科研與化學選修課實驗教學結合的探索

梁 華, 戴 可, 柯改利, 李 嫻

(西南科技大學 材料科學與工程學院 環境友好能源材料國家重點實驗室, 四川 綿陽 621010)

人類從事科學研究,是為實現產業化,最終造福人類。大學是教師從事科學研究的重要陣地。但是,在一所綜合性大學中,教師從事科學研究的同時,還應擔負本科生教育的基本責任[1-2]。遺憾的是,由于高校對教師考核機制的導向,使得不少高校存在重科研、輕教學的現象。在繁重的科研壓力下,教師對教學的關注和投入少,導致科研和教學的脫節[3-5]。要解決教和學的矛盾,采取科研和教學相結合的方式是一條有效途徑,已有不少同仁意識到教研結合是當代教育改革的必要措施,也是提高教學質量的利器[6-8],不過目前這個利器在化學專業中的重視和應用卻還遠遠不足,這也從側面說明化學專業的科研和教學嚴重失衡[9-11]。從具有直接應用前景的科學研究內容入手,能激發學生興趣并使其理解和體會實驗目的及內容[12]。以化學選修課“食品分析”為改革對象,以理論課程內容為依據,對實驗內容進行了全新的設計。本文嘗試將科研內容待探索的部分引入其中,對實驗進行實用化設計,希望從教學結果進行總結和思考,反思對科研的作用,最終實現科研和教學的相互促進。

1 實驗主題的設定

“食品分析”是我校材料科學與工程學院針對應用化學專業學生開設的選修課,其中理論課24學時,實驗課8學時。“食品分析”是隨著食品安全問題的出現產生的化學分支學科,食品中有毒有害物質的分析是其中的重要內容,但由于這部分主要是講授食品的前期處理及儀器對有害物質的測定方法,對于無實驗感性認識的學生來說,顯得比較枯燥,因此從理論課的教學效果看,學生對這部分內容的接受并不理想。若將這部分內容納入實驗教學,使實驗與理論結合,學生將更容易理解這部分教學內容。通過課時有限的實驗教學使學生了解食品安全的檢測方法,并與科研相結合,是本次實驗設計要考慮的首要問題。由于這部分檢測常涉及昂貴儀器的使用,而實驗條件有限,以往的實驗教學側重食品常規成分的分析,將科研與這門課程實驗結合的嘗試更是鮮有報道[13-14]。

在前期科研子課題中設計的熒光探針能夠與特定的離子、分子等物質發生特異性作用,并通過熒光信號表達出來。作為一種高效靈敏的化學分析與檢測方法,因其成本低、操作簡便,正適合在本科實驗教學中嘗試和推廣。在地殼儲藏的所有元素中,鋁元素是含量最多的金屬元素。隨著社會的發展與進步,鋁元素的使用越來越普及,大到國防軍工、航天領域,小到食品加工、廚房用具,以及醫療、制藥領域,都有鋁元素的身影。由于環境污染導致的酸雨進一步增加了鋁離子在土壤和水中的濃度，使鋁通過食物、飲水等途徑進入人體。鋁并不是人體的必需元素,鋁離子過量會損害人的免疫系統和神經系統,導致貧血、衰老、帕金森癥、阿茲海默癥等[15]。為保護環境和人類健康,對環境和食品中的鋁離子進行高效、快速的檢測是目前研究熱點之一。

設計了一種探針化合物,在前期研究中發現其對鋁離子在乙醇中的專一識別能力可達納摩爾量級，但是目前還未進行水體中的識別能力的研究。嘗試設計將此部分科研內容在實驗教學環節中進行,并設法讓學生接觸科研儀器,在研究型實驗中進一步培養學生的綜合實驗素質,讓學生體會科研結果如何與實際應用聯系,培養其科研興趣,并且教師能從學生的實驗中反思科研的價值,實現科研和教學的良性結合。因此,結合科研和實驗教學內容,設計了“熒光分光光度法測定飲用水中的鋁離子”作為實驗主題。

2 熒光分光光度法測定飲用水中的鋁離子

(1) 實驗目的:學習熒光分光光度計的使用,了解飲用水中鋁離子識別的方法。

(2) 識別原理:在前期科研中已證明,化合物和鋁離子本身均不發熒光,兩者接觸發生特異性配位后形成螯合物結構,這種剛性共軛結構產生強烈熒光,稱為螯合熒光增強機理(chelation enhanced fluorescence, CHEF)[16]。

(3) 實驗內容設計思路:以飲用水為檢測對象、蒸餾水和自來水為對比,擬定由學生在不同的水體中配制一系列不同濃度的鋁離子溶液,往其中加入探針化合物后,測定不同時間和體系條件下溶液的熒光光譜的差異。

3 科研與教學結合嘗試的收獲

3.1 有助于提高學生綜合實驗素質

(1) 開闊學生眼界,激發科研熱情。學生不僅學習了熒光分光光度計(日立FL-4500)的使用原理和方法,并首次用手操作；了解了對于變化前后均是無色的溶液進行有效檢測的手段,體會到科學的神奇，并使學生會用理論知識來解釋實驗現象,體會到理論與實踐的結合。

(2) 進一步培養了對“量”的科學感覺。學生在實驗中首次接觸到移液槍。學生在本科階段常用到滴定的方法,但如此多重復的滴定實驗并未能讓學生體會量的細微變化對實驗的影響。此次實驗滴定的鋁離子溶液體積都在微升量級(ml),如學生未能正確使用移液槍或者未注意實驗細節,均會導致實驗結果由量變到質變,得出錯誤的結論。此次實驗震撼了學生。

(3) 注意了細節對實驗結果的很大影響。本科生實驗絕大部分的介質都是水,這次實驗的介質仍然是水,但來源不同,一種是純凈水(為本校水廠自制),一種為蒸餾水(化學實驗室自制),一種為水管里的自來水。但由于水體中金屬離子的種類和含量不同,導致探針在識別鋁離子時受到不同的影響。排除錯誤數據后,從學生的統計實驗結果看,在未加鋁離子時,3種水體均無熒光,而在加入相同濃度的鋁離子后,鋁離子在純凈水、蒸餾水和自來水中的回收率分別為98%、71%和40%。這個趨勢與教師實驗結果一致,但是教師在蒸餾水實驗中的回收率統計能達到80%以上,說明學生在實驗時存在交叉污染的情況。“細節決定成敗”。通過這些實驗細節的經歷,使學生理論聯系實際,從而真正有助于學生綜合實驗素質的提升。

3.2 有助于教師的自身發展

(1) 教師從事科學研究,在教學中會自覺分享自己的心得體會,才能使講解更具感染力；高校教師首要的責任是教學,將科學研究融于教學當中,有助于實現科研成果向教學的轉化,這對于提高實驗教學質量大有裨益。

(2) 在實驗教學中開展科學問題的研究,有助于發現新的科學思路,建立新的科學方法,從而促進科學研究。在前期科研中發現,探針A完全不溶于水,導致其實用性大大降低。但通過本次實驗教學發現,將A的低濃度乙醇溶液滴入一定鋁離子濃度的水體溶液中,卻能很好地溶解,可以實現其檢測功能。回收實驗在純凈水中的效果最好,說明其他雜質的影響最小；在自來水中的檢測能力最差,這也與綿陽水質較硬,鈣鎂離子偏高、測試干擾大的預測一致。這有利于進一步開展探針A對水體中鋁離子的檢測研究。

(3) 有助于教師發現學生在實驗中的問題,反思實驗教學,為進一步提高教學質量提供經驗。此次教學發現學生的一些陋習,例如由于樣品種類、濃度各異,導致部分學生標簽張冠李戴、實驗試劑混用,使實驗數據無效；而滴定時基本的實驗操作技術不過關,導致部分學生的實驗結果出現異常。經過批閱和篩選,結合教師實驗驗證,有30%左右的學生的統計數據是可靠的。通過實驗評講和總結,學生體會到實驗基本技能和數據記錄過關是保證實驗數據可靠的前提,在一定程度上引起了學生的重視。同時,教師在反思中體會到,實驗設計從學生身邊的科學問題入手,才能引起學生的興趣和關注,從而逐步改善和提高學生的實驗素質。

4 結語

教學和科研是高校教師自身發展的“左膀右臂”,任何厚此薄彼的認識都會導致兩者失衡。通過適當設計,科學研究與實驗教學的結合嘗試表明,這種結合方式不僅能提高教師教學質量、改善“教與學”的矛盾,還有助于為教師提供新的科研方法和思路。科研成果不僅要向產業轉化,還應向教學轉化,學生綜合素質的提高也為今后更多優秀的科研工作者出現儲備了力量。并且,有了教師自身的平衡發展,才會進一步促進學校綜合水平的提高。