師嚴(yán)格的教學(xué)要求有關(guān)。相對(duì)于傳統(tǒng)的坐標(biāo)紙作圖，電腦作圖處理數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確性與效率方面都得到了明顯的提升，建議未來的邀請(qǐng)賽采用該模式。該部分主要考查數(shù)據(jù)的正確性與否，判斷標(biāo)準(zhǔn)為教師多次試驗(yàn)平均值；如果是擬合直線，在結(jié)果正確的情況下，對(duì)線性相關(guān)性進(jìn)行評(píng)判。接下來對(duì)三個(gè)物化實(shí)驗(yàn)的考試情況逐個(gè)進(jìn)行具體總結(jié)分析。

表1 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題各部分得分分布情況(共150分)

從成績(jī)來看，大部分考生對(duì)“乙酸乙酯飽和蒸氣壓的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)比較熟悉，能夠通過閱讀試題，觀察儀器的配置，了解儀器的原理，進(jìn)行正確操作。少部分同學(xué)基本概念不清，不理解飽和蒸氣壓的含義，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的不清楚，將水浴溫度直接設(shè)定至乙酸乙酯在常壓下的沸點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法正常進(jìn)行。大部分同學(xué)都忽略了壓力計(jì)的校零與系統(tǒng)密閉性的檢測(cè)這些操作步驟，這可能與考試時(shí)同學(xué)們的緊張情緒有關(guān)。在蒸氣壓測(cè)定過程中，要求開啟冷凝管冷凝水，所有同學(xué)操作沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于平衡管中空氣的排除(排空)，有一部分同學(xué)不了解什么狀態(tài)是略微沸騰，對(duì)于緩沖罐結(jié)構(gòu)觀察不仔細(xì)，造成操作方法出現(xiàn)錯(cuò)誤或偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力過低，致使系統(tǒng)內(nèi)乙酸乙酯完全氣化，無法正常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。重新加入待測(cè)樣品后，絕大部分同學(xué)能夠正確完成排空，但仍有少數(shù)同學(xué)反復(fù)加入待測(cè)樣品，才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。部分同學(xué)排空不徹底，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)大的偏差。這些問題反映了這部分同學(xué)對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的原理不理解。部分同學(xué)在關(guān)閉真空泵時(shí)出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致油泵內(nèi)泵油倒灌入緩沖罐內(nèi)，這也是平時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中比較常見的現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)儀器比較簡(jiǎn)單，未出現(xiàn)損壞玻璃儀器的情況。本實(shí)驗(yàn)有兩道思考題：思考題1是關(guān)于緩沖罐的作用，大部分同學(xué)能夠回答正確；思考題2，大部分同學(xué)對(duì)于“本實(shí)驗(yàn)裝置不能測(cè)定溶液的蒸氣壓的原因”能夠回答正確，對(duì)于第二問“本裝置能否測(cè)定恒沸混合物蒸氣壓的判斷與原因”，只有個(gè)別學(xué)生給出了正確答案。從思考題可以看出，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)理論、裝置的操作條件與儀器原理理解得不準(zhǔn)確。

對(duì)于“碳鋼電極的陽(yáng)極極化曲線”實(shí)驗(yàn)，要求考生掌握陽(yáng)極極化曲線測(cè)定的原理，以及極化電流和極化電位等關(guān)鍵的概念，極化曲線上臨界電流、臨界電位和維鈍電流的位置及測(cè)量方法[5,6]。大多數(shù)考生對(duì)本實(shí)驗(yàn)比較熟悉，實(shí)驗(yàn)開始后快速閱讀試題后便可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作，體現(xiàn)出對(duì)完成實(shí)驗(yàn)充滿信心。然而也有少部分同學(xué)閱讀試題花費(fèi)了幾分鐘時(shí)間，可能是對(duì)本實(shí)驗(yàn)較為陌生。實(shí)驗(yàn)操作主要包括電極處理、電化學(xué)裝置搭建、線路連接和測(cè)試記錄等。要求考生在連接好實(shí)驗(yàn)裝置后請(qǐng)監(jiān)考老師進(jìn)行檢查。大多數(shù)考生可以按照試卷的流程進(jìn)行操作，或許因?yàn)閷?duì)實(shí)驗(yàn)裝置不太熟悉，也出現(xiàn)了一些常見的問題。例如沒有對(duì)工作站進(jìn)行預(yù)熱，沒有取下參比電極的保護(hù)帽，無法分辨工作電極和輔助電極，工作電極的位置不合適等。也有個(gè)別考生沒有對(duì)電極進(jìn)行充分的酸化處理，導(dǎo)致測(cè)得的自然電位無法滿足實(shí)驗(yàn)要求，需要重新處理電極。在這種情況下有的考生為了追趕實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，會(huì)再次出現(xiàn)酸化過程不充分，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)再次失敗。本次考試最多允許失敗三次，遇到實(shí)驗(yàn)失敗時(shí)監(jiān)考老師會(huì)幫助處理，以便考生可以完成后續(xù)實(shí)驗(yàn)。還有一些考生在添加電解液的時(shí)候沒考慮所需體積，導(dǎo)致插入電極后有電解液外溢等情況，反映出學(xué)生在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)課上基本是按照老師指定的條件去操作，沒有養(yǎng)成獨(dú)立思考的習(xí)慣。在測(cè)量過程中，本實(shí)驗(yàn)允許考生自主地合理設(shè)定掃描步長(zhǎng)。如果考生對(duì)極化曲線有充分的理解，會(huì)在出現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)的附近減小掃描電位的步長(zhǎng)，以便獲得關(guān)鍵點(diǎn)的準(zhǔn)確位置；在其他點(diǎn)可以增大掃描步長(zhǎng)，以便節(jié)省測(cè)量時(shí)間。另在數(shù)據(jù)處理部分，絕大多數(shù)考生可以作出完整的極化曲線，個(gè)別考生的極化曲線沒有出現(xiàn)合理的峰形。部分考生對(duì)致鈍電流、致鈍電位、鈍化區(qū)間的概念不熟悉，無法正確標(biāo)出相應(yīng)概念的對(duì)應(yīng)位置，也無法得到合理的結(jié)果。個(gè)別考生的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果偏差較大，可能是實(shí)驗(yàn)操作不規(guī)范造成的。有部分考生繪制極化曲線不夠規(guī)范，比如沒有標(biāo)出物理量的名稱和單位，沒有標(biāo)出坐標(biāo)分度，沒有標(biāo)出圖名等，這些都體現(xiàn)出學(xué)生平時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)處理細(xì)節(jié)不注意，需要教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生基本科研素質(zhì)的培養(yǎng)。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)學(xué)生基本都能完成本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有部分考生出現(xiàn)了超時(shí)的情況。實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生等保持良好，少數(shù)同學(xué)沒有及時(shí)清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)兩道思考題主要考查考生對(duì)極化曲線基本概念的理解及其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，多數(shù)考生可以獲得較高的分?jǐn)?shù)。本實(shí)驗(yàn)的安排還有些地方值得改進(jìn)，比如對(duì)電極接線夾(工作電極、輔助電極、參比電極)添加更明顯的標(biāo)簽，讓考生減少閱讀說明書的時(shí)間，可以更快地開展實(shí)驗(yàn)操作。

對(duì)于“乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，大部分考生能通過對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)基本操作的閱讀快速地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。該實(shí)驗(yàn)操作部分涵蓋了實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、溶液的配制、恒溫裝置的使用、電導(dǎo)率儀傳感器的使用及數(shù)據(jù)測(cè)量五部分內(nèi)容。這部分的扣分點(diǎn)主要集中于：實(shí)驗(yàn)裝置是否恒溫，電導(dǎo)率儀傳感器是否清洗，樣品管液面是否高于水浴液面，是否開啟樣品管磁力攪拌。大部分考生通過閱讀儀器操作說明能熟練操作儀器，這歸功于參賽院校在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，這也是“全過程育人、全員育人、全方位育人”的重要體現(xiàn)。有部分學(xué)生未仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟和儀器操作說明，在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)操作不規(guī)范的現(xiàn)象甚至犯一些低級(jí)錯(cuò)誤。例如，部分考生在水浴加熱過程中，不開啟水浴機(jī)械攪拌，導(dǎo)致水浴溫度不可控；在換水的過程中，將加熱棒在加熱的狀態(tài)下放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上；在使用電導(dǎo)率儀傳感器時(shí)不清洗傳感器，甚至連保護(hù)帽也不去掉；在實(shí)驗(yàn)操作過程中不開啟樣品管磁力攪拌。此外，部分考生未通過對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解設(shè)計(jì)出合理可行的實(shí)驗(yàn)方案，沒有領(lǐng)會(huì)到為什么要使用這樣的裝置，溶液濃度該配成多大等。具體有以下幾點(diǎn)：(1)不會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)精度要求，正確選擇和使用玻璃儀器，有部分考生直接用量筒移取實(shí)驗(yàn)溶液，而不用配置的移液管；(2) κ0測(cè)試濃度與κt測(cè)試濃度不一致；(3) κt測(cè)試時(shí)間過短；(4)恒溫時(shí)樣品管中液面高度高出水浴液面。最后，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試完成后，大部分考生具有良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)，清洗玻璃儀器，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)裝置，拔掉電源插座。但是有部分考生在這一環(huán)節(jié)表現(xiàn)出較差的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，完成測(cè)試后就離開實(shí)驗(yàn)室，不做任何整理。這也給各高校一個(gè)很重要的啟示，即在平常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不僅要對(duì)學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，還要培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了兩個(gè)思考題，其一是考查學(xué)生對(duì)動(dòng)力學(xué)測(cè)定系統(tǒng)的物理量與計(jì)時(shí)之間的關(guān)系是否清楚，其實(shí)質(zhì)是考查學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)單級(jí)數(shù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)的掌握情況，大部分學(xué)生能夠很好地掌握，得分率較高。其二是如何用pH計(jì)測(cè)定皂化反應(yīng)的速率常數(shù)，其目的是開拓學(xué)生思路，促使學(xué)生對(duì)于同樣的問題思考不同的解決方法。這道思考題得分率較低，有相當(dāng)一部分學(xué)生沒有推出速率方程，或者是回答問題不夠完整。這也對(duì)今后實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了要求，在教學(xué)過程中要多啟發(fā)學(xué)生的思考，不能一味地讓學(xué)生按照既有的實(shí)驗(yàn)講義照方抓藥。

3 結(jié)語(yǔ)

第12屆全國(guó)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)賽已圓滿結(jié)束，通過對(duì)本次競(jìng)賽中物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了一些問題：(1)部分學(xué)生物理化學(xué)基本概念及基本的實(shí)驗(yàn)操作技能掌握情況不甚理想；(2)學(xué)生們?cè)诰唧w的實(shí)驗(yàn)中從實(shí)驗(yàn)原理、儀器原理到獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法不能做到融會(huì)貫通；(3)基本實(shí)驗(yàn)操作不規(guī)范；(4)理論聯(lián)系實(shí)際問題不足。

針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題，建議各高校要更加重視基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)理論知識(shí)、基本操作技能的培養(yǎng)訓(xùn)練，注重對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考問題能力的培養(yǎng)，教學(xué)過程中鼓勵(lì)學(xué)生開拓思路，對(duì)實(shí)驗(yàn)方法提出自己的想法，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度和良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。