融入科研成果的开放性化学实验教学设计

邓培红，冯泳兰，曾荣英，匡云飞，唐斯萍

（衡阳师范学院 化学与材料科学系，湖南 衡阳 421008）

实验教学是大学化学专业教学的重要组成部分。传统的实验教学一般都是简单的验证性实验，由于结论与预期的完全一致，故在学生创新能力培养方面显得不足。开放性实验克服了传统实验教学模式暴露出来的种种问题，成为众多高校进行实验教学改革的一项重大的成果［1－6］。开放性实验是学生根据要求设计实验方案，并验证方案可行性的自主性探究实验。实验内容可向生命、材料、环境等热点领域倾斜，实验设计应反映新的科研成果［7］。本文以“表面活性剂修饰碳糊电极测定复方芦丁片中芦丁和抗坏血酸的含量”为例，来说明开放性实验教学设计的指导思想和内容。

1 明确研究目的

开放性实验首先需要明确研究什么？研究的问题应具有一定的价值、实用性和可行性。可以是由教师给出，也可以由学生自己确定。复方芦丁片是一种有助于保持及恢复毛细血管正常弹性功能的中成药，主要用于高血压病的辅助治疗，其主要成分是维生素C和芦丁。芦丁是维生素P的一种，具有维持血管抵抗力、降低其通透性、减少脆性及抗炎、抗病毒等作用；维生素C为人体必需营养成分，临床用于坏血病的预防及治疗，可增加对感染的抵抗力［8］。芦丁和维生素C常共存于植物和药物中，因此实现两者的同时测定在药物分析方面具有重要的意义。电化学分析法是一类重要的仪器分析方法，是根据物质在溶液中的电化学性质建立起来的，具有仪器简单、成本低、选择性好、灵敏度高、分析速度快等优点［9］。近十多年来，在研究的各个领域，均取得了可喜的，长足的进展。其中，化学修饰电极是当前电化学分析最为活跃的研究领域，发展十分迅速［10］。化学修饰电极是将某些特定功能团或化合物利用化学和物理的方法修饰在电极表面，从而改变或改善电极原有的性质［11］。把这方面的知识设计成直观和有启发性的实验，将有助于学生更好地了解化学修饰电极的制备方法及应用。本文结合自己的科研成果［12］，采用吸附法制备表面活性剂修饰碳糊电极，并应用于复方芦丁片中芦丁和抗坏血酸的含量的同时测定，所需仪器简单、操作方便，很适宜作为大学开放性实验。

2 了解和掌握背景信息

要求学生通过查阅相关文献资料，了解所做的开放性实验的相关背景信息，包括国内外研究现状、相关的基础理论知识和实验技能。

2.1 国内外研究现状

要求学生能根据实验项目要求，能熟练查阅相关文献，了解所进行的开放性实验的国内外研究现状。目前，同时测定芦丁和抗坏血酸的方法有双波长紫外分光光度法［13］、正交函数分光光度法［14］、高 效液相色谱法［15］、毛细管电 泳法［16－17］等，这些方法共同的缺点是需对样品进行萃取分离，预处理过程复杂，耗时较长。电化学方法具有简单、灵敏度高、稳定性和选择性好等优点，且仪器价格便宜，体积小巧，利于现场监测。由于芦丁和抗坏血酸都是具有电化学活性的 化 合 物，单 独 测 定 芦 丁［18－21］和 抗 坏 血 酸［22－23］已 有 不 少 文献报道。然而，抗坏血酸与芦丁的氧化峰电位非常接近，在常规电极上氧化峰相互重叠，选择性差，用电化学方法同时测定芦丁和抗坏血酸尚未见文献报道。因此寻找一种稳定性好、灵敏有效、简单的电化学方法同时测定抗坏血酸和芦丁在药物分析方面具有重要的意义。

2.2 相关的理论知识

教师在设计开放性实验时要注意给学生提供相关“铺垫性”的理论知识。在“表面活性剂修饰碳糊电极测定复方芦丁片中芦丁和抗坏血酸的含量”设计中要求学生掌握的知识背景包括：

（1）化学修饰电极的概念；

（2）伏安法的实验原理；

（3）仪器分析的定量分析方法；

（4）仪器分析方法的评价指标。

2.3 相关的实验技能

开放性实验是提高学生动手能力，熟练掌握操作技能的有效途径之一。通过开放性实验，不仅使学生了解所需仪器的构造、工作原理、操作流程、注意事项及一般的维修维护知识，还锻炼了学生独立思考问题和解决问题的能力，为学生今后的学习和工作打下良好的基础。本开放性实验要求学生掌握的相关实验技能包括以下几个方面：

（1）相关电化学分析仪器的使用方法；

（2）酸度计的使用方法；

（3）化学修饰电极的制备方法；

（4）标准溶液的配制方法；

（5）缓冲溶液的配制方法。

3 确定研究的任务和内容

开放性实验强调学生在实验过程中的自主性与探索性，因此整个实验过程均要求学生独立完成。首先学生应主动带着问题去查找相关的资料和文献，进行归纳总结，并结合学过的理论知识设计合理的实验方案，在规定的时间内交给指导老师，指导老师和学生一起就方案进行讨论，指出可行和不当之处，将方案进一步完善。学生按照设计的实验方案独立进行实验，对于实验过程中出现的现象和问题，要求学生独立思考和解决，注重培养学生严谨细致的科学态度和实事求是的工作作风。实验结束后要求学生及时整理实验数据，得出结论，写出实验小论文。例如，在“表面活性剂修饰碳糊电极测定复方芦丁片中芦丁和抗坏血酸的含量”设计中老师可向学生提出如下任务和实验设计要求：设计并实施一个实验，目的是制备一种表面活性剂修饰碳糊电极，用电化学方法同时测定复方芦丁片中芦丁和抗坏血酸的含量。实验设计内容应包括：

（1）修饰电极的制备方法；

（2）需要采用的分析方法；

（3）所有的操作和步骤；

（4）要进行的相关计算；

（5）如何评价新方法。

4 制定应急方案

由于学生在自主学习能力上存在差异，并不是每个学生都能设计出合理的实验方案。因此指导教师应事先制定出应急的实验方案，让学生依此方案进行试验、得出数据及结论。应急方案应包括实验目的、实验原理、实验仪器及试剂、实验方法等。下面是“表面活性剂修饰碳糊电极测定复方芦丁片中芦丁和抗坏血酸的含量”的应急方案。

4.1 实验目的

通过该开放性实验，使学生掌握吸附法制备表面活性剂修饰碳糊电极的实验技能，加深理解化学修饰电极的概念和伏安法的测定原理，熟悉掌握相关电化学分析仪器的使用，引导、培养学生的创新意识。

4.2 实验原理

本实验采用的电化学分析技术为吸附溶出伏安法。吸附溶出伏安法是一种以吸附作为富集手段来提高测定灵敏度的伏安分析法。首先使被测物先以自发扩散或强制对流吸附在电极上，然后采用一定的扫描电压方式，将被测物从电极溶出，物质溶出过程中，可得到一尖峰状的伏安曲线。溶出峰的位置与物质本身的性质有关，可进行定性分析，溶出峰电流的大小与物质的浓度成线性关系，可进行定量分析。表面活性剂独特的两亲结构使它很容易在电极／溶液界面发生吸附，形成致密有序的单分子层或多分子层结构，并能改变电极的界面性质，影响物质的扩散及电化学反应，因而被广泛应用于电化学和电分析化学领域［24－26］。此类体系主要是利用表面活性剂的疏水作用及其与待测物的静电、配合等作用，以达到电化学增敏的目的。此外，还能提高分析的选择性和重现性、改善伏安波形、抑制或者消除干扰。

4.3 实验

4.3.1 仪器和试剂

CHI660D电化学工作站（上海辰华仪器厂）；JP－303型极谱分析仪（成都仪器厂）；SH2601精密酸度计（上海大普仪器有限公司）；78－1磁力加热搅拌器（山东甄城鲁电热仪器有限公司）；实验采用三电极系统，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，自制的修饰电极为工作电极。

芦丁标准溶液（1×10－3mol／L）：在电子天平上准确称取0.061 05g芦丁，用乙醇溶解，定容于100mL的容量瓶中，用时再逐级稀释至所需浓度；抗坏血酸标准溶液（1×10－2mol／L）：在电子天平上准确称取0.176g抗坏血酸，用水溶解，定容于100mL的容量瓶中，用时再逐级稀释至所需浓度。所有试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

4.3.2 表面活性剂修饰碳糊电极的制备

将碳粉与固体石蜡按一定的质量比放入研钵，混合均匀后装入小瓶中，加热，使固体石蜡熔融，取出后迅速装进直径1mm的玻璃毛细管中，插入铜丝压紧后，上端用蜡封固定，电极表面在光滑的纸上抛光。用吸附法将阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵吸附在碳糊电极表面制得修饰电极，干态室温下保存备用。

4.3.3 实验方法

将自制的表面活性剂修饰碳糊电极浸入含有一定量抗坏血酸与芦丁标准溶液的的支持电解质溶液中，搅拌富集一段时间，静置5s，以100mV／s的速率从0mV正向扫描至1 000mV，记录伏安图。

4.3.4 实验内容

（1）修饰电极制备条件的优化。如粘合剂种类的选择、碳粉与粘合剂的最佳配比、表面活性剂种类及浓度对电化学响应信号的影响。

（2）测试条件的优化：研究各种不同的测试条件如支持电解质的种类、浓度及酸度、富集电位、富集时间、扫描速率等对电化学响应信号的影响。

（3）利用各种方法对电极过程机理进行探讨，如电极反应是否可逆；电极过程是吸附控制还是扩散控制；电极反应的电子转移数和质子转移数等。

（4）配制一系列不同浓度的芦丁和抗坏血酸标准溶液，依次测其峰电流，求其线性范围和检出限。

（5）对电极性能进行评价，如电极的重现性和稳定性，抗干扰情况等。

（6）样品测定：将十片复方芦丁片用研钵研成细粉并充分混合，然后准确称取相当于两片的质量于小烧杯中，加入适量乙醇，超声搅拌助溶，用乙醇稀释至所需浓度。用移液管准确移取一定量样品溶液，在最佳条件下进行测定。

4.4 数据处理

要求学生用图、表等表示实验的结果，从对结果的处理中得出结论，并运用相应的科学知识和理解来解释结论。本实验的数据处理要求包括以下几个方面：

（1）根据相关的实验数据利用Excel电子表格绘制相关的图、表，通过图表对修饰电极的制备条件和实验测试条件进行优化。

（2）根据浓度和峰电流的关系，绘制芦丁和抗坏血酸含量的标准曲线，并得出其相应的线性回归方程和相关系数；求出以噪音电流3倍值对应的浓度作为本方法的检测限。

（3）由测得样品的伏安曲线及峰电流数据，用标准曲线法或标准加入法求一片复方芦丁片中芦丁和抗坏血酸的含量。往样品溶液中加入芦丁和抗坏血酸标准溶液，计算回收率。

（4）用数理统计的方法合理表示分析结果。

（5）从精密度、准确度、灵敏度、线性范围、检出限等方面合理评价分析方法。

5 设计实验思考题

针对实验教学的不同环节分别设计思考题，可以及时地、启发性地指导学生发现、分析和解决问题，检验学生对实验的掌握程度，引导学生更多地去查看文献，拓宽知识面。通过思考问题还可以使学生根据实验数据归纳总结出正确的实验结果，讨论影响实验结果的因素，并加深对实验原理、实验方法的理解，改善和提高实验教学的效果。

本实验可以设计如下思考题：

（1）什么是碳糊电极？什么是化学修饰碳糊电极？化学修饰碳糊电极制备的方法有哪些？

（2）电化学分析方法有哪些？伏安法测定的原理是什么？

（3）仪器定量分析方法的评价指标有哪些？如何客观合理地评价本实验的分析方法？

（4）底液酸度的改变对芦丁和抗坏血酸的峰电流产生怎样的影响？为什么？

（6）标准曲线如何绘制？如何计算检出限？

（7）仪器分析定量分析方法有哪些？如何计算样品中芦丁和抗坏血酸的含量？

（8）如何计算回收率？如何正确表示分析结果？

6 小 结

目前，在大学开设的化学实验课程中，涉及电化学分析和药物分析的实验还比较少，本文可作为开放性实验的内容，对培养学生独立探索、大胆创新的精神，提高学生的综合能力和素质很有意义。

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