氧化還原反應與電化學實驗教學精品化探索*

2020-11-02 03:02:56丁春玲曾國蓀

廣州化工 2020年20期

丁春玲, 曾國蓀

(1 同濟大學化學科學與工程學院，上海 200092；2 同濟大學電子與信息工程學院，上海 200092)

改革開放40多年，我國高等教育得到空前的發展，教學工作已處于一種穩定的常態。但是如何與時俱進，培養優秀人才，有效地支持我國經濟和社會發展，顯然穩定常態化的教育只是基礎，甚至是一種瓶頸，不進則退。提高教育質量的措施仍舊是改革和創新，既要有抓手又要有新意，為此，教育部提出實施“精品工程”戰略[1]，直接的目標是建設成百上千門國家級精品課程，開放示范共享，提高教學和人才培養質量。精品課程的核心內涵是：以現代教育思想為先導，以適應相應層次的優秀教材為核心，以高素質教師隊伍為前提，以優化的教學內容為基礎，以現代教育技術為平臺和以科學規范管理體制為保障的課程體系。精品課程是具有一流教師隊伍、一流教學內容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理等特點的示范性課程。“精品工程”戰略，對實驗教學的改革和實驗室建設發展也是一次機遇，同濟大學相應和及時地啟動了精品實驗項目的評選和建設工作[2]，希望通過重點建設某一實驗課程中一個或幾個實驗項目，以點帶面地帶動整門實驗課程的建設。但是，剛開始，實驗課教師的興趣不大，因為精品實驗和目前盛行的精品課程在理念上有所不同，精品實驗是某個實驗教學單元，對學科背景依賴性不強。換句話說，精品實驗項目可以在強勢學科中產生，也可以在弱勢學科中建設，主講老師可以是教授，也可以是講師或實驗技術員。針對這種情況，同濟大學采取設立“教改項目”，落實經費，計算教學業績，規定升職必要條件，每個專業落實指標的方式強行推廣。經過幾年的實踐和推廣，廣大實驗課教師充分認識到“精品實驗”的重要性和優越性，變被動為主動，積極申請“精品實驗”教改項目。目前，同濟大學已開展了十二期精品實驗建設項目工作。今年，在個人申請基礎上，經各單位推薦，正式申報實驗教改項目106項，精品實驗項目28項，本文工作正是其中一項。同濟大學化學科學與工程學院負責全校普通化學及實驗的教學任務，是參與“精品實驗”教改項目的主力軍，普通化學實驗課包括“氧化還原反應”、“化學反應速率”、“硫酸亞鐵銨的制備”等8個單元實驗，每個單元都要求進行精品化建設，現在80%都進行了精品實驗建設，較難的單元實驗被剩下，本文正是落實全面精品實驗建設的一個環節，不能掉隊，滿足同濟大學實驗教學改革要求，全面實現精品化。

1 實驗內容和存在的問題

1.1 實驗要求

“本科教學是立校之本”。實驗教學是高校本科教學中一個重要環節，實驗教學是培養學生實踐能力和創新意識的重要手段。普通化學實驗是對工科大學生開設的第一門實驗課，是接受科學實驗能力培訓的先導課程。通過實驗培養學生的動手能力、觀察能力、分析解決問題能力、創新能力和實事求是的嚴謹科學作風，幫助學生形成化學意識、環保意識、理解化學基礎知識，并為后續課程的學習打下基礎[3]。氧化還原與電化學實驗是《普通化學實驗》和《大學基礎化學實驗》教材中的重要實驗內容，是其中一個必做的單元實驗。本單元實驗的基本教學要求如下：

(1)實驗目的和內容：熟悉氧化還原反應與電極電位的關系，掌握應用電極電位判斷氧化還原反應方向；了解濃度、介質的酸堿性、催化劑對氧化還原反應的影響；掌握原電池和電解池裝置及反應；了解金屬電化學腐蝕原理及防止腐蝕的一些方法[3]。

(2)實驗原理：氧化還原反應是兩個氧化還原電對共同作用的結果。當氧化劑所在電對的電極電位大于作為還原劑所在電對的電極電位時，該氧化還原反應能夠正向自發進行。如果參與反應的物質不全處于標準狀態，則必須運用能斯特方程式計算出各有關電對的非標準電極電位，才能判斷氧化還原反應能否進行。氧化劑、還原劑以及相關介質的濃度都會影響電對的電極電位的高低，因而對氧化還原反應的發生均有影響。如果有氫離子或氫氧根離子參與電極反應，那么溶液的介質的酸堿性將影響電極電位，尤其有含氧酸鹽參與的反應影響大。兩個電極電位不同的電對可構成原電池，形成電能裝置。電化學腐蝕是由于金屬在電解質溶液中形成了腐蝕電池，發生了電化學過程而引起的腐蝕，常用的防止金屬腐蝕的方法有緩蝕劑法、陰極保護法等[3-4]。

1.2 突出的問題

本單元實驗受到傳統實驗教學模式、觀念的制約，雖然是一個成熟的實驗，仍存在很多問題[5]。

問題1：實驗名稱太傳統，太經典

“氧化還原反應”這一個化學領域的概念和專用名稱，學生在初中化學中就早已學過，進大學上普通化學課，還要繼續做氧化還原反應實驗，大學新生們自認為是炒現飯、無新意、無吸引、無挑戰，進而無耐心、不投入、不重視，認為可以輕松混一混通過考查。但是，卻不知氧化還原反應的原理精髓，以及在整個化學領域中的重要地位。誠然，在大學本科新生入門時，繼續開設本單元實驗，是基礎性和重要性的使然。

問題2：有毒物，不環保

目前本實驗采用的試劑和藥品有：硫酸亞鐵、碘化鉀、三氯化鐵、溴化鉀、氯化鈉、亞硫酸鈉、硫酸銅、硫酸鋅、草酸、硫酸、鹽酸、碘水、淀粉溶液、氫氧化鈉、高錳酸鉀、過氧化氫、鐵釘、鋅粒、銅絲；硫酸錳、六氰合鐵酸鉀、烏洛托品、二氧化錳；溴水、四氯化碳等。從硫酸亞鐵到銅絲這些藥品是無毒物品，可以在該實驗中繼續采用。硫酸錳、六氰合鐵酸鉀、烏洛托品、二氧化錳有一定毒性，本精品實驗盡量避免使用。溴水、四氯化碳是有劇毒的物品，對人和環境造成傷害，本精品實驗應堅決不予使用。

問題3：課表規定課時短，實際實驗時間長

普通化學實驗是面向同濟大學全校開設的一門公共基礎課程，授課面涉及土木工程學院、環境科學與工程學院、汽車學院、交通運輸學院、機械工程學院、海洋與地球科學學院、物理科學與工程學院、化學科學與工程學院等，“氧化還原反應與電化學實驗”上課實驗時間為2學時，為同濟大學全校1700余學生分成60余個班級，在一個學期中開設完成，量大面廣連軸轉，每天上午1～2節開設實驗，3～4節繼續開設實驗，接著下午5～6節、7～8節還要繼續重復開設實驗。在進行實驗課期間，經常出現上一批實驗課的學生沒有按時完成實驗內容，滯留在實驗室房間內，導致下一批做實驗的學生等待在實驗室外，無法按時進入實驗室上課，導致實驗教學混亂。究其根本原因，是因為實驗操作時間過長，使得有些學生難以按時完成。因此，本精品實驗建設要想方設法縮短一些實驗步驟的時間，讓學生必須能夠在2學時內完成實驗。

問題4：實驗課教學手段陳舊

盡管“氧化還原與電化學實驗”已開設幾十屆，但是實驗教學手段仍然十分陳舊，效果不很理想。學生按固定的安排，固定的時間，固定的實驗室，固定的流程和套路上實驗課。老師強調實驗前要預習，實驗期間要專心，實驗后要寫實驗報告和分析總結，這些要求未必所有學生能夠認真做好。特別對于化學性質類實驗課，一般在試管內反應，教師簡單地講解實驗目的、實驗原理，學生簡單地“照方抓藥”，觀察記錄現象，課后寫出反應方程式，往往印象不深，更談不上激發學生的創新意識。

盡管“氧化還原反應與電化學實驗”是一個經典的普通化學實驗，但還有進一步完善提升的空間，我們期望用現代教學理念和實驗技術對該實驗進行改進，打造成為一個精品實驗項目。

2 精品化措施

所謂“精品實驗項目”，是指具有先進的設計思想、豐富的教學內涵、能夠跟上時代發展的教學內容、符合認知規律的教學模式和方法、切實有效的教學手段以及設計新穎的教學儀器設備的示范性實驗項目[6]。“精品實驗項目”通過對實驗內容的優化組合，外延實驗技術，在綜合所學理論知識的基礎上，使學生對知識和技能的掌握升華到一個更高的層次。對于“氧化還原反應與電化學實驗”的精品化，主要在實驗內容和實驗操作實施上采取了以下措施：

(1)優化實驗內容，生動地展示氧化還原反應的本質規律和價值

化學來源于自然，又回歸生活。我們生活在富含O2的大氣中，人類使用金屬的輝煌歷程是從還原反應開始，經過冶煉將其從化合物中還原出來，同時也是不斷與氧化反應抗爭的結果，這就是學習氧化還原反應概念的社會價值。在化學變化中電子轉移理論的形成，不僅解釋一系列化學反應的實質，而且系統地詮釋了氧化還原反應發生的機理，從中找到許多物質之間反應規律，這就是氧化還原反應的科學價值[7]。在氧化還原反應中，反應物既相互作用，又相互排斥，最終達成一種平衡，處于一種穩定狀態，體現了任何事物矛盾統一的兩個方面，這是氧化還原反應的哲學價值。我們在重組和優化實驗內容時，充分體現和驗證上述價值，如圖1所示。

圖1 氧化還原反應的價值

(2)精選無毒無害化學試劑替代品

在目前的“氧化還原反應與電化學實驗”中，為了比較氧化性的強弱，使用了溴水作為強氧化劑，它比碘水氧化性強，這樣可以比較兩者之間氧化性強弱，但是沒有關注到溴水有劇毒。另外，為了證明有碘生成，使用了四氯化碳有機溶劑，以便觀察有機層顏色，判斷氧化還原反應的方向，但是四氯化碳有劇毒，不符合綠色環保要求，必須尋找替代實驗藥品[5]。本項目首先利用各種友好合作關系，獲得國內、國外著名大學相應普通化學實驗大綱和實驗內容，尋找解決方案。其次，在萬能的互聯網上，通過智能相似性搜索，尋找當前實驗中有毒試劑的替代品，做到基本具有原來試劑的功效，但又沒有毒性，如圖2所示。例如，不妨選用色拉油替代四氯化碳，基本上能夠達到實驗目的，而又沒有毒性。

圖2 有害有毒試劑替代示意圖

(3)微型和串聯實驗實現綠色化學

本精品實驗實施過程中，遵守綠色化學原則和理念，盡量實施微型化學實驗和串聯化學實驗[8-9]，如圖3所示。為了盡量少用試劑，避免浪費藥品，擬采用點滴板操作，精確配取參加化學反應所需的最少劑量。例如，在本實驗教材中，要求其中使用0.5 mL(相當于10滴)碘化鉀作為還原劑，0.5 mL(相當于10滴)四氯化碳作為萃取劑，1 mL(相當于20滴)濃鹽酸等反應物，以便開展氧化還原反應的實驗。然而，根據權威研究報道，事實上碘化鉀和四氯化碳試劑只需少數幾滴，濃鹽酸甚至只需1滴，就可以達到實驗的效果。另外，為了回收利用，我們對傳統氧化還原反應實驗中，例如二氧化錳和濃鹽酸進行反應后，未被反應的二氧化錳殘渣進行回收利用，二氧化錳在堿性介質中可以用來制備高錳酸鉀，制得的高錳酸鉀可循環用于后續的氧化還原反應實驗中，這樣既變廢為寶，又節約了成本。為了綠色環保，本精品實驗將統一收集實驗后的廢物，集中專業處理，避免一絲一毫廢物流入到下水管道，污染環境。

圖3 實驗示意圖

(4)優化設計氧化還原實驗操作工作流

當前的實驗環境中，放置了多個實驗臺、各種實驗儀器、大量實驗藥品，幾十個學生同時開展實驗操作，由于有些儀器藥品需要共享排它使用，導致整個實驗環境比較亂，不能按時完成單元實驗，甚至影響后續班級上課。我們采取并發操作多臺儀器，流水交替使用瓶頸設備，利用運籌學中的工作流圖來描述所有學生操作實驗的過程[10]，如圖4所示，用圖節點刻畫實驗臺即學生使用儀器和藥品的種類狀態，用有向邊表示數量和時間，利用圖模型分析最早開始操作時間、最早完成時間、操作步驟關鍵路徑等，從而獲得整個實驗環境的最優工作流，科學安排和調度學生和儀器藥品，并且用甘特圖繪制出來，在實驗期間直觀地指導學生按規定的流程開展實驗操作，確保在80分鐘內完成整個實驗。

圖4 優化實驗操作時間活動圖

(5)計算機仿真模擬氧化還原反應過程

可視化、虛擬化是化學實驗教學改革的發展方向之一，模擬實驗是一種化學試劑和儀器裝置“零投入，零排放”特殊實驗方式[11]，本精品實驗利用計算機動畫制作軟件工具(如MS， PowerPoint等)，制作氧化還原反應全過程的動態展示圖片，例如圖5所示，使得學生形象、生動、逼真地了解氧化還原反應原理，深刻掌握電極電位、介質的酸堿性、反應物濃度、以及催化劑等對氧化還原反應的影響，形成虛擬實驗和實體實驗相結合，取得很好的效果，提高了學生學習興趣。

圖5 模擬實驗圖

(6)建立實驗教學網站

在信息化、網絡化、智能化的時代，應充分利用網絡資源，豐富實驗教學手段。我們利用PHP建立了一個化學實驗課程網站[12]，如圖6所示。網站上提供有關實驗教學的內容、實驗學習的方法、學習指導的相關課件、計算機模擬實驗、實驗過程微視頻、快閃等功能菜單，學生能夠快速有效地瀏覽和下載實驗教學正規資料；網站上建立化學實驗社區和微信群，學生隨時問，老師即時答，討論交流頻繁；實驗報告也可網站上電子化提交。從而實現了移動學習、開放學習、自主學習、靈活學習的化學實驗教學新模式。

圖6 實驗教學網站

3 結語