探索科研成果孵化教學成果的本科化學實驗教學改革
——以溶出伏安法檢測重金屬離子為例

＊張代雄 向慶 郭曉剛 王崇均 吳四維 古興興

（1.重慶工商大學環(huán)境與資源學院 重慶 400067 2.貴州師范大學材料與建筑工程學院 貴州 550001 3.長江師范學院化學化工學院 重慶 408100）

1.實驗教學設計

近年來，隨著我國綜合國力的不斷提高，國內高校學術平臺和資源不斷充實，各高校在各個學科領域的科研學術水平也取得明顯進步。在此時代背景下，構建學術成果與教學成果轉換之間的橋梁，鼓勵高校教師利用學術成果孵化教學成果、固化課程內容，為本科/研究生教育和人才培養(yǎng)提供高水平師資和教學內容，拓展學生的專業(yè)前沿學術視野，成為越來越多的高校教育工作者的共識[1-3]。通過這類措施，從學校層面來說，教師的科研成果可以服務于本校的更多學生的教學培養(yǎng)，而不僅僅是參與學科排名；從學生層面來說，更多的學生可以受益于教師在學科前沿領域取得的成果；從教師本人層面來說，可以同時在科研和教學兩個方面體現(xiàn)自身的價值，并進入科研與教學相互輝映的良性發(fā)展通道。遵循此思路，作者基于自身學術成果，在重慶工商大學環(huán)境與資源學院的化學專業(yè)實驗教學改革中做出了一些嘗試，并取得了較好的改革效果。

汞膜電極溶出伏安法檢測重金屬離子是我院應用化學專業(yè)開設的《化學綜合實驗》的一個實驗教學項目。通過本實驗課程項目教學可完成對學生電化學與分析化學基礎知識和技能的培養(yǎng)與考核，具有良好的理論性和實踐性。學生學習課程中通過對電化學工作站的使用，可以為后續(xù)專業(yè)課程的學習與應用奠定基礎，掌握電化學工作站及溶出伏安法的基本概念、基本原理和基本方法，還能在電分析化學研究領域中得到應用。但與此同時，該實驗課程的內容設計上也存在一些問題，主要集中在以下三個方面：（1）測試精度不高，重現(xiàn)性差，測試峰電流信號與重金屬離子標準溶液的線性相關性差，難以進行數據處理和分析[4]；（2）單次測試時間偏長，每個樣品大概需要十幾分鐘測試，學生難以在實驗教學課時內完成標準曲線數據的測試；（3）測試采用汞膜電極法，涉及汞和硝酸汞等劇毒化學品的使用，學生人身安全和環(huán)境安全都面臨潛在隱患。

針對上述問題，作者基于近年從事溶出伏安法檢測重金屬離子的研究成果以及對相關領域研究最新進展的認識，提出了以鉍膜電極替代汞膜電極來改革溶出伏安法檢測重金屬離子實驗教學的思路[5-6]。眾所周知，鉍膜電極是近年來溶出伏安法檢測重金屬離子的研究熱點，相對于20世紀廣泛使用的汞膜電極，具有環(huán)保、安全、靈敏等諸多優(yōu)點。作者在該實驗項目教學改革中，以自身在鉍膜電極檢測重金屬離子取得的學術研究成果為基礎，以探索調制電化學測試程序為手段，大幅縮短了測試時間，提高了檢測重現(xiàn)性和精確度。改革后的實驗教學中學生實驗操作可控性高，增強了學生實驗的積極性，取得了良好的實驗效果。

在教學改革具體的設計思路上，本文采用玻碳電極為工作電極，以鉍鹽作為制備鉍膜的前驅體，選擇陽極方波溶出伏安法作為實驗測試程序，在負電位預富集階段將鉍離子同步還原成金屬鉍膜，從而提高對待測重金屬離子陽極溶出氧化峰電流信號的響應，實現(xiàn)對待測重金屬離子的高靈敏度和高重現(xiàn)性檢測。

2.實驗過程

(1)預處理工作電極

每次測試前，將直徑為3mm的玻碳電極在絲絨拋光布上畫“8”字形打磨，至表面成鏡面效果，拋光粉末為0.05μm的Al2O3。打磨完畢后，用蒸餾水多次沖洗玻碳電極表面，晾干待用。

(2)配制試液

以0.1mol·L-1的乙酸和0.1mol·L-1的乙酸鈉配置pH值為4.5的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液A。在緩沖溶液A中加入適量提前溶解的硝酸鉍溶液，得到含800μg·L-1的Bi3+的緩沖溶液B。在緩沖溶液B同時加入相同量的Pb2+標準溶液和Cd2+標準溶液，得到Cd2+和Pb2+質量濃度均為20μg·L-1、40μg·L-1、60μg·L-1、80μg·L-1、100μg·L-1的五組標準溶液各100ml，用于測試、制備標準曲線。

(3)陽極方波溶出伏安法測試Cd2+和Pb2+

使用辰華電化學工作站進行測試，采用三電極體系：以上述磨好的玻碳電極為工作電極，以Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極為對電極。取上述含Cd2+和Pb2+的待測標準溶液為電解液，開啟攪拌并固定攪拌速度，以陽極方波溶出伏安法進行測試：在-1.2V電位下保持120s，實現(xiàn)Bi3+、Cd2+和Pb2+的預富集；隨后停止攪拌，在-1.2V時保持靜置10s；接著進行陽極溶出伏安掃描，電位掃描范圍為-1.2～0.3V，記錄電極表面Cd2+和Pb2+的溶出伏安曲線。方波溶出伏安法的參數為：頻率25Hz，電位階躍5mV，振幅25mV。每次測量后，將電極在0.3V恒定電位下攪拌60s，以清洗工作電極表面。最后，待標準曲線后測試完，以同樣的方法測試未知樣品溶液。

(4)實驗結果分析

對于Cd2+和Pb2+質量濃度均為100μg·L-1的標準溶液利用鉍膜電極法測試溶出伏安曲線，如圖1a所示。在-0.19V左右出現(xiàn)的峰是Bi3+的氧化峰，而與待測離子空白溶液測試結果對比可發(fā)現(xiàn)，在-0.86V、-0.60V左右分別出現(xiàn)了Cd2+、Pb2+的溶出氧化峰，其峰型尖銳、基線平直、兩峰分離度高，說明具有優(yōu)異的定性檢測性能。圖1b是三次重復測試的結果，從圖中可以看出重復測試所得曲線幾乎完全重合，表明多次測量具有極高的穩(wěn)定性。綜上所述，本文采用的鉍膜電極在檢測Cd2+和Pb2+時具有靈敏度高、重現(xiàn)性好、可檢測性強的優(yōu)點，解決了教學改革前所采用的汞膜電極溶出伏安法檢測重金屬離子存在的種種問題。

圖1 利用鉍膜電極測試的溶出伏安曲線，Pb2+和Cd2+質量濃度均為100μg·L-1（a）與空白對比（b）三次重復測試

圖2a是鉍膜電極溶出伏安法測試五組Cd2+和Pb2+標準溶液所得的溶出伏安曲線，Cd2+和Pb2+質量濃度均為20μg·L-1、40μg·L-1、60μg·L-1、80μg·L-1、100μg·L-1。由該圖可看出，Cd2+和Pb2+的氧化峰電流均隨質量濃度的增加而增加。圖2b是將Cd2+和Pb2+的峰電流值與質量濃度分別進行線性擬合得到的曲線，對應的線性擬合方程分別如下：

圖2 （a）不同質量濃度Cd2+和Pb2+在鉍膜電極上的溶出伏安曲線（b）Cd2+和Pb2+的峰電流值與質量濃度的線性關系圖

ICd=1.38CCd-4.14，R2=0.9982

IPb=1.59CPb-4.21，R2=0.9973

其中，I是Cd2+和Pb2+時的氧化峰電流（μA）；C是Cd2+和Pb2+的質量濃度（μg·L-1）；R2是峰電流-質量濃度擬合線性方程的線性相關系數。

對于Pb2+和Pb2+而言，其峰電流值與質量濃度線性擬合方程的線性相關系數分別為0.9982和0.9973。結果表明，本文采用的鉍膜電極溶出伏安法在檢測Cd2+和Pb2+時電流響應信號與質量濃度之間的線性相關性高，能夠滿足定量檢測的要求。

3.教學效果

針對本文開篇提出的現(xiàn)有汞膜電極溶出伏安法測試重金屬離子實驗教學中存在的三個技術性問題，在本文探索采用的鉍膜電極-陽極方波溶出伏安法測試Cd2+和Pb2+的實驗教學過程中，得到較好的解決。首先，課程改革后的實驗檢測具有優(yōu)異的重現(xiàn)性，多次重復測量時，Cd2+和Pb2+的陽極氧化峰的峰型、位置和峰高幾乎一致，表明了良好的重現(xiàn)性；而采用本法測得標準曲線中，Cd2+和Pb2+的質量濃度和峰電流之間具有良好的線性相關性，線性相關系數分別為0.9982和0.9973。其次，單次測試時間由之前的約15min大幅縮減為約5min：測試約3min，清洗1min，磨樣約1min，能夠保證絕大多數學生在規(guī)定實驗教學課時內完成標準曲線數據的測試。另外，不同高校可以基于自身教學課時的安排，設計引導學生考察預富集電壓、富集時間等因素對峰電流信號響應的影響，在本實驗教學改革的內容延伸中，這類教學內容的設計也都有可靠的實驗效果，從而可進一步提高教學效果、促進學生創(chuàng)新探索興趣。同時，各高校在契合教師自身學術研究方向的前提下，還可以結合鉍膜電極最新研究進展，進一步開展“第二課堂”實驗教學，特別是采取“小班教學”的方式，給予師生雙方充足有效的溝通交流空間，將本項目從驗證性的實驗教學，轉化為探索前沿領域的創(chuàng)新實驗課程，這在本科教學和研究生教學中都存在探索開展的可行性[6-15]。最后，新實驗項目以鉍膜電極法取代了之前使用的汞膜電極法，杜絕了汞和硝酸汞等劇毒化學品的使用。此外，除工作電極汞膜電極需更換為玻碳電極以外，汞膜電極法所使用的其它設備、配件、耗材都得到重新使用，以較低的成本完成了該實驗教學項目的改革。

傳統(tǒng)的汞膜電極溶出伏安法檢測重金屬離子本科實驗教學，一方面屬于一個開設多年的經典實驗，但另一方面也存在內容與理念相對陳舊的問題。其教學內容缺乏相關研究領域最新研究前沿的擴展和引導，更像是一個驗證性的實驗，很難引起學生進一步深入開展創(chuàng)新性研究的學習興趣。本文嘗試以作者自己學術成果孵化的鉍膜電極溶出伏安法檢測重金屬離子的實驗教學改革，既在技術層面完成了學術成果向教學成果的轉換，又在本科實驗教學中進一步介紹相關研究背景和優(yōu)秀成果，激勵學生對該理論知識背后前沿進展的強烈興趣，引導學生思維擴展，開展大學生創(chuàng)新實驗設計，從而提升了學生對溶出伏安法的學習層次。

4.結語

本文介紹了作者以自己在溶出伏安法檢測領域取得的研究成果為基礎，將鉍膜電極溶出伏安法檢測重金屬離子這一研究內容設計融入到本科實驗教學中，為本校今后持續(xù)開展的應用化學專業(yè)實驗教學項目，較好地完成了教學改革的預期目標?？偨Y本實驗教學改革收獲，作者認為，在科研成果孵化教學成果的實驗教學過程中，一方面要高度重視實驗技術細節(jié)的打磨，從前沿的學術成果到穩(wěn)定可行的實驗技術方案的轉換往往需要全方位、細致、反復的不斷測試和調整，并且要結合本校實驗室平臺資源的客觀實際，才能打造出高品質的實驗課程教學項目；另一方面也要善于擴展學生的學術前沿視野，可以嘗試把知識的傳授設計成科研經歷的分享，把科研面臨的問題作為一個故事講好、講生動，從而激勵學生開展創(chuàng)新性實驗的興趣。最后，教師在參與本類教學改革時，還應秉持開源節(jié)流的初心，在課程的設計上應充分利用本?，F(xiàn)有平臺資源，避免因實驗項目改革大量更新儀器材料造成的資源浪費。