氧化还原反应与电化学实验教学精品化探索*

丁春玲, 曾国荪

(1 同济大学化学科学与工程学院，上海 200092；2 同济大学电子与信息工程学院，上海 200092)

改革开放40多年，我国高等教育得到空前的发展，教学工作已处于一种稳定的常态。但是如何与时俱进，培养优秀人才，有效地支持我国经济和社会发展，显然稳定常态化的教育只是基础，甚至是一种瓶颈，不进则退。提高教育质量的措施仍旧是改革和创新，既要有抓手又要有新意，为此，教育部提出实施“精品工程”战略[1]，直接的目标是建设成百上千门国家级精品课程，开放示范共享，提高教学和人才培养质量。精品课程的核心内涵是：以现代教育思想为先导，以适应相应层次的优秀教材为核心，以高素质教师队伍为前提，以优化的教学内容为基础，以现代教育技术为平台和以科学规范管理体制为保障的课程体系。精品课程是具有一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理等特点的示范性课程。“精品工程”战略，对实验教学的改革和实验室建设发展也是一次机遇，同济大学相应和及时地启动了精品实验项目的评选和建设工作[2]，希望通过重点建设某一实验课程中一个或几个实验项目，以点带面地带动整门实验课程的建设。但是，刚开始，实验课教师的兴趣不大，因为精品实验和目前盛行的精品课程在理念上有所不同，精品实验是某个实验教学单元，对学科背景依赖性不强。换句话说，精品实验项目可以在强势学科中产生，也可以在弱势学科中建设，主讲老师可以是教授，也可以是讲师或实验技术员。针对这种情况，同济大学采取设立“教改项目”，落实经费，计算教学业绩，规定升职必要条件，每个专业落实指标的方式强行推广。经过几年的实践和推广，广大实验课教师充分认识到“精品实验”的重要性和优越性，变被动为主动，积极申请“精品实验”教改项目。目前，同济大学已开展了十二期精品实验建设项目工作。今年，在个人申请基础上，经各单位推荐，正式申报实验教改项目106项，精品实验项目28项，本文工作正是其中一项。同济大学化学科学与工程学院负责全校普通化学及实验的教学任务，是参与“精品实验”教改项目的主力军，普通化学实验课包括“氧化还原反应”、“化学反应速率”、“硫酸亚铁铵的制备”等8个单元实验，每个单元都要求进行精品化建设，现在80%都进行了精品实验建设，较难的单元实验被剩下，本文正是落实全面精品实验建设的一个环节，不能掉队，满足同济大学实验教学改革要求，全面实现精品化。

1 实验内容和存在的问题

1.1 实验要求

“本科教学是立校之本”。实验教学是高校本科教学中一个重要环节，实验教学是培养学生实践能力和创新意识的重要手段。普通化学实验是对工科大学生开设的第一门实验课，是接受科学实验能力培训的先导课程。通过实验培养学生的动手能力、观察能力、分析解决问题能力、创新能力和实事求是的严谨科学作风，帮助学生形成化学意识、环保意识、理解化学基础知识，并为后续课程的学习打下基础[3]。氧化还原与电化学实验是《普通化学实验》和《大学基础化学实验》教材中的重要实验内容，是其中一个必做的单元实验。本单元实验的基本教学要求如下：

(1)实验目的和内容：熟悉氧化还原反应与电极电位的关系，掌握应用电极电位判断氧化还原反应方向；了解浓度、介质的酸碱性、催化剂对氧化还原反应的影响；掌握原电池和电解池装置及反应；了解金属电化学腐蚀原理及防止腐蚀的一些方法[3]。

(2)实验原理：氧化还原反应是两个氧化还原电对共同作用的结果。当氧化剂所在电对的电极电位大于作为还原剂所在电对的电极电位时，该氧化还原反应能够正向自发进行。如果参与反应的物质不全处于标准状态，则必须运用能斯特方程式计算出各有关电对的非标准电极电位，才能判断氧化还原反应能否进行。氧化剂、还原剂以及相关介质的浓度都会影响电对的电极电位的高低，因而对氧化还原反应的发生均有影响。如果有氢离子或氢氧根离子参与电极反应，那么溶液的介质的酸碱性将影响电极电位，尤其有含氧酸盐参与的反应影响大。两个电极电位不同的电对可构成原电池，形成电能装置。电化学腐蚀是由于金属在电解质溶液中形成了腐蚀电池，发生了电化学过程而引起的腐蚀，常用的防止金属腐蚀的方法有缓蚀剂法、阴极保护法等[3-4]。

1.2 突出的问题

本单元实验受到传统实验教学模式、观念的制约，虽然是一个成熟的实验，仍存在很多问题[5]。

问题1：实验名称太传统，太经典

“氧化还原反应”这一个化学领域的概念和专用名称，学生在初中化学中就早已学过，进大学上普通化学课，还要继续做氧化还原反应实验，大学新生们自认为是炒现饭、无新意、无吸引、无挑战，进而无耐心、不投入、不重视，认为可以轻松混一混通过考查。但是，却不知氧化还原反应的原理精髓，以及在整个化学领域中的重要地位。诚然，在大学本科新生入门时，继续开设本单元实验，是基础性和重要性的使然。

问题2：有毒物，不环保

目前本实验采用的试剂和药品有：硫酸亚铁、碘化钾、三氯化铁、溴化钾、氯化钠、亚硫酸钠、硫酸铜、硫酸锌、草酸、硫酸、盐酸、碘水、淀粉溶液、氢氧化钠、高锰酸钾、过氧化氢、铁钉、锌粒、铜丝；硫酸锰、六氰合铁酸钾、乌洛托品、二氧化锰；溴水、四氯化碳等。从硫酸亚铁到铜丝这些药品是无毒物品，可以在该实验中继续采用。硫酸锰、六氰合铁酸钾、乌洛托品、二氧化锰有一定毒性，本精品实验尽量避免使用。溴水、四氯化碳是有剧毒的物品，对人和环境造成伤害，本精品实验应坚决不予使用。

问题3：课表规定课时短，实际实验时间长

普通化学实验是面向同济大学全校开设的一门公共基础课程，授课面涉及土木工程学院、环境科学与工程学院、汽车学院、交通运输学院、机械工程学院、海洋与地球科学学院、物理科学与工程学院、化学科学与工程学院等，“氧化还原反应与电化学实验”上课实验时间为2学时，为同济大学全校1700余学生分成60余个班级，在一个学期中开设完成，量大面广连轴转，每天上午1～2节开设实验，3～4节继续开设实验，接着下午5～6节、7～8节还要继续重复开设实验。在进行实验课期间，经常出现上一批实验课的学生没有按时完成实验内容，滞留在实验室房间内，导致下一批做实验的学生等待在实验室外，无法按时进入实验室上课，导致实验教学混乱。究其根本原因，是因为实验操作时间过长，使得有些学生难以按时完成。因此，本精品实验建设要想方设法缩短一些实验步骤的时间，让学生必须能够在2学时内完成实验。

问题4：实验课教学手段陈旧

尽管“氧化还原与电化学实验”已开设几十届，但是实验教学手段仍然十分陈旧，效果不很理想。学生按固定的安排，固定的时间，固定的实验室，固定的流程和套路上实验课。老师强调实验前要预习，实验期间要专心，实验后要写实验报告和分析总结，这些要求未必所有学生能够认真做好。特别对于化学性质类实验课，一般在试管内反应，教师简单地讲解实验目的、实验原理，学生简单地“照方抓药”，观察记录现象，课后写出反应方程式，往往印象不深，更谈不上激发学生的创新意识。

尽管“氧化还原反应与电化学实验”是一个经典的普通化学实验，但还有进一步完善提升的空间，我们期望用现代教学理念和实验技术对该实验进行改进，打造成为一个精品实验项目。

2 精品化措施

所谓“精品实验项目”，是指具有先进的设计思想、丰富的教学内涵、能够跟上时代发展的教学内容、符合认知规律的教学模式和方法、切实有效的教学手段以及设计新颖的教学仪器设备的示范性实验项目[6]。“精品实验项目”通过对实验内容的优化组合，外延实验技术，在综合所学理论知识的基础上，使学生对知识和技能的掌握升华到一个更高的层次。对于“氧化还原反应与电化学实验”的精品化，主要在实验内容和实验操作实施上采取了以下措施：

(1)优化实验内容，生动地展示氧化还原反应的本质规律和价值

化学来源于自然，又回归生活。我们生活在富含O2的大气中，人类使用金属的辉煌历程是从还原反应开始，经过冶炼将其从化合物中还原出来，同时也是不断与氧化反应抗争的结果，这就是学习氧化还原反应概念的社会价值。在化学变化中电子转移理论的形成，不仅解释一系列化学反应的实质，而且系统地诠释了氧化还原反应发生的机理，从中找到许多物质之间反应规律，这就是氧化还原反应的科学价值[7]。在氧化还原反应中，反应物既相互作用，又相互排斥，最终达成一种平衡，处于一种稳定状态，体现了任何事物矛盾统一的两个方面，这是氧化还原反应的哲学价值。我们在重组和优化实验内容时，充分体现和验证上述价值，如图1所示。

图1 氧化还原反应的价值

(2)精选无毒无害化学试剂替代品

在目前的“氧化还原反应与电化学实验”中，为了比较氧化性的强弱，使用了溴水作为强氧化剂，它比碘水氧化性强，这样可以比较两者之间氧化性强弱，但是没有关注到溴水有剧毒。另外，为了证明有碘生成，使用了四氯化碳有机溶剂，以便观察有机层颜色，判断氧化还原反应的方向，但是四氯化碳有剧毒，不符合绿色环保要求，必须寻找替代实验药品[5]。本项目首先利用各种友好合作关系，获得国内、国外著名大学相应普通化学实验大纲和实验内容，寻找解决方案。其次，在万能的互联网上，通过智能相似性搜索，寻找当前实验中有毒试剂的替代品，做到基本具有原来试剂的功效，但又没有毒性，如图2所示。例如，不妨选用色拉油替代四氯化碳，基本上能够达到实验目的，而又没有毒性。

图2 有害有毒试剂替代示意图

(3)微型和串联实验实现绿色化学

本精品实验实施过程中，遵守绿色化学原则和理念，尽量实施微型化学实验和串联化学实验[8-9]，如图3所示。为了尽量少用试剂，避免浪费药品，拟采用点滴板操作，精确配取参加化学反应所需的最少剂量。例如，在本实验教材中，要求其中使用0.5 mL(相当于10滴)碘化钾作为还原剂，0.5 mL(相当于10滴)四氯化碳作为萃取剂，1 mL(相当于20滴)浓盐酸等反应物，以便开展氧化还原反应的实验。然而，根据权威研究报道，事实上碘化钾和四氯化碳试剂只需少数几滴，浓盐酸甚至只需1滴，就可以达到实验的效果。另外，为了回收利用，我们对传统氧化还原反应实验中，例如二氧化锰和浓盐酸进行反应后，未被反应的二氧化锰残渣进行回收利用，二氧化锰在碱性介质中可以用来制备高锰酸钾，制得的高锰酸钾可循环用于后续的氧化还原反应实验中，这样既变废为宝，又节约了成本。为了绿色环保，本精品实验将统一收集实验后的废物，集中专业处理，避免一丝一毫废物流入到下水管道，污染环境。

图3 实验示意图

(4)优化设计氧化还原实验操作工作流

当前的实验环境中，放置了多个实验台、各种实验仪器、大量实验药品，几十个学生同时开展实验操作，由于有些仪器药品需要共享排它使用，导致整个实验环境比较乱，不能按时完成单元实验，甚至影响后续班级上课。我们采取并发操作多台仪器，流水交替使用瓶颈设备，利用运筹学中的工作流图来描述所有学生操作实验的过程[10]，如图4所示，用图节点刻画实验台即学生使用仪器和药品的种类状态，用有向边表示数量和时间，利用图模型分析最早开始操作时间、最早完成时间、操作步骤关键路径等，从而获得整个实验环境的最优工作流，科学安排和调度学生和仪器药品，并且用甘特图绘制出来，在实验期间直观地指导学生按规定的流程开展实验操作，确保在80分钟内完成整个实验。

图4 优化实验操作时间活动图

(5)计算机仿真模拟氧化还原反应过程

可视化、虚拟化是化学实验教学改革的发展方向之一，模拟实验是一种化学试剂和仪器装置“零投入，零排放”特殊实验方式[11]，本精品实验利用计算机动画制作软件工具(如MS， PowerPoint等)，制作氧化还原反应全过程的动态展示图片，例如图5所示，使得学生形象、生动、逼真地了解氧化还原反应原理，深刻掌握电极电位、介质的酸碱性、反应物浓度、以及催化剂等对氧化还原反应的影响，形成虚拟实验和实体实验相结合，取得很好的效果，提高了学生学习兴趣。

图5 模拟实验图

(6)建立实验教学网站

在信息化、网络化、智能化的时代，应充分利用网络资源，丰富实验教学手段。我们利用PHP建立了一个化学实验课程网站[12]，如图6所示。网站上提供有关实验教学的内容、实验学习的方法、学习指导的相关课件、计算机模拟实验、实验过程微视频、快闪等功能菜单，学生能够快速有效地浏览和下载实验教学正规资料；网站上建立化学实验社区和微信群，学生随时问，老师即时答，讨论交流频繁；实验报告也可网站上电子化提交。从而实现了移动学习、开放学习、自主学习、灵活学习的化学实验教学新模式。

图6 实验教学网站

3 结 语

通过“精品实验项目”的建设，我们针对“氧化还原反应与电化学实验”存在的突出问题，相应地实施了多项改革和精品化的措施，形成了新的实验教学大纲、实验指导手册等标准化文档。网站上实验教学反馈表明：“氧化还原反应与电化学实验”获得一致好评，学生十分满意。可见，本文工作对其它高校开设类似化学实验课有参考价值。但是，作为“精品实验项目”，其内容应不断更新，实验手段也应不断更新，应为学生提供更好的自由创新实践实验平台，这是我们接下来的努力方向。