線性掃描伏安法測定廢水中鎘離子的教學實踐

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

(中山大學化學與化學工程學院 廣東廣州 510275)

線性掃描伏安法測定廢水中鎘離子的實驗是我院本科三年級上學期開設的電分析化學實驗，其目的是使學生：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際應用過程；3) 通過進一步引導，使學生了解該方法的特點以及與其他儀器分析方法的不同之處，包括：原子發射、原子吸收、質譜、離子色譜等。通過該實驗，不僅能鞏固和提高學生對基礎原理和基本技能的掌握，同時還能將學生所學的知識應用于實際，培養他們分析問題、解決問題和實際應用的能力。

在以往的實驗教學中，通常是由實驗教師提前制備好汞膜電極。在實驗過程中，學生只需配制標準溶液，在組裝好電解池后，直接利用教師制備的汞膜電極進行測定。這種教學方式雖然保證了實驗的成功率，但容易給學生造成“儀器分析實驗就是配溶液”的錯覺，難以體現儀器分析的特點。更重要的是，由于指導教師過于追求實驗的成功率，在實驗教學中過多為學生“代勞”，大大降低了實驗挑戰性，減弱了實驗特點，難以引起學生的興趣，也達不到加深儀器分析理論的理解和理論聯系實際的目的。

為了加深學生對該實驗的理解和提高學生的實驗技能，經過近兩年的實踐探索，本教學小組對該實驗進行了大幅度的改革。主要是加強對學生實驗過程的訓練，以提高學生的自主性，激發學生的創新意識。

本實驗修改后，具體實驗過程如下：用金盤電極為基底電極制備汞膜電極(金基汞膜電極)；配制一系列標準溶液，利用線性掃描伏安法，在同一根汞膜電極上分別測定標準溶液，并制作標準曲線；再利用上述汞膜電極測定廢水樣品，用標準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

在實驗中，金基汞膜電極的制備雖不是實驗的知識要點，但卻是決定實驗成敗的關鍵。在制備汞膜電極過程中，金盤電極的拋光、黏汞的速度、汞膜電極的清洗和保存等步驟如操作不當，均會影響實驗的響應，進而影響實驗結果。圖1為4種典型的實驗響應，A為理想的線性掃描伏安響應，電流達到極大值后迅速降低，在某一刻達到平衡，電流恒定；B與A峰形相似，表現出半峰，但峰尾隨電位的負移而快速升高，體現出明顯的析氫干擾；C為臺階狀峰形，且峰電位負移；D中無法判斷峰形。這些不同的實驗現象是由汞膜電極的制備狀態所決定的，并直接與電化學理論中的許多基本概念相關，如可逆反應、準可逆反應、不可逆反應、異相電子轉移速率和擴散控制等。這些概念在本實驗中雖未作要求，但若能結合實驗現象對這些概念進行介紹和解釋，對加深實驗的理解甚至對整個電分析化學知識的掌握均有幫助。

因此，我們在該實驗的教學中改變了以往的教學方式，要求學生自己制備汞膜電極。在實驗前，先詳細講解汞膜電極的制備要求和要點；在實驗過程中，針對學生的實驗現象，解釋導致不同結果的原因，并適時引入所涉及的電化學概念加以解釋，最后再次強調實驗的關鍵點，并與學生共同討論改進的方法，要求實驗失敗的學生及時重復實驗。

我們總結了06級化學學院376位本科生的實驗結果，在最初的幾次實驗中，每次實驗的4 組學生中會有1～2組的實驗現象介于C與D之間，另2組的實驗結果也未達到正常響應。通過教師和學生共同對實驗結果進行比較，對異常現象及產生原因及時分析，學生普遍對實驗的基本原理、方法，以及相關的基本概念、基礎知識等有較好的掌握。重做實驗的學生在看到自己通過努力改善了實驗結果，也增強了對實驗的信心和興趣，加深了對該實驗的印象。雖然開始學生用自制的汞膜電極不易獲得很好的實驗結果，甚至會出現重做實驗的情況，且實驗時間會延長，但指導教師只要把握實驗的成功率，則每次實驗中多數小組都能有較好結果，而且在無形中引入了競爭機制，能激勵學生在課前認真預習，尋找制備金基汞膜電極的方法和要點以及影響實驗結果的各種因素等。

由于儀器分析實驗是采取大循環方式，通過學生的口耳相傳，學生們對該實驗普遍有很高的期待，實驗準備充分、過程細致，重做實驗的組數越來越少，結果也越來越好，實驗所需的時間也大大縮短。在學期末對這376位學生進行問卷調查，該實驗獲得了較好的評價。學生認為：“這個實驗很有意思”，“電極的制備比較難，有挑戰性”，“從這個實驗學到了很多知識”。基本達到了提高學生學習興趣和激發學生創新意識的目的。

經過對該實驗的探討和改革，我們認為：實驗教學應始終堅持以學生為中心、以教師為主導的指導思想。學生主動學習是提高實驗教學質量的根本[1]；要盡量讓學生動手，積極引導學生主動學習，激發學生對實驗的興趣；在實驗教學過程中，應允許適度的“失敗”，讓學生有機會體驗“嘗試—失敗—思考—再選擇—再實驗”，經歷這一完整的科學研究過程[2]，以提高實驗的趣味性和挑戰性，鍛煉學生理論聯系實際的能力，培育學生的創新意識和嚴謹的科研精神。當然，在實驗中若重做組數太多，會打擊學生對實驗的信心，并導致“做不出來也無所謂”的消極情緒。只有在每次實驗中，學生的實驗結果產生明顯對照，才會激起他們的興趣，使他們在實驗時會更加認真，對實驗過程的印象也能更深刻。

總之，在儀器分析實驗課中，強化學生能力的培養是實驗教學的根本[3]。不僅要使學生掌握儀器分析方法的基本原理和操作技能，而且要提高學生運用知識分析、解決問題的綜合能力。這才是儀器分析實驗課的教學目的，是我們努力的方向。

[1] 張培敏，陳恒武，郭偉強，等.大學化學，2007，22(2):10

[2] 馬志玲，黃濱，鄒小勇，等.大學化學，2003，18(5):15

[3] 趙慧.內蒙古石油化工，2002，28:129