物理化學(xué)中極化曲線的測定實驗改革

王麗莎，蘆永紅，姬泓巍，包木太，李 苓

(中國海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100)

物理化學(xué)中極化曲線的測定實驗改革

王麗莎，蘆永紅，姬泓巍，包木太，李 苓

(中國海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100)

結(jié)合大學(xué)本科化學(xué)專業(yè)物理化學(xué)實驗教學(xué)中 極化曲線的測定的 內(nèi)容，將實驗內(nèi)容進(jìn)一步擴(kuò)充，從橫向和縱向兩個方面努力探索如何將理論教學(xué)和實驗教學(xué)緊密結(jié)合，理論指導(dǎo)實踐，兩者共同提高。此外，文中結(jié)合電化學(xué)專業(yè)知識，將實驗過程中的認(rèn)識結(jié)合海洋金屬材料防腐和海洋能源開發(fā)進(jìn)行特色教學(xué)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，將實驗教學(xué)提升到具體科研實踐和技術(shù)開發(fā)過程，不斷提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

物理化學(xué)實驗；極化曲線；海洋特色；科研實踐

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和改革開放的進(jìn)一步深入，高等教育的規(guī)模快速發(fā)展，辦學(xué)條件從硬件和軟件兩方面也得到改善。中國海洋大學(xué)物理化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊在物理化學(xué)實驗課程多年的教學(xué)工作中也經(jīng)歷了幾次本科課程教學(xué)計劃和配套教材的改革。在動態(tài)發(fā)展過程中，我們深深體會到信息化時代知識容量擴(kuò)充驚人的速度，同時實驗課教學(xué)也與時俱進(jìn)，越來越向多元化和全面化、綜合化方向發(fā)展。我們結(jié)合從事本科教學(xué)工作的認(rèn)識和感悟，舉一反三，理論聯(lián)系實際，幫助學(xué)生不斷拓寬知識面，從而達(dá)到學(xué)生在實驗中深刻理解物理化學(xué)理論課教學(xué)內(nèi)容的目的。另一方面，認(rèn)識到作為實驗課的教師，我們也需不斷提高自己的業(yè)務(wù)能力和水平，通過不斷學(xué)習(xí)和加深理解，堅持縱向深化，力爭擴(kuò)大教學(xué)內(nèi)容的深度，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[1-3]。本文以中國海洋大學(xué)主編的新版實驗教材“極化曲線的測定”為例[4-5]，結(jié)合我們在物理化學(xué)實驗課程教學(xué)實際工作中遇到的問題，淺談一些實驗教學(xué)方法的改進(jìn)。

1 極化曲線實驗的概念

極化曲線實驗是物理化學(xué)電化學(xué)領(lǐng)域一種重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測定實驗，通過人為控制外加電流(或電位)來打破研究電極的平衡態(tài)，從而獲取電位(或電流)響應(yīng)的測試方法。極化曲線包括陰極和陽極極化曲線，實驗教學(xué)內(nèi)容是采用陽極極化測定，測試陽極金屬鎳電極在硫酸中的溶解過程，同時討論氯離子對陽極氧化膜的破壞作用。針對此實驗，我們教學(xué)團(tuán)隊采用如下教學(xué)方式。

2 極化曲線實驗教學(xué)改革

2.1 與理論課教學(xué)內(nèi)容橫向結(jié)合，補充和拓寬教學(xué)內(nèi)容

雖然理論課教材中已對電極電位以氫電極(SHE)和飽和甘汞電極(SCE)為基準(zhǔn)的規(guī)定有比較詳細(xì)的描述，然而學(xué)生對此尚缺乏直觀的認(rèn)識，導(dǎo)致在物理化學(xué)實驗教學(xué)中用到飽和甘汞電極時，學(xué)生還是比較茫然。對此，教師在實驗講授時，針對飽和甘汞參比電極的用途及使用注意事項進(jìn)行合理地引導(dǎo)，使實驗課的教學(xué)內(nèi)容更加具體生動。

另外，我們還將教學(xué)內(nèi)容擴(kuò)展到酸性體系中其他金屬的陽極極化曲線以及對應(yīng)的陰極極化曲線。通過對比陽極極化曲線，使學(xué)生理解不同pH值下(或不同電解液體系中)的陰極極化曲線特點及與陽極極化曲線的耦合作用，及其對金屬溶解和保護(hù)狀態(tài)的共同作用。

2.2 結(jié)合專業(yè)特色和科研成果，理論聯(lián)系實際，力爭培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維

培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才是高等教育高層次培養(yǎng)的內(nèi)涵和首要任務(wù)[6-9]，因此我們在教學(xué)過程中，還結(jié)合專業(yè)特色和科研成果，使教學(xué)內(nèi)容具有海洋特色。例如：在極化曲線測定的實驗教學(xué)中，我們把酸性溶液中金屬鎳的陽極溶解過程拓展到海洋領(lǐng)域，將海洋中金屬材料的腐蝕溶解過程和陽極極化曲線緊密結(jié)合，并通過比較海水中金屬腐蝕的特點，解釋主要影響因素等?！疤依畈谎?，下自成蹊”，通過這種教學(xué)方式，加強(qiáng)了理論知識的實用化，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。具體來講：

1)要掌握陽極極化曲線測定的原理，把極化電流和極化電位這一對參數(shù)緊密結(jié)合。我們以講解前次實驗“弱電解質(zhì)溶液的電離常數(shù)的測定”復(fù)習(xí)思考題中“醋酸的電導(dǎo)測定中為何使用大面積鉑黑電極”為切入點，解釋增加電極面積是為了減小極化的影響，盡量降低外界因素造成的干擾，從而把極化的概念順利引入到本次教學(xué)內(nèi)容中來。

2)結(jié)合在實際應(yīng)用來討論獲得極化曲線參數(shù)的目的和意義，做到學(xué)以致用[10]。在教學(xué)過程中，我們將臨界電流、臨界電位和維鈍電流這些抽象的參數(shù)與金屬保護(hù)中極其重要的一種電化學(xué)方法—陽極極化過程(使金屬表面鈍化或氧化從而避免金屬的進(jìn)一步蝕耗)中的鈍化電化學(xué)參數(shù)對應(yīng)起來；將過鈍化電位與金屬表面的過保護(hù)(因施加過大陽極極化而導(dǎo)致金屬的進(jìn)一步溶解，從而使金屬缺乏保護(hù))中的電化學(xué)參數(shù)對應(yīng)起來。通過這種教學(xué)方法，從而將枯燥難懂的參數(shù)和實際應(yīng)用結(jié)合起來，有助于學(xué)生的理解并提高其學(xué)習(xí)興趣，到達(dá)非常好的教學(xué)效果。

3)我們還根據(jù)金屬銅在硫酸溶液中的陽極溶解機(jī)理和氧陰極還原反應(yīng)機(jī)理、海水中金屬銅絲的陽極溶解尺寸效應(yīng)和海洋工程中氧陰極還原反應(yīng)極限擴(kuò)散電流的預(yù)測工作經(jīng)驗，結(jié)合本實驗鎳電極在酸中的溶解特點，將實驗內(nèi)容拓展到海洋中常用金屬材料(如不銹鋼、銅)，討論其腐蝕特點、海水中的大量氯離子對金屬表面保護(hù)性鈍化膜的破壞作用以及海水中溶解氧陰極還原反應(yīng)起的輔助作用，從而明確海洋防腐的重要性和任務(wù)的艱巨性。引導(dǎo)學(xué)生不斷思考，舉一反三，將生活、工業(yè)中的實際問題與所學(xué)內(nèi)容近距離結(jié)合，取得較好的教學(xué)效果。

2.3 進(jìn)一步的改革思路

在實驗教學(xué)改革過程中，關(guān)于極化曲線測定的實驗教學(xué)，我們還有許多工作和教學(xué)方法需要探索和實踐。例如：如何采用比較法依據(jù)恒電位法和恒電流法的各自特點和金屬的活化—鈍化—過鈍化特征來選擇合適的實驗方法；如何引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗結(jié)果實事求是地確定合適的掃描速度，并思考極化曲線快速掃描和慢速掃描各自的優(yōu)、缺點；如何結(jié)合實驗條件控制充分除氧效果及思考除氧不充分可能引發(fā)的后果；如何打磨電極至鏡面來控制有效反應(yīng)面積；引導(dǎo)學(xué)生深入思考極化曲線的重現(xiàn)性和可比性及影響因素；解釋掃描初始電位和終止電位的選擇原則和初始等待時間的選取依據(jù)；如何利用Origin、Excel等軟件和天津蘭立科測試系統(tǒng)自帶軟件處理極化數(shù)據(jù)等。總之，實驗教學(xué)不僅涉及精密的實驗設(shè)計、精細(xì)的實驗操作以及對細(xì)節(jié)的把握，還涉及對知識的拓展和深入思考和探索，通過實驗教學(xué)使學(xué)生不僅知其然，更要知其所以然。實驗教學(xué)傳授的不僅是單純的專業(yè)知識，更多的是多角度、全方位的綜合信息，在此也可使大學(xué)教育的理念得到進(jìn)一步的實現(xiàn)和提升。

贈人玫瑰，手有余香。本科物理化學(xué)實驗教學(xué)就是一個不斷投入和孜孜進(jìn)取的過程。作為教師，不僅要傳道、授業(yè)，更要解惑，要做到盡可能幫助學(xué)生從多個方面、多角度地全面掌握教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法，使其做到學(xué)以致用，不斷創(chuàng)新。在此我們教學(xué)團(tuán)隊將教學(xué)工作中的一點體會與大家一起學(xué)習(xí)交流，希望能促進(jìn)本科化學(xué)實驗課程教學(xué)的改革和發(fā)展。

3 結(jié)束語

本文本著“學(xué)以致用”的原則，將專業(yè)特色融入物理化學(xué)實驗教學(xué)中，不僅擴(kuò)充了實驗內(nèi)容，而且極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維方面卓有成效，也為以后的實驗教學(xué)提供借鑒和參考。

[1]李健. 名師的標(biāo)準(zhǔn) 執(zhí)教的范式[J]. 中國大學(xué)教學(xué)， 2003(9)：20.

[2]尹鴻鈞. 知識經(jīng)濟(jì)時代特征與我國高教改革發(fā)展戰(zhàn)略[J].教育與現(xiàn)代化， 1999(2)：3-11.

[3]馮麗娟. 改革中的大學(xué)化學(xué)——淺談非化學(xué)專業(yè)大學(xué)化學(xué)中元素化學(xué)的教學(xué)[J]. 中國海洋大學(xué)高教研究， 2001(3) ：11-14.

[4] 張洪林， 杜敏， 魏西蓮主編. 物理化學(xué)實驗[M]. 青島: 中國海洋大學(xué)出版社， 2009：99-93.

[5] 顧月姝. 基礎(chǔ)化學(xué)實驗(III)——物理化學(xué)實驗[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社， 2004：146-151.

[6] 彭方雁，劉慧琴.創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的探索與實踐[J].高等教育工程研究，2001(1)：27-30.

[7] 胡建華.大學(xué)教學(xué)改革與創(chuàng)新性人才培養(yǎng)[J].中國高等教育，2009(9):43-44.

[8] 顧建民.大學(xué)教育改革的創(chuàng)新實踐及基本走向[J].北京科技大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，1999(15)：79-83.

[9] 杜朝暉，邱雋.基于知識經(jīng)濟(jì)時代大學(xué)教學(xué)的改革與創(chuàng)新[J].黑龍江高教研究，2005(4):99-100.

[10] 馬萬華，俞岳青.目前大學(xué)教學(xué)改革中的一些實際問題[J].中國大學(xué)教學(xué)，2000(2)36-39.

Experiment Reform of Determination of Polarization Curve in Physical Chemistry Experiment

WANG Lisha, LU Yonghong, JI Hongwei, BAO Mutai, LI Ling

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100,China)

Taking “Determination of polarization curve” in Physical Chemistry Experiment textbook as an example, the improvement measurements are done. Firstly, more contents are added, theory teaching and experiment teaching are combined together and help each other. Secondly, some marine anti-corrosion technique for metal materials and ocean energy exploitation items are introduced into experiment teaching.It does not only accelerate the characteristic teaching, but also raise the ordinary experiment teaching up to practical scientific research and development process. Both can greatly increase the interest of undergraduates.

physical chemistry experiment; polarization curve; marine characteristic; practice of scientific research

2014-12-12；修改日期: 2015-01-08

中國海洋大學(xué)實驗室研究基金資助項目(841351012)。

王麗莎(1981-)，女，碩士，實驗師，主要從事物理化學(xué)和海洋環(huán)境化學(xué)研究工作。

蘆永紅(1973-)，女，博士，副教授，主要從事電化學(xué)方面的研究工作。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.032