电化学传感器通过将分子识别元件与待测靶标物质特异结合后引起的表面压力、光或热等物理参量转换为可输出电信号的方式，以达到对靶标化学物质分析检测和在线监控的目的。为了提升电化学传感器的性能，需要其核心结构单元——底物识别-转化位点以所谓的“钥匙-锁定位模式”对靶标化学物质进行检测和电信号转化。电化学传感技术是适合我国国情，适应我国经济社会可持续发展要求的一种有效分析手段，近二十年来其发展受到工业界和科学界的广泛关注，并得到国家政策层面的大力支持。

酶基光电化学传感器的性能在很大程度上取决于该类光电化学器件传感基元的组成、制备方法及其与信号转换器之间的连接方式。一般而言，酶基光电化学传感器的制备工序可以简述如下：将作为生物电催化剂的酶分子固载在合适的载体——如本文讨论的光敏剂和其他功能基元修饰的纳米二氧化钛-碳纳米材料复合物，并将固酶纳米复合物“锚定”在经过适当表面处理的基底电极表面即可得到固酶纳米复合物基光敏电极。常见固载酶分子光敏纳米复合物基传感基元制备策略如图 1所示^[1]：1) 酶-载体间的共价键偶联；2) 载体通过物理吸附将酶分子非定向地固载在其表面或表面的孔隙之中；3) 将酶分子包埋在特定结构和表面化学特性的三维材料之中；4) 利用酶分子与经过功能化基团修饰的基体之间的特定生物/化学作用(如氢键作用)实现酶分子的可控定向排列。

前期文献报道^[2–6]指出，利用各种电子显微学、光谱学以及电化学/光电化学等表征测试手段可对二氧化钛-碳纳米材料复合物整体和各结构单元的结构参数、外观形貌特征以及理化性质进行系统的分析和表征，从而定性和定量地研究各个结构单元间某种特定的相互作用对固酶纳米复合物光电转化机制和催化反应动力学的影响。本研究团队前期研究工作^[7]报道了二氧化钛-氧化石墨烯(GO)共价偶联形成的纳米复合物为漆酶的载体，通过化学键合和配位络合的协同作用将漆酶分子固载在载体表面得到固载酶纳米复合物，如图 2所示。漆酶分子与纳米复合物各基元间的相互作用使酶分子随机分布在纳米复合物表面，部分改善了纳米复合物表面的亲水性；这种相互作用没有对纳米复合物的光电催化性能产生显著的负面影响，而二氧化钛与漆酶分子表面的氨基酸残基间的配位作用还在某种程度上改善了其对光辐射的利用效能。

高校实验课程是培养学生创新精神和科学思维的重要教学手段。不断改进实验课程的目标、教学内容、教学模式和考核方式是适应当前我国科技事业发展要求和国家教育改革不断推进的形势，全面提升学生科研素质的必然要求。当前仍然在全球范围内肆虐的新冠疫情，对病毒检测的时效性和准确性提出了更高要求。而酶基光电化学传感器已成为在疾病诊断、生物医学研究、食品安全和环境监测等领域对多种目标进行定性和定量分析的重要生物分析设备。传统实验课程内容多为验证性实验，其采用技术和教学目标与当前科学研究前沿和热点脱节。新疆师范大学化学化工学院现行物理化学实验课程开设的实验内容，只有一个实验与本文讨论主题相关，即：蔗糖酶米氏常数的测定。此实验技术方法陈旧(测定酶活力采用分光光度法)，测试目标单一(只测定米氏常数K_M)而且耗时较长，学生在学习过程中易产生枯燥乏味的感觉，从课后学生反馈和课程考核结果看，学生学习积极性不高而且学习效果并不理想。而前述酶基光电化学传感器的制备和性能评估所涉及的技术和相关理论不仅具有多学科融合的特性，而且能够和普通高校实验课程改革实践有效结合。这一研究前沿与高校实验课程改革的结合，不仅可以有效提升实验课程的教学质量，培育学生的探究能力和团队合作意识，还可以提高高校实验室和测试中心的设备利用率和管理水平。

普通高等学校化学专业各分支学科实验课程开设的目的不仅是传授给学生一些重要的实验技能，数据分析处理方法，加深对理论知识的理解，更重要的是培养学生严谨求实的工作作风、研究态度，以及利用学习相关知识和技能解决实际工作中出现问题的能力，达到培养创新型复合人才的目的^{[8, 9]}。合理和科学地设置与优化化学实验课程的教学内容，与时俱进地不断推进课程体系建设，修订教学方案和培养目标，更新实验教学内容，是提高教学质量、学科内涵式发展及适应国家对创新型人才需要的必然要求。国内外众多教学改革者都提倡在实验课程教学当中培养和提高学生科学素养和创新能力，特别是综合利用学习过的知识和技能应对和解决实践中遇到新问题的能力^[10–12]。

现以新疆师范大学化学化工学院的物理化学实验课程教学实践为例，分析普通高等学校化学本科专业实验教学当前存在的不足，并对实验课程改革的价值和意义进行阐述。对现有实验课程教学内容、教学组织形式和考核指标进行大幅度改革是为了提升实验教学内容的挑战性和高阶性，聚焦学生自主学习能力的培养，着眼于培养新时代创新复合型人才，以适应不断发展变化的社会需求，培育大量有家国情怀和社会责任感，具有鲜明师范特色的化学专业人才。新疆师范大学以及疆内其他普通高等学校(如新疆大学、新疆医科大学、新疆工程学院以及新疆农业大学等)化学专业及相关专业开设的物理化学实验课程普遍采用“理论授课+实验讲座+分组实践操作”的教学模式，现行教学大纲强调培养学生理论与实践相结合的能力，相关实验数量颇多然而交叉性不足，实验技术单一，与其他分支学科关联甚少，实验时间安排不紧凑而且涉及的理论深度不足。更重要的是：现行实验教学内容以验证性实验为主，与当前研究热点前沿以及国家科技发展战略关联度较低，学生参与热情不足，学习效果欠佳。目前这种教学模式虽然也做了一些改革，主要集中在组织形式上的改进，如采用线上线性混合教学和多媒体教学资源的引入等，然而并没有从本质上对教学的核心内容和教学效果评估机制进行重构和设计，因此不利于达成创新和综合性人才的培养目标。

本文讨论的新增综合性实验——二氧化钛-3D氧化石墨烯复合物固载牛血红蛋白基电极光电催化双氧水还原性能测试，包括固酶纳米复合物基电极的制备技术、固酶纳米复合物形貌和结构、理化性质的表征、固酶电极电化学行为研究以及电催化性能评估等全部环节，使用光谱学、电化学和表面化学测试技术等多种表征测试手段，与生物化学、无机化学和分析化学等其他学科有密切关联，具有显著的学科交叉性，有助于扩大学生的学科视野，增强学生对相关理论和实验技能的学习积极性。通过对该综合性实验的背景介绍，可以使学生更好地了解光电化学传感器构效关系这一学科研究前沿，关注与我国科技创新发展战略有关的热点问题，对西方国家对我国实施的技术封锁和限制产生的困难有清晰的认识，激发学生投身国家科研攻关实践的热情。本文讨论的综合性实验所涉及的技术手段与当前科学研究密切相关，普通高校也具备开设此实验的硬件条件和实验场所，实验方案对教学实施形式也做了合理的安排，能够保证所有学生都能有效参与实验的全过程环节，掌握必要的实验技能和实验数据处理方法，达到预期的教学效果，因此具有较强的可操作性。通过这个实验教学的实施，培养学生理论紧密联系实际的思想和严谨求实的科学态度，增强学生的求知欲，扩大学生的知识面，使学生树立化学学科完整统一的理念，更加关注学科研究前沿和热点，积极投身于服务国家科学研究创新发展战略的实践工作，成为具有强烈社会责任感的青年才俊。

如前所述，本文提出的实验项目是一个涉及多学科理论和实验技术的大型综合性实验。从实验步骤和数据处理、结果分析的角度来说，此实验耗时较长，因此在保证现行物理化学实验教学大纲规定教学总时数不变的情况下，需要进行适当的实验课时配置、良好的课前预习和分阶段分组轮换等合理的课时安排和教学模式切换才能达到预定的教学目标。考虑到普通高等学校现有实验条件和实验场所的一般条件，现将具体的课时安排简述如下：本实验可分为固酶纳米复合物基电极制备、固酶纳米复合物结构和理化性质表征以及固载Hb基电极电化学行为研究/光电催化性能评估三个部分，分三个教学周进行。其中第一个部分计划安排2个课时，包括线上进行的资源分享和线上/线下混合进行的课程预习，背景概述和实验技术培训，数据处理分析方法介绍以及在实验室进行的固酶纳米复合物制备操作等，鉴于一般高校现有的合成制备装置保有情况和教学班人数规模，这一部分可以不分组，所有学生都进行同样的实验内容；第二个部分由于涉及固酶纳米复合物结构和理化性质表征所需的众多仪器，因此按照具体的实验内容，可以分为石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)、紫外-可见分光光度法(UV-Vis)、X射线粉末衍射谱(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、分散相发射荧光光谱(FRS)以及交流阻抗谱/循环伏安曲线(EIS/CV)等6个分组，计划安排2个课时，循环轮流进行实验，保证所有学生都能接触固酶纳米复合物结构和理化特性表征所需要的各类仪器，了解其结构和工作原理，掌握仪器操作和数据导出/分析处理的方法；第三个部分则根据实行的实验内容不同，结合实验室现有的电化学仪器保有数量，分为3个分组，计划安排2个课时。这3个小组分别进行CV法研究固酶电极电化学反应特性和电催化底物还原性能、CA法(电流响应-时间关系)评估固酶电极对底物传感性能以及光响应电流-光辐射时间关系测绘等实验内容，并在安排课时中进行小组的轮流替换，保证所有学生都能完整地体验固酶纳米复合物基电极电化学行为研究和光电催化性能评估的所有实验环节。

本综合实验要求学生课前温习与实验内容相关光谱学和电化学理论和技术(这些知识在先行课程和前期开设的物化实验中已经学习过，可以通过课前小测试和课堂提问等形式对学生温习效果进行考查)，通过社交媒体——微信群、钉钉群以及QQ群线上共享相关资料：工具书、背景相关短视频和近期科研文献(中英文)，结合线下实验室教师现场讲解和演示的形式，对开设的综合性实验相对于教材中相关旧实验在实验技术、实验技能以及创新能力和理性思维培养具有的创新性，以及对人才培养目标达成的促进作用进行了较为系统和全面的介绍。

与本综合实验背景、实验技术和数据分析处理相关的文献和资料书大部分由教师提供，通过社交媒体与学生共享，另有少部分可通过课后作业的形式，在解题过程中，鼓励学生充分利用互联网学术资源库，以关键词和研究团队主要负责人姓名搜索以及进入研究团队主页浏览分享文献等方式，进一步深入了解与实验内容相关的理论和技术的研究现状。由教师发布的资料——参考教材/工具书和相关学术期刊文献列于文后的参考文献列表^[13–25]之中。

本综合性实验与以往开设的物理化学实验项目的一个重要区别，就是在实验教学的各个环节中渗入思政元素，以学生为本，致力于提升课程的创新性、高阶性和挑战度，重基础，积极关注相关学科领域的发展动态，培养具有高度社会责任感和家国情怀，实践能力突出的卓越高素养师范生。首先在课前预习实验原理，了解背景知识，在教师实验室讲授实验技术及数据分析处理方法的环节，通过纳米复合物基光电化学传感器在国防安全、防疫卫生、医药研发和环境监测的广泛应用实例介绍和课堂讨论，让学生掌握基本的理论知识和实验技能，拓宽研究视野，还要潜移默化地将绿色发展理念、生态文明建设意识以及科学发展的螺旋式发展等理念传递给学生；接下来在具体的实验操作阶段，通过教师一对一的演示、现场指导和引导学生的课堂讨论，当面和线上答疑解惑等形式，积极培养学生理论紧密联系实际的科学精神，消除学生对前沿理论和技术的疏远感和畏惧情绪，通过对失败实验的总结，找到问题所在并由学生在课后进行书面或口头的报告，以这种方式启发学生的科学研究精神，训练她们的自我反思和纠错能力，培育学生的团队合作意识和实事求是的科学精神，同时也对学生进行了科学伦理教育；最后在实验数据处理和分析的环节，通过微信、QQ和钉钉群等软件发布数据处理和作图软件使用图文攻略，借助腾讯会议有针对性地对学习过程中存在的困难进行讲解，鼓励学生之间进行资料和经验分享，将实验数据分析和处理相关的知识有效地传递给学生。通过开展和不断改进以上教学活动，以达到激励学生的学习主观能动性、提高学生对实验的参与度、提升教学效果的目标。同时通过这个综合性实验的教学实践，也引导学生关注我国高新技术领域“卡脖子”的痛点和我国科研人员科技攻关的动态(在文献调研和背景知识介绍环节中)，鼓励她们积极投身科研实践，激发学生献身祖国科学研究和社会建设的爱国主义精神，培养学生正确的科学研究价值观、人生观和世界观。

和之前的常规化学实验教学效果评估不同，本综合性实验的效果考核和评估体现在各个教学环节：课前提交的预习报告要求学生以小组为单位撰写，除了写明基本的实验目的、原理和步骤之外，还需要说明本小组对哪个知识点或相关理论的学习存在困难，以便教师课堂教学时进行有针对的讲解；实验室现场教学过程中，通过现场观看学生实验操作，课堂回答和讨论积极性和有效性以及所取得实验数据是否合理，有无对实验结果的分析和反思总结等方式对学生的实验操作和数据分析处理能力进行评估；课后提交的实验报告要仿照科研论文的形式，由背景知识和前沿动态分析、实验步骤和结果分析等几个部分组成，对于实验结果要按照科研论文要求，作如下说明：实验数据图表的主要目标和内容、图中出现的现象描述和分析以及各个数据图之间的关联(即各个表征测试所得数据分析所得结论是否存在相互映证和支持的关系)。实验报告最后还应该增加总结，与科研论文不同，除了说明实验取得的主要结论之外，还要根据小组实验实际情况，对实验操作和数据处理作出经验和教训的总结和反思。教师根据学生在以上教学环节中的综合表现给出本实验的考核评估结果，并在课后通过社交媒体(例如腾讯会议)对学生的实验表现和成效进行总结和评估，将这些信息及时反馈给学生，学生也可以通过合适的渠道将改进教学效果的意见和实验中遇到的困难和疑惑与教师进行交流，增强师生互动效果，以达到教学相长的目的，增强学生探索未知领域的自信心和求知欲，培养学生的团队合作意识和信息搜集能力。图 3显示了此综合实验教学实践各环节：线上师生交流、报告提纲范例以及教师教学总结和反思等集体活动。

通过整合光敏基元、氧化还原基团和分子识别位点功能化二氧化钛或碳纳米材料，可获得具有光电转化效能和对特定结构物质产生响应的光电传感器。此种传感器的性能与其制备方法和各组成单元间的相互作用密切相关，研究两者间的关联是当前电化学传感技术的研究前沿和热点。本文设计的固定牛血红蛋白的二氧化钛-3D氧化石墨烯复合物电催化双氧水还原性能评估这一综合性实验，将生物化学、无机化学、分析化学和物理化学相关的理论知识和实验技术有机结合，具有明显的学科交叉性并有助于提升学生的综合素质和拓展学生的学科视野。普通高校具备此综合性实验开设所需的实验设备和场地条件，采用线上预习+资料共享+师生互动交流与线下分组轮换操作相结合的实验教学模式，以及设计的分段式课时安排使实验教学具有可操作性。课前提供的文献资料、数据处理和制图软件操作培训以及教学过程中即时进行的指导和课堂讨论等措施能够保证实验教学的圆满完成和教学效果的达成。