BZ振荡反应实验的验证／探索两段式教学尝试

2014-05-02高卫，淳远

实验技术与管理 2014年5期

高卫，淳远

（南京大学化学化工学院国家级实验教学示范中心，江苏南京 210093）

知识经济的兴起和信息技术的发展对高校本科教育提出了更高的要求。根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》的精神，当前教学改革的重点之一就是要转变教学思路，要建立“以学生为主体，以教师为主导”的教学方式，给予学生更多的自主性学习空间，以期培养出更多高水平、创新型人才，以适应社会的需求［1－3］。在实验教学中，传统的验证性实验为主的教学方式已不能满足需要，大力增加综合性和研究性实验，培养学生的创新能力和综合能力已成为现阶段实验教学发展的总体趋势［4－7］。

1 BZ振荡反应

BZ振荡反应是大学本科物理化学的一个基础实验，属于非平衡态热力学内容，在国内许多高校都有开设［8－9］。在开放和远离平衡态的条件下，由于反应系统内部非线性动力学机制的作用，系统可以形成和维持宏观上时空有序的结构，即耗散结构。耗散结构是非平衡态热力学研究的一个热点。BZ振荡是指在酸性介质中，有机物在有（或无）金属离子催化的条件下被溴酸盐氧化，某些中间组分的浓度发生的周期性变化。BZ振荡系统是一种非常典型的耗散结构，是由前苏联科学家 Belousov［10］和 Zhabotinski［11］发现和发展起来，并由此而命名。

历史上很多科学家对BZ振荡过程开展过研究，其中比较出名的是1972年由R.J.Fiela、E.Koros和R.Noyes提出的FNK机理［12］，已被广泛接受。其核心内容为：系统中存在受溴离子浓度控制的A和B两个过程，当溴离子浓度高于临界浓度，发生A过程，若溴离子浓度低于临界浓度，则发生B过程。以溴酸钾、丙二酸、硫酸铈铵和硫酸构成的BZ系统为例，简单分析一下该反应过程。

首先BrO－3和Br－在酸性条件下发生如下的初始反应：生成产物HBrO2，可氧化Br－被消耗，构成A过程，也可能被BrO3－氧化，构成B过程。

当［Br－］高于临界浓度时，先发生A过程，主要包括如下（2）—（4）的3步反应：

A过程消耗的Br－通过溴再生过程（5）来补充，在该过程中Ce4＋被还原。

当Ce4＋被大量转化后，A过程消耗的Br－来不及补充，会导致［Br－］低于临界浓度。此时 HBrO2与BrO－3反应的速率超过与Br－的反应速率，则发生B过程。B过程主要包括（6）—（8）3步反应。在此过程中HBrO2被BrO－3氧化，所形成的BrO2进一步氧化3价Ce3＋离子为4价Ce4＋。

B过程是一个自催化过程，反应（7）中形成的产物HBrO2作为自催化剂能不断加快反应（6）的速率，保证了B过程的顺利进行，同时Ce3＋也被氧化为Ce4＋。形成的Ce4＋又通过溴再生过程产生出Br－。当B过程进行到后期，反应速率非常快，Ce3＋离子被大量消耗，不足以还原BrO2形成自催化剂 HBrO2，则反应（6）的速率会急剧下降，低于A过程反应（2）的速率，则又发生以A过程为主的反应。整个过程如此循环，最终构成了化学振荡。

BZ振荡过程的总反应可用方程（9）来表示，在这一过程中，丙二酸、溴酸钾和氢离子被不断消耗，最终形成丙二酸溴、二氧化碳和水等产物。事实上，BZ振荡现象的维持需要不断消耗总反应中的反应物，只有保持该总反应处于远离平衡的条件下，才能维持Ce4＋和Ce3＋之间的来回转变，外观上表现为溶液颜色在淡黄色和无色之间周期性变化，可通过测定电动势随时间的变化曲线来观察，并由此确定反应的诱导期。

另一个常见的BZ振荡反应过程是由“NaBr－NaBrO3－H2SO4”系统中加入丙二酸和试亚铁灵构成，其反应机理与前者类似。在静置的条件下，该反应过程中会出现向外扩展的圆环，并最终呈现红蓝相间的同心圆花纹图案，故称为“同心圆”实验。

2 传统的验证性实验教学模式

长久以来，在BZ振荡反应中，我们采用的是传统的验证性实验教学方式，整个实验过程的安排如图1所示，可分为4个阶段。首先进行原理讲解，然后开始实验操作，最后组织集体讨论。在实验操作过程中，学生需要控制一系列的温度进行反应，记录电势随时间的变化曲线，观察BZ振荡过程时间有序变化，并找出相应的诱导期；再通过随后进行的同心圆实验，了解BZ振荡反应空间有序变化。在数据记录与处理上，主要根据该反应诱导期与反应的速率系数成反比，再利用阿仑尼乌斯公式，图解法求出表观活化能的数值。而评判学生实验的主要标准是看线性的好坏和表观活化能的大小。为了减少实验误差，在每一温度下学生都需要重复测定反应的诱导期，因而诱导期测试时间较长，留给同心圆实验的时间较短。

图1 传统验证性实验教学模式下BZ振荡反应的实验安排

这样的实验安排存在着许多问题，比如：在实验过程中由于时间限制，很难完整地观察到同心圆实验的空间有序变化过程；由于不同学生能力上有所差距，完成实验的时间也有长有短，部分学生在实验后期无事可做，而一些学生又不能按时测定完诱导期，影响到最后的集体讨论；更重要的是，面对BZ振荡这样一个复杂反应系统，学生只是按照书上的步骤完成实验测试，对该反应的了解仅停留在教材上的内容，很难真正去认识整个反应过程。

3 验证／探索两段式教学模式

BZ振荡反应的传统教学模式中，我们关注的是学生对物理化学相关理论知识的了解和基本技能的训练，采用的是以教师为主体的被动式教学，不能充分调动学生的积极性。该实验过程反应复杂，影响因素众多，在传统的教学模式下很难去具体分析。在多年教学经验积累的基础上，我们尝试对BZ振荡反应的实验过程进行改革，通过合理的统筹规划，压缩了部分实验内容，引入自主探索时间，形成一种新型验证／探索两段式教学模式，见图2。

图2 验证／探索两段式教学模式下BZ振荡反应的实验安排

如图2所示，在这样一个两段式教学模式中，前半段主要沿用原来的教学方法，通过验证性实验使学生掌握相关的基本实验技术和方法；而后半段则开辟为自主探索性实验时间，让学生利用本实验的方法和仪器，带着一定的目的，自行去设计和研究该实验过程，以培养其自主创新能力。为了获得足够的探索时间，我们对原来的实验过程进行了重新规划。由于同心圆实验大部分时间是在观察系统的颜色变化，而在测定反应诱导期时，也会有一些等待的空余时间，在新教学模式中，我们不专门安排时间进行同心圆实验，而是将同心圆实验穿插在了诱导期测定的间歇；此外我们也对诱导期测定过程进行了调整，大大减少了重复测定的次数。经这样优化后，学生可以有1.5h左右的时间进行自主探索。

如上所述，采用验证／探索两段式教学模式可以同时兼顾学生物理化学基本实验技能训练和创新性能力的培养。除此之外，验证／探索两段式教学模式还具有如下一些优势：

（1）易于实施。经典的物理化学实验项目都是历经几代人的心血汇聚而成，要设计一个全新的综合性、研究性实验项目不是一朝一夕的事情，而采用验证／探索两段式教学则不需改变现有的实验项目，不需要增加更多的设备，甚至教材也无需进行修改，转变非常方便，也很容易进行推广。

（2）适应性强。这样的两段式实验教学时间安排弹性大，教师很容易从宏观上控制实验时间。根据学生完成的具体情况，自主探索实验时间可长可短，并且每个学生也可以不同，这样既能满足优秀学生深入探索的需求，又能照顾到部分困难学生基本技能的培训。

（3）能充分调动学生的积极性。相比于传统的按部就班式实验模式，自主探索过程给予了学生自己选择的权利，能够极大地调动他们的研究兴趣，促使他们去思考并解决问题。

（4）有助于完善实验教学内容。学生的自主探索过程，实际上也是对该实验的深入研究过程。由于每届学生人数众多，而每个学生的兴趣和出发点可能有所不同，相应会从不同的角度去研究这一实验过程，他们的研究结果将极大地丰富我们对该实验的认识，为进一步的改进打下良好的基础。

4 验证／探索两段式教学效果

采用这种新型验证／探索两段式教学模式，我们已在BZ振荡反应中试点了一年时间。在实验过程中，学生非常踊跃，从不同角度对该反应进行了研究，获得了很多有意义的结果。从他们的设计方案来看，反应物种浓度变化带来的影响研究较多：有学生考察了Ce4＋浓度减半条件下的振荡情况，发现诱导期会明显增加，振荡周期变化很小，而振幅却明显下降；有学生降低了KBrO3的浓度，发现振荡周期会显著上升，远高于诱导期和振幅的变化；有学生逐步稀释了丙二酸的浓度，发现诱导期和振荡周期都会随之显著增加，而振幅却明显下降；有学生关注了H＋浓度变化，发现H＋重点影响振荡周期，但若H＋浓度过低，振荡则不会发生。也有不少学生研究了添加其他物种或取代某一反应物种带来的影响，发现：如Ce4＋被Fe2＋取代，振荡不能发生，而若使用试亚铁灵，则振荡周期会急剧变短；添加Br－，诱导期变短，而加入Cl－和I－都无振荡发生。还有一些学生研究了反应条件变化的影响，发现：延长Ce4＋的恒温时间对反应无影响，但是延长丙二酸、溴酸钾和硫酸混合溶液的恒温时间则会改变诱导期，并且可以观察到恒温时溶液电势的持续下降；改变单独恒温的反应物种会影响诱导期，并且溶液颜色也会发生变化；搅拌速度变化也会略微改变诱导期。

在这些探索实验结果的基础上，学生在集体讨论时非常活跃，课后查阅了不少文献资料，对探索实验的结果进行了合理分析，对BZ振荡过程涉及到的诱导期、振荡周期反应时参与的物种、反应机制都有了更为深入的认识。

从学生的反馈来看，应该说两段式教学模式取得了很好的效果。在课后问卷中，绝大多数学生对采用两段式教学模式的BZ振荡反应印象深刻，远远超过以前采用传统验证性实验教学模式下的评价。学生总体反映这样一种教学方式很好，认为设计实验的引入很有意义，并希望每个实验都增加一些自主探索的内容，让他们有自主空间，以提高动手能力。