基于科研创新能力培养的化学实验设计与实践.pdf
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1、 ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023 基于科研创新能力培养的化学实验设计与实践孙月娜,李 攀,赵文革,赵金灿,闰明涛,吕运开(河北大学 化学国家级实验教学示范中心;化学与环境科学学院,河北 保定 071002)摘 要:培养本科学生的科研创新能力是当前高校教学的重要任务之一。结合生活实际与当前科学研究热点,把科研成果转化为本科教学综合化学实验内容。通过此实验教学,学生可了解磁性纳米复合材料的制备方法、表征技术及应用领域;掌握一些大型仪器的结构、
2、工作原理和操作方法;熟悉经常用到的样品前处理方法。设计的实验内容丰富、知识覆盖面广、贴近生活,能够激发学生的学习兴趣,培养学生团队合作意识、动手能力和应用能力,训练学生的科研思维,提高学生科研创新能力。关键词:科研成果转化;综合化学实验;科研创新能力中图分类号:G642 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.015Design and practice of chemistry experiment based on cultivation of scientific research and innovation abilitySUN Yu
3、ena,LI Pan,ZHAO Wenge,ZHAO Jincan,RUN Mingtao,L Yunkai(National Experimental Teaching Demonstration Center of Chemistry;College of Chemistry and Envi-ronmental Science,Hebei University,Baoding 071002,China)Abstract:The cultivation of the scientific research and innovation ability of college students
4、 is one of the important tasks of college teaching at present.Combining real life and current scientific research hotspots,the scientific research results are transformed into comprehensive chemical experiment con-tent for undergraduate teaching.Through this experimental teaching,students can unders
5、tand the prep-aration methods,characterization techniques and application fields of magnetic nanocomposite materi-als;master the structure,working principles and operating methods of some large-scale instruments;and be familiar with frequently used sample preparation methods.The designed experiment
6、is rich in content,wide in knowledge coverage and close to life,which can be used to stimulate students interest in learning,cultivate students sense of teamwork,practical ability and application ability,train students scientific research thinking,improve students scientific research and innovation
7、ability.Key words:transformation of scientific research results;comprehensive chemistry experiment;scien-tific research and innovation ability 收稿日期:2022-03-13 修改日期:2022-10-27作者简介:孙月娜,硕士,实验师,主要研究方向为本科实验教学与管理、色谱分析研究。E-mail:yuena2009 通讯作者:吕运开,博士,教授,主要研究方向为色谱分析、室内污染物检测与净化技术、功能材料与分子识别研究。E-mail:lvyunkai 基
8、金项目:河北省高等教育教学改革研究与实践项目(项目编号:2019GJJG019);河北大学 2021 年大学生创新创业训练计划项目(项目编号:2021187);河北大学第九批教学改革研究项目(项目编号:XJGYB054)。培养具有创新和科研能力的高素质人才是高等教育的职责所在,也是建成创新型国家的内在本质要求1-2,所以对于学生科研创新能力的培养就具有重大现实意义。实验教学作为教育教学中的重要实践环节,是大学生的实践、科研、创新能力以及综合素质提升的关键教学手段之一3-4。综合化学实验是在学生掌握了一定化学基本理论和基本实验操作技能后,开设的高层次的、多学科交叉的、综合性的、设计型的及实践技能
9、训练的教学实验,旨在培养学生具有科研创新能力与综合实践能力5-6。为保孙月娜,等:基于科研创新能力培养的化学实验设计与实践证综合实验的综合性及前沿性,近年来,河北大学化学与环境科学学院一直鼓励专业教师将个人科研成果中较为成熟且应用性较强的科研内容转化为综合化学实验。本文选取科研课题中较为成熟的部分科研成果,设计了题目为“磁性 Fe3O4 PDA MOF-5复合材料的制备及其对水中酚类化合物的磁固相萃取”的综合化学实验。该实验内容涵盖了无机化学、有机化学、配位化学、物理化学及分析化学等多方面知识,同时也应用到多种大型仪器。对于前沿热点金 属 有 机 框 架(MOFs)材 料、磁 固 相 萃 取(
10、MSPE)和健康问题的引入,可以使学生了解科学前沿、关注环保健康问题,训练学生的科研思维,最终培养学生科研创新能力、分析和解决问题能力和理论应用到实践的能力等。1 设计背景酚类化合物是结构中含有酚羟基的一类化合物,被广泛用于塑料、农药、石油和纸张等工业生产中。酚类化合物的毒性高,生物降解难,并且具有致癌性,通常存在于土壤、水和沉积物中,所以引起了人们的广泛关注7-8。由于水中酚类物质含量很低,直接测定是非常困难的,因此需要样品预浓缩。MSPE 是以磁性或可磁化的材料作为吸附剂,在外部磁场的作用下,使目标分析物随吸附剂一起移动,从而与样品基质分离开的一种样品前处理方法。与传统的固相萃取技术相比,
11、MSPE 具有萃取效率高、样品损失少、简便快速等优点9-10。MOFs 因其独特的特性使其在分离科学中具有非常广阔的应用前景11。MOFs 衍生的磁性 MOFs 不但保留了前体MOFs 的优异特性,而且具有高稳定性,所以磁性MOFs 可成为 MSPE 的良好吸附剂12-13。本实验是把生活实际问题与当今前沿科学研究课题结合起来设计的综合化学实验。2 实验设计2.1 实验目的(1)熟悉磁性 Fe3O4 PDA MOF-5 复合材料的制备,掌握实验基本操作。(2)了解样品前处理方法,学习磁固相萃取原理。(3)熟悉材料的表征方法,掌握 X 射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜、热重分析仪等仪器的工作原理,
12、并能够处理数据;熟练掌握红外光谱仪、液相色谱仪的工作原理和操作技能。(4)了解科研发展方向,激发科研兴趣,训练科研思维,系统提升学生分析解决问题的能力,切实提升实践与创新能力。2.2 实验试剂与仪器(1)实验试剂:苯酚、邻硝基酚、-萘酚、甲醇、冰醋酸、六水合三氯化铁、二水合柠檬酸三钠、无水乙酸钠、乙二醇、乙醇、盐酸多巴胺(PDA)、三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)、盐酸(HCl)、六水合硝酸锌、对苯二甲酸,N,N-二甲基甲酰胺等,所用试剂为分析纯或色谱纯。实际水样为教师科研实验室的白洋淀水样。(2)实验仪器:Phenom ProX 台式扫描电镜、D8 ADVANCE X 射线粉末衍射仪、GTA
13、-50 热重分析仪、Nicolet iS10 傅里叶变换红外光谱仪、1020 振动样品磁强计、LC-20AT 高效液相色谱仪(HPLC)。2.3 实验内容2.3.1 Fe3O4磁性微球的制备将六水合三氯化铁(2.703 g)、无水乙酸钠(2.405 g)、二水合柠檬酸三钠(0.406 g)和乙二醇(60 mL)加入到 100 mL 烧瓶中,搅拌,全部溶解后,加入到高压反应釜中,在 200 下反应 12 小时后,分别用水和乙醇洗涤 3 次得到的磁性 Fe3O4微球,将制备的磁性 Fe3O4微球在 60下真空干燥。2.3.2 PDA 修饰的 Fe3O4 PDA 微球的制备溶液 1:在 100 mL
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