第12屆全國大學生化學實驗邀請賽物理化學實驗試題解析

周利鵬，趙旭波，宋金帥，劉蒲，楊曉梅，關新新

鄭州大學化學學院，鄭州 450001

化學是一門實踐性很強的學科，實驗教學是培養化學類人才的重要內容[1]。全國大學生化學實驗邀請賽是我國高等學校化學學科面向本科生的最高級別賽事，該賽事以檢驗化學實驗教學改革成果、加強交流、總結經驗為宗旨，推動我國高等學校化學實驗教學模式、教學內容、教學方法的改革，探索培養創新型化學人才的思路、途徑和方法，從而提高我國高校化學實驗教學總體水平。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，鄭州大學化學學院承辦了“第12屆全國大學生化學實驗邀請賽”和“第3屆全國高校化學實驗技術交流會”，此次賽事邀請了43所高校的129名化學類本科生參加。本文對本次邀請賽物理化學實驗命題思路、試題特點、比賽結果及實驗過程中發現的問題進行分析總結，期望能對化學實驗教學有一定的促進作用。(物理化學實驗試題及評分標準請詳見“補充材料”，可通過網站http://www.dxhx.pku.edu.cn免費下載。)

1 命題思路

本次競賽中物理化學實驗的命題強調基礎知識和基本實驗操作，以檢驗學生對實驗基本原理和基本技能的掌握，以及運用基礎知識和技能規范完成實驗操作的能力。

試題選取了物理化學實驗中熱力學、電化學、動力學中“乙酸乙酯飽和蒸氣壓的測定”“碳鋼電極的陽極極化曲線”“乙酸乙酯皂化反應速率常數的測定”為實驗題目，每個實驗操作時間(含思考題回答)為2 h，所有實驗操作結束后，集中采用電腦處理實驗數據、打印圖表及原始數據，并對實驗結果進行分析計算，完成實驗報告，該過程規定時間為1 h[4]。本次競賽對所用儀器及處理數據的軟件提供了簡要使用說明書。

實驗操作部分僅提供簡單操作步驟，沒有細節，學生須根據所學知識，在理解實驗目的、實驗原理、實驗儀器基本原理及實驗操作的基礎上完成實驗。得到實驗結果后，主要考查學生“歸納總結”的能力。學生對實驗測試得到的一系列數據進行科學處理與分析，數據分析過程要做到有據可依，進而得出科學合理的結論。

2 考試情況

物理化學實驗競賽操作時間為6 h，數據處理1 h (計算機上機操作)，總分150分，三個實驗分別為50分。每個實驗的操作部分10分(設置了扣分項，扣完為止)，實驗報告及思考題40分。超時則直接從總分中扣除，每延長5 min扣2分，最多延長至15 min。參加物理化學實驗競賽的選手共43位。

本次物理化學實驗內容設置較為基礎，絕大部分院校均開設了這三個實驗，但本次實驗只提供了實驗目的、簡要操作步驟及儀器使用說明，這就要求學生從所學的相關理論知識出發，對實驗原理、目的、儀器設計原理及操作做出進一步分析，得出詳細的操作方法，獲取實驗數據，這對本科生的基本理論知識及實驗技能均提出了較高的要求。物理化學實驗總成績分布如圖1所示。分數相對集中，呈正態分布，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實驗的整體水平，同時也反映出不同院校學生存在較大差距，需要進行更多實驗教學交流，提高教學質量。

圖1 物理化學實驗試題成績分布圖(滿分150)

物理化學實驗的分項成績見表1。在實驗操作部分，得分≥ 20的有10人，占總人數的23%，這部分學生實驗操作比較規范，能夠較好地完成實驗；得分＜15的學生10人，這部分學生基本操作不規范，對實驗題目沒有理解透徹，沒有理解實驗儀器的原理及相應的操作方法，造成操作目的性不明確，無法準確獲得實驗數據。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的同學有18人，＜ 8的有16人，對于思考題的分析將在接下來每個相應的小實驗中進行。實驗報告部分在本試題中占比最大，為65%。實驗報告主要包括數據記錄與數據處理。在數據記錄的準確性和規范性方面，大部分同學做得比較好。本次競賽全部采用了電腦作圖處理數據，所有的同學都較好地完成了這部分工作，說明學生對實驗報告比較重視，也與平時實驗課中老師嚴格的教學要求有關。相對于傳統的坐標紙作圖，電腦作圖處理數據在準確性與效率方面都得到了明顯的提升，建議未來的邀請賽采用該模式。該部分主要考查數據的正確性與否，判斷標準為教師多次試驗平均值；如果是擬合直線，在結果正確的情況下，對線性相關性進行評判。接下來對三個物化實驗的考試情況逐個進行具體總結分析。

表1 物理化學實驗試題各部分得分分布情況(共150分)

從成績來看，大部分考生對“乙酸乙酯飽和蒸氣壓的測定”實驗比較熟悉，能夠通過閱讀試題，觀察儀器的配置，了解儀器的原理，進行正確操作。少部分同學基本概念不清，不理解飽和蒸氣壓的含義，對實驗內容與目的不清楚，將水浴溫度直接設定至乙酸乙酯在常壓下的沸點，導致實驗無法正常進行。大部分同學都忽略了壓力計的校零與系統密閉性的檢測這些操作步驟，這可能與考試時同學們的緊張情緒有關。在蒸氣壓測定過程中，要求開啟冷凝管冷凝水，所有同學操作沒有出現錯誤。對于平衡管中空氣的排除(排空)，有一部分同學不了解什么狀態是略微沸騰，對于緩沖罐結構觀察不仔細，造成操作方法出現錯誤或偏差，導致系統壓力過低，致使系統內乙酸乙酯完全氣化，無法正常進行實驗。重新加入待測樣品后，絕大部分同學能夠正確完成排空，但仍有少數同學反復加入待測樣品，才能進行實驗。部分同學排空不徹底，導致實驗結果出現大的偏差。這些問題反映了這部分同學對于本實驗的原理不理解。部分同學在關閉真空泵時出現失誤，導致油泵內泵油倒灌入緩沖罐內，這也是平時實驗教學中比較常見的現象。該實驗儀器比較簡單，未出現損壞玻璃儀器的情況。本實驗有兩道思考題：思考題1是關于緩沖罐的作用，大部分同學能夠回答正確；思考題2，大部分同學對于“本實驗裝置不能測定溶液的蒸氣壓的原因”能夠回答正確，對于第二問“本裝置能否測定恒沸混合物蒸氣壓的判斷與原因”，只有個別學生給出了正確答案。從思考題可以看出，學生對于實驗理論、裝置的操作條件與儀器原理理解得不準確。

對于“碳鋼電極的陽極極化曲線”實驗，要求考生掌握陽極極化曲線測定的原理，以及極化電流和極化電位等關鍵的概念，極化曲線上臨界電流、臨界電位和維鈍電流的位置及測量方法[5,6]。大多數考生對本實驗比較熟悉，實驗開始后快速閱讀試題后便可進入實驗操作，體現出對完成實驗充滿信心。然而也有少部分同學閱讀試題花費了幾分鐘時間，可能是對本實驗較為陌生。實驗操作主要包括電極處理、電化學裝置搭建、線路連接和測試記錄等。要求考生在連接好實驗裝置后請監考老師進行檢查。大多數考生可以按照試卷的流程進行操作，或許因為對實驗裝置不太熟悉，也出現了一些常見的問題。例如沒有對工作站進行預熱，沒有取下參比電極的保護帽，無法分辨工作電極和輔助電極，工作電極的位置不合適等。也有個別考生沒有對電極進行充分的酸化處理，導致測得的自然電位無法滿足實驗要求，需要重新處理電極。在這種情況下有的考生為了追趕實驗進度，會再次出現酸化過程不充分，導致實驗再次失敗。本次考試最多允許失敗三次，遇到實驗失敗時監考老師會幫助處理，以便考生可以完成后續實驗。還有一些考生在添加電解液的時候沒考慮所需體積，導致插入電極后有電解液外溢等情況，反映出學生在平時的實驗課上基本是按照老師指定的條件去操作，沒有養成獨立思考的習慣。在測量過程中，本實驗允許考生自主地合理設定掃描步長。如果考生對極化曲線有充分的理解，會在出現關鍵點的附近減小掃描電位的步長，以便獲得關鍵點的準確位置；在其他點可以增大掃描步長，以便節省測量時間。另在數據處理部分，絕大多數考生可以作出完整的極化曲線，個別考生的極化曲線沒有出現合理的峰形。部分考生對致鈍電流、致鈍電位、鈍化區間的概念不熟悉，無法正確標出相應概念的對應位置，也無法得到合理的結果。個別考生的結果與標準結果偏差較大，可能是實驗操作不規范造成的。有部分考生繪制極化曲線不夠規范，比如沒有標出物理量的名稱和單位，沒有標出坐標分度，沒有標出圖名等，這些都體現出學生平時對數據處理細節不注意，需要教師在實驗教學中加強對學生基本科研素質的培養。在規定的時間內學生基本都能完成本實驗內容，有部分考生出現了超時的情況。實驗室衛生等保持良好，少數同學沒有及時清理實驗臺。本實驗兩道思考題主要考查考生對極化曲線基本概念的理解及其在實際生產中的應用，多數考生可以獲得較高的分數。本實驗的安排還有些地方值得改進，比如對電極接線夾(工作電極、輔助電極、參比電極)添加更明顯的標簽，讓考生減少閱讀說明書的時間，可以更快地開展實驗操作。

對于“乙酸乙酯皂化反應速率常數的測定”實驗，大部分考生能通過對實驗內容和實驗基本操作的閱讀快速地進入實驗狀態。該實驗操作部分涵蓋了實驗方案的設計、溶液的配制、恒溫裝置的使用、電導率儀傳感器的使用及數據測量五部分內容。這部分的扣分點主要集中于：實驗裝置是否恒溫，電導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的實驗教學環節對學生的高標準、嚴要求，這也是“全過程育人、全員育人、全方位育人”的重要體現。有部分學生未仔細閱讀實驗內容、實驗步驟和儀器操作說明，在實驗過程中出現操作不規范的現象甚至犯一些低級錯誤。例如，部分考生在水浴加熱過程中，不開啟水浴機械攪拌，導致水浴溫度不可控；在換水的過程中，將加熱棒在加熱的狀態下放在實驗臺上；在使用電導率儀傳感器時不清洗傳感器，甚至連保護帽也不去掉；在實驗操作過程中不開啟樣品管磁力攪拌。此外，部分考生未通過對實驗內容的理解設計出合理可行的實驗方案，沒有領會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：(1)不會根據實驗精度要求，正確選擇和使用玻璃儀器，有部分考生直接用量筒移取實驗溶液，而不用配置的移液管；(2) κ0測試濃度與κt測試濃度不一致；(3) κt測試時間過短；(4)恒溫時樣品管中液面高度高出水浴液面。最后，在實驗數據測試完成后，大部分考生具有良好的實驗習慣，整理實驗臺，清洗玻璃儀器，關閉實驗裝置，拔掉電源插座。但是有部分考生在這一環節表現出較差的實驗習慣，完成測試后就離開實驗室，不做任何整理。這也給各高校一個很重要的啟示，即在平常的實驗教學中不僅要對學生進行嚴格的實驗訓練，還要培養學生良好的實驗習慣。本實驗設置了兩個思考題，其一是考查學生對動力學測定系統的物理量與計時之間的關系是否清楚，其實質是考查學生對簡單級數反應動力學特點的掌握情況，大部分學生能夠很好地掌握，得分率較高。其二是如何用pH計測定皂化反應的速率常數，其目的是開拓學生思路，促使學生對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，有相當一部分學生沒有推出速率方程，或者是回答問題不夠完整。這也對今后實驗教學提出了要求，在教學過程中要多啟發學生的思考，不能一味地讓學生按照既有的實驗講義照方抓藥。

3 結語

第12屆全國大學化學實驗邀請賽已圓滿結束，通過對本次競賽中物理化學實驗結果的總結，發現了一些問題：(1)部分學生物理化學基本概念及基本的實驗操作技能掌握情況不甚理想；(2)學生們在具體的實驗中從實驗原理、儀器原理到獲取實驗數據的方法不能做到融會貫通；(3)基本實驗操作不規范；(4)理論聯系實際問題不足。

針對發現的問題，建議各高校要更加重視基礎性實驗教學，教師在實驗教學中加強對學生物理化學實驗的基礎理論知識、基本操作技能的培養訓練，注重對學生獨立思考問題能力的培養，教學過程中鼓勵學生開拓思路，對實驗方法提出自己的想法，切實提高學生的實驗技能，培養學生嚴謹的實驗態度和良好的實驗習慣。