化学科研基础与创新实验课程建设的探索与实践

doi:10.3866/PKU.DXHX202205078

摘要/Abstract

摘要：

大学生的科研能力训练和创新能力培养是大学本科教学的核心问题之一。化学实验教学是实现全面化学教育最有效的形式，对学生科研素质和创新能力的培养至关重要。课程团队将本院科研与实验教学有机结合，提升了实验教学梯度和深度。本文主要从课程定位与目标、课程团队建设、课程内容建设、课程实施与评价等方面介绍课程建设情况。经过近十年的探索与实践，该课外科研实验课程教学在人才培养、教改和科研等方面均取得了不错的成效，有效地促进了实验课程改革。同时，针对课程中的不足，本文提出进一步的改进方向与措施，并对未来做出展望。

关键词: 科研基础, 化学实验教学, 实验课程改革, 实验内容改革, 课程建设

Abstract:

The training of scientific research ability and innovation consciousness of college students is one of the key goals in undergraduate teaching. The chemical experiment teaching is the most effective way to realize comprehensive chemistry education, further, it is crucial to cultivate the scientific thinking and innovation ability of students. The course combines scientific research with experimental teaching of school, so that it enhances level and depth of experiment teaching. This paper mainly introduces the construction of scientific research foundation and innovative experiment from the aspects of course orientation and objectives, construction of course team, construction of the course content and resources, and course implementation and evaluation. After years of exploration and practice, the extra-curricular scientific research experiment course has made great achievements in talent cultivation, teaching reform, and scientific research. And it has effectively promoted the experimental curriculum reform. Meanwhile, this paper further improvement and measures in view of the deficiencies of the course, and also makes prospects for the future study.

Key words: Fundamentals of chemical research, Chemical experimental teaching, Experimental curriculum innovation, Experimental content reform, Curriculum construction

谢锦桂, 管华, 温祖标, 邓志红, 钟声亮. 化学科研基础与创新实验课程建设的探索与实践[J]. 大学化学, 2023, 38(2): 83-89.

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链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202205078

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2023/V38/I2/83

图/表 3

表1

实验项目表"

实验序号	实验名称	实验序号	实验名称
实验1	沸石型金属多氮唑框架MAF-6的合成、表征及性能研究	实验20	α-MoO₃基纳米Li_xMoO₃嵌入化合物的制备与电化学性能测定
实验2	彩电红色荧光粉的制备及其光学性能的研究	实验21	层状δ-MnO₂纳米线的制备与电化学性能
实验3	稀土配合物单晶培养和及其结构分析和荧光性能研究	实验22	聚甲基丙烯酸甲酯微球的制备和物理性质表征
实验4	稀土配位聚合物/二氧化硅复合材料的制备、转化及其性能研究	实验23	二硫化钼纳米材料结构及其电催化吸氢性能的研究
实验5	松塔双锥形CeO₂/Fe₂O₃复合材料的制备及其超级电容器电极材料的研究	实验24	乙烷分子重叠和交叉构象结构模型的搭建及其几何优化
实验6	稀土配位聚合物的合成及其性能研究	实验25	乙烯和氢气加成反应的机理研究
实验7	二维纳米片的制备及其上转换发光性能的研究	实验26	铁酸钙的形貌调控及其光催化性能研究
实验8	一种冠醚超分子化合物的合成及其结构相变研究	实验27	氮化碳纳米片的制备及其光催化性能研究
实验9	利用钯/铜共催化的Sonogashira偶联反应合成非兑成炔烃	实验28	钠离子电池的组装及其性能表征
实验10	过渡金属钯催化的Mizoroki-Heck偶联反应合成肉桂酸衍生物	实验29	微生物燃料电池的组装及其性能表征
实验11	水相中用乳酸促进烯胺酮三聚环化反应合成均三苯甲酰基苯	实验30	含磺酸基金属-有机框架的制备及质子传导性能
实验12	9, 10-二溴甲基蒽的合成	实验31	1, 3, 6, 8-四(4-羧酸苯基)芘配体的金属-有机框架的制备及其C₂H₂/CO₂分离研究
实验13	氧化剂醋酸碘苯的制备	实验32	氧化石墨烯/凹凸棒土复合物的制备及其在水溶液中对镉的吸附
实验14	药物苯佐卡因的合成	实验33	原位配合法制备聚酰胺6/氧化石墨烯纳米复合材料
实验15	基于DNA为模板电沉积银纳米粒子的H₂O₂传感器	实验34	聚乙烯基咔唑的合成及其性能研究
实验16	磷钼杂多酸修饰电极的电化学行为及其电催化特性	实验35	聚乙酸薄膜的制备及其性能研究
实验17	纳米金的制备及其生物传感器分析研究	实验36	pH响应的纤维素纳米颗粒制备及其性能研究
实验18	金纳米粒子在比色分析中的应用	实验37	采用MD模仿方法预测天然气在高温高压条件下P–V–T关系
实验19	Ag@CeO₂纳米核壳复合材料的合成及其催化性能	实验38	离子液体的合成与物理性质表征

表1

表2

课程案例展示"

创新实验题目：稀土配位聚合物/二氧化硅复合材料的制备、转化及其性能研究钟声亮李盛凯
一、实验目的 1. 以功能为导向，制备性能优异的稀土配位聚合物/二氧化硅复合物。 2. 通过设计不同的配体和配位聚合物、路线和途径以及后期处理条件制备系列具有新颖结构和性能的复合材料，进而对其性能进行探索和研究，找出制备条件对合成材料结构和性能的影响规律。 3. 找出相关规律性，为其他配位聚合复合材料的设计和制备提供方法路线和实验依据。
二、实验设计意图二氧化硅由于具有优良的化学稳定性、无毒性、亲水性、表面硅羟基易功能化等优点^[ⅰ]，已成为材料中的重要一员，在化妆品、塑料、橡胶、涂料^[ⅱ]、医药^[ⅲ]和环保等行业有着广泛的应用和发展。其中，单分散介孔二氧化硅微球粉，由于其颗粒大小均匀、微球呈单分散性、不粘连、吸油值高、球形表面光滑、涂抹轻盈滑爽等特点，是一种优良的化妆品添加原料。此外，二氧化硅还具有价格低廉、易合成、可透光、粒径易控制等优点。综上所述，配位聚合物/二氧化硅复合材料^[ⅳ]可改善材料的性能，获得更好的应用效果。迄今为止，鲜有关于稀土配位聚合物/二氧化硅复合物的研究，其应用还有待开发，还有很大的发展空间。此外，未见关于其复合物在高温条件下转化研究的报道。我国在稀土科研方面也相对落后，稀士专利基本被美国和日本等发达国家垄断。因此，如何开发一些具有我国特色和具有知识产权的稀土材料是一项很值得研究的课题。基于我们的前期研究基础、文献调研和我省稀土资源开发与利用的现状，我们拟以稀土配位聚合物^[ⅴ]为研究对象，二氧化硅为复合组分，通过不同的方法和途径制备其复合材料，进而在不同的条件下进行高温处理，有望获得一些组成丰富、结构新颖、性能优异的稀土新材料。详细考察制备方法和路线对材料合成的影响，对其制备机理进行研究，进而对其性能进行研究，重点探讨其在生物光学成像、药物控制释放和化妆品中的应用，有望获得系列结构新颖、性能优异的稀土新材料。
三、仪器和试剂 (一) 仪器反应釜、烘箱、马弗炉、磁力搅拌器、紫外灯、离心器、离心管、样品管、烧杯、玻璃棒、胶头滴管。 (二) 试剂正硅酸乙酯(TEOS)、氨水、Eu(NO₃)₃·6H₂O、表面活性剂、无水乙醇、氨基酸等。
四、实验步骤 (一) 介孔二氧化硅的制备以TEOS为硅源，采用改性Stöber法(具体内容)进行制备，在模板剂存在的条件下制备二氧化硅，进而在高温下煅烧制备介孔二氧化硅。 (二) 稀土配位聚合物/二氧化硅复合材料的制备与性能研究拟通过以下三种途径进行制备。技术路线图如图a所示。

1. 将制备的配位聚合物粒子分散在溶剂中，然后加入一定量的氨水，调节溶液至弱碱性，然后缓慢加入TEOS，让其水解，得到其复合物。 2. 将介孔二氧化硅分散在溶剂中，然后加入稀土离子和配体，控制反应条件，制备其复合材料。 3. 将稀土离子、有机配体和TEOS溶于合适的溶剂中，然后调节溶液pH，在水浴或溶剂热的条件下进行反应，制备其复合材料。
五、产物的表征及其性能研究对复合材料的热稳定性、发光性能等进行测试，考察复合前后材料性能的变化，找出优化材料性能的规律及其相互作用的机理，进而在高温下进行处理，获得其在高温条件下的分解规律。
六、实验拓展与设计 1. 根据稀土离子的特性，设计并选择不同的配体，合成不同的前驱体配体分子，以期控制晶体的生长，获得具有不同尺寸和形貌的产物，并找出相关的规律。 2. 选择不同的碱源来控制晶体的生长，获得具有不同尺寸和形貌的产物，找出相关的规律。 3. 摻杂不同的金属离子，合成功能复合或性能优化的产物，探索其新用途。 4. 由于稀土离子性质相近，并且随着原子序数的增加有规律的变化，在上述合成的基础上，应用于其他稀土氧化物的合成，并找出相关的规律。
参考文献
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表2

图1

1	李志义. 中国大学教学, 2018, (12), 24. doi: 10.3969/j.issn.1005-0450.2018.12.006
2	江西师范大学体系内容. [2022-07-17]. https://chem.jxnu.edu.cn/_t110/1851/list.htm
3	李志义. 中国大学教学, 2015, (3), 33.
4	钟声亮; 温祖标. 化学科研基础与创新实验, 南昌: 江西高校出版社, 2021, 1- 30.
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