BZ振蕩反應實驗的驗證／探索兩段式教學嘗試

高 衛，淳 遠

（南京大學 化學化工學院國家級實驗教學示范中心，江蘇 南京 210093）

知識經濟的興起和信息技術的發展對高校本科教育提出了更高的要求。根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》的精神，當前教學改革的重點之一就是要轉變教學思路，要建立“以學生為主體，以教師為主導”的教學方式，給予學生更多的自主性學習空間，以期培養出更多高水平、創新型人才，以適應社會的需求［1－3］。在實驗教學中，傳統的驗證性實驗為主的教學方式已不能滿足需要，大力增加綜合性和研究性實驗，培養學生的創新能力和綜合能力已成為現階段實驗教學發展的總體趨勢［4－7］。

1 BZ振蕩反應

BZ振蕩反應是大學本科物理化學的一個基礎實驗，屬于非平衡態熱力學內容，在國內許多高校都有開設［8－9］。在開放和遠離平衡態的條件下，由于反應系統內部非線性動力學機制的作用，系統可以形成和維持宏觀上時空有序的結構，即耗散結構。耗散結構是非平衡態熱力學研究的一個熱點。BZ振蕩是指在酸性介質中，有機物在有（或無）金屬離子催化的條件下被溴酸鹽氧化，某些中間組分的濃度發生的周期性變化。BZ振蕩系統是一種非常典型的耗散結構，是由前蘇聯科 學 家 Belousov［10］和 Zhabotinski［11］發 現 和 發 展 起來，并由此而命名。

歷史上很多科學家對BZ振蕩過程開展過研究，其中比較出名的是1972年由R.J.Fiela、E.Koros和R.Noyes提出的FNK機理［12］，已被廣泛接受。其核心內容為：系統中存在受溴離子濃度控制的A和B兩個過程，當溴離子濃度高于臨界濃度，發生A過程，若溴離子濃度低于臨界濃度，則發生B過程。以溴酸鉀、丙二酸、硫酸鈰銨和硫酸構成的BZ系統為例，簡單分析一下該反應過程。

首先BrO－3和Br－在酸性條件下發生如下的初始反應：生成產物HBrO2，可氧化Br－被消耗，構成A過程，也可能被BrO3－氧化，構成B過程。

當［Br－］高于臨界濃度時，先發生A過程，主要包括如下（2）—（4）的3步反應：

A過程消耗的Br－通過溴再生過程（5）來補充，在該過程中Ce4＋被還原。

當Ce4＋被大量轉化后，A過程消耗的Br－來不及補充，會導致［Br－］低于臨界濃度。此時 HBrO2與BrO－3反應的速率超過與Br－的反應速率，則發生B過程。B過程主要包括（6）—（8）3步反應。在此過程中HBrO2被BrO－3氧化，所形成的BrO2進一步氧化3價Ce3＋離子為4價Ce4＋。

B過程是一個自催化過程，反應（7）中形成的產物HBrO2作為自催化劑能不斷加快反應（6）的速率，保證了B過程的順利進行，同時Ce3＋也被氧化為Ce4＋。形成的Ce4＋又通過溴再生過程產生出Br－。當B過程進行到后期，反應速率非常快，Ce3＋離子被大量消耗，不足以還原BrO2形成自催化劑 HBrO2，則反應（6）的速率會急劇下降，低于A過程反應（2）的速率，則又發生以A過程為主的反應。整個過程如此循環，最終構成了化學振蕩。

BZ振蕩過程的總反應可用方程（9）來表示，在這一過程中，丙二酸、溴酸鉀和氫離子被不斷消耗，最終形成丙二酸溴、二氧化碳和水等產物。事實上，BZ振蕩現象的維持需要不斷消耗總反應中的反應物，只有保持該總反應處于遠離平衡的條件下，才能維持Ce4＋和Ce3＋之間的來回轉變，外觀上表現為溶液顏色在淡黃色和無色之間周期性變化，可通過測定電動勢隨時間的變化曲線來觀察，并由此確定反應的誘導期。

另一個常見的BZ振蕩反應過程是由“NaBr－NaBrO3－H2SO4”系統中加入丙二酸和試亞鐵靈構成，其反應機理與前者類似。在靜置的條件下，該反應過程中會出現向外擴展的圓環，并最終呈現紅藍相間的同心圓花紋圖案，故稱為“同心圓”實驗。

2 傳統的驗證性實驗教學模式

長久以來，在BZ振蕩反應中，我們采用的是傳統的驗證性實驗教學方式，整個實驗過程的安排如圖1所示，可分為4個階段。首先進行原理講解，然后開始實驗操作，最后組織集體討論。在實驗操作過程中，學生需要控制一系列的溫度進行反應，記錄電勢隨時間的變化曲線，觀察BZ振蕩過程時間有序變化，并找出相應的誘導期；再通過隨后進行的同心圓實驗，了解BZ振蕩反應空間有序變化。在數據記錄與處理上，主要根據該反應誘導期與反應的速率系數成反比，再利用阿侖尼烏斯公式，圖解法求出表觀活化能的數值。而評判學生實驗的主要標準是看線性的好壞和表觀活化能的大小。為了減少實驗誤差，在每一溫度下學生都需要重復測定反應的誘導期，因而誘導期測試時間較長，留給同心圓實驗的時間較短。

圖1 傳統驗證性實驗教學模式下BZ振蕩反應的實驗安排

這樣的實驗安排存在著許多問題，比如：在實驗過程中由于時間限制，很難完整地觀察到同心圓實驗的空間有序變化過程；由于不同學生能力上有所差距，完成實驗的時間也有長有短，部分學生在實驗后期無事可做，而一些學生又不能按時測定完誘導期，影響到最后的集體討論；更重要的是，面對BZ振蕩這樣一個復雜反應系統，學生只是按照書上的步驟完成實驗測試，對該反應的了解僅停留在教材上的內容，很難真正去認識整個反應過程。

3 驗證／探索兩段式教學模式

BZ振蕩反應的傳統教學模式中，我們關注的是學生對物理化學相關理論知識的了解和基本技能的訓練，采用的是以教師為主體的被動式教學，不能充分調動學生的積極性。該實驗過程反應復雜，影響因素眾多，在傳統的教學模式下很難去具體分析。在多年教學經驗積累的基礎上，我們嘗試對BZ振蕩反應的實驗過程進行改革，通過合理的統籌規劃，壓縮了部分實驗內容，引入自主探索時間，形成一種新型驗證／探索兩段式教學模式，見圖2。

圖2 驗證／探索兩段式教學模式下BZ振蕩反應的實驗安排

如圖2所示，在這樣一個兩段式教學模式中，前半段主要沿用原來的教學方法，通過驗證性實驗使學生掌握相關的基本實驗技術和方法；而后半段則開辟為自主探索性實驗時間，讓學生利用本實驗的方法和儀器，帶著一定的目的，自行去設計和研究該實驗過程，以培養其自主創新能力。為了獲得足夠的探索時間，我們對原來的實驗過程進行了重新規劃。由于同心圓實驗大部分時間是在觀察系統的顏色變化，而在測定反應誘導期時，也會有一些等待的空余時間，在新教學模式中，我們不專門安排時間進行同心圓實驗，而是將同心圓實驗穿插在了誘導期測定的間歇；此外我們也對誘導期測定過程進行了調整，大大減少了重復測定的次數。經這樣優化后，學生可以有1.5h左右的時間進行自主探索。

如上所述，采用驗證／探索兩段式教學模式可以同時兼顧學生物理化學基本實驗技能訓練和創新性能力的培養。除此之外，驗證／探索兩段式教學模式還具有如下一些優勢：

（1）易于實施。經典的物理化學實驗項目都是歷經幾代人的心血匯聚而成，要設計一個全新的綜合性、研究性實驗項目不是一朝一夕的事情，而采用驗證／探索兩段式教學則不需改變現有的實驗項目，不需要增加更多的設備，甚至教材也無需進行修改，轉變非常方便，也很容易進行推廣。

（2）適應性強。這樣的兩段式實驗教學時間安排彈性大，教師很容易從宏觀上控制實驗時間。根據學生完成的具體情況，自主探索實驗時間可長可短，并且每個學生也可以不同，這樣既能滿足優秀學生深入探索的需求，又能照顧到部分困難學生基本技能的培訓。

（3）能充分調動學生的積極性。相比于傳統的按部就班式實驗模式，自主探索過程給予了學生自己選擇的權利，能夠極大地調動他們的研究興趣，促使他們去思考并解決問題。

（4）有助于完善實驗教學內容。學生的自主探索過程，實際上也是對該實驗的深入研究過程。由于每屆學生人數眾多，而每個學生的興趣和出發點可能有所不同，相應會從不同的角度去研究這一實驗過程，他們的研究結果將極大地豐富我們對該實驗的認識，為進一步的改進打下良好的基礎。

4 驗證／探索兩段式教學效果

采用這種新型驗證／探索兩段式教學模式，我們已在BZ振蕩反應中試點了一年時間。在實驗過程中，學生非常踴躍，從不同角度對該反應進行了研究，獲得了很多有意義的結果。從他們的設計方案來看，反應物種濃度變化帶來的影響研究較多：有學生考察了Ce4＋濃度減半條件下的振蕩情況，發現誘導期會明顯增加，振蕩周期變化很小，而振幅卻明顯下降；有學生降低了KBrO3的濃度，發現振蕩周期會顯著上升，遠高于誘導期和振幅的變化；有學生逐步稀釋了丙二酸的濃度，發現誘導期和振蕩周期都會隨之顯著增加，而振幅卻明顯下降；有學生關注了H＋濃度變化，發現H＋重點影響振蕩周期，但若H＋濃度過低，振蕩則不會發生。也有不少學生研究了添加其他物種或取代某一反應物種帶來的影響，發現：如Ce4＋被Fe2＋取代，振蕩不能發生，而若使用試亞鐵靈，則振蕩周期會急劇變短；添加Br－，誘導期變短，而加入Cl－和I－都無振蕩發生。還有一些學生研究了反應條件變化的影響，發現：延長Ce4＋的恒溫時間對反應無影響，但是延長丙二酸、溴酸鉀和硫酸混合溶液的恒溫時間則會改變誘導期，并且可以觀察到恒溫時溶液電勢的持續下降；改變單獨恒溫的反應物種會影響誘導期，并且溶液顏色也會發生變化；攪拌速度變化也會略微改變誘導期。

在這些探索實驗結果的基礎上，學生在集體討論時非常活躍，課后查閱了不少文獻資料，對探索實驗的結果進行了合理分析，對BZ振蕩過程涉及到的誘導期、振蕩周期反應時參與的物種、反應機制都有了更為深入的認識。

從學生的反饋來看，應該說兩段式教學模式取得了很好的效果。在課后問卷中，絕大多數學生對采用兩段式教學模式的BZ振蕩反應印象深刻，遠遠超過以前采用傳統驗證性實驗教學模式下的評價。學生總體反映這樣一種教學方式很好，認為設計實驗的引入很有意義，并希望每個實驗都增加一些自主探索的內容，讓他們有自主空間，以提高動手能力。

5 結束語

驗證／探索兩段式教學作為一種新的教學模式，在BZ振蕩反應實驗的試點中確實取得了很好的效果。該教學模式既能兼顧物理化學基礎實驗技能的培訓，又能培養學生的自主創新能力，符合當前高水平、創新型人才培養的要求。與開設全新的設計實驗相比，這種兩段式教學的設計適應性強、易于實施。

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