“溶膠制備及性質(zhì)研究”精品實(shí)驗(yàn)建設(shè)與探索

范海明， 耿 杰， 孫銘勤， 王增寶， 康萬利

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

創(chuàng)新是一個(gè)國家和民族發(fā)展的動(dòng)力和源泉，高等院校在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面起著重要的作用?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)人才的需求，并非局限在對(duì)理論知識(shí)的掌握，而是更加注重人才的創(chuàng)新實(shí)踐能力[1-3]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力方面有著特殊的優(yōu)勢(shì)，但是目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，重理論，偏驗(yàn)證，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建設(shè)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增設(shè)創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn),激發(fā)學(xué)生對(duì)未知內(nèi)容探索的興趣，掌握基本的研究方法，這是提升大學(xué)生創(chuàng)新研究能力的重要途徑[4-8]。創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，需要提供給大學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新能力的條件?！叭苣z制備及性質(zhì)研究”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容涉及油田化學(xué)、油層物理和應(yīng)用物理化學(xué)等多門課程的相關(guān)知識(shí)，并與油田污水處理以及采出液破乳等實(shí)際問題緊密相連，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上引入Zeta電位儀，增設(shè)創(chuàng)新研究性和拓展性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和考核模式，將探索性和創(chuàng)新性的理念貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)新研究能力都起到積極的促進(jìn)作用，為學(xué)生今后從事石油工程以及化學(xué)工程專業(yè)相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。

1 創(chuàng)新研究性精品實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建設(shè)

1.1 增設(shè)研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵在于對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置和改進(jìn)，以達(dá)到在對(duì)知識(shí)傳承更新與擴(kuò)充的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新研究能力的目的。這其中最為核心的是對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)[9]?！叭苣z制備及性質(zhì)研究”實(shí)驗(yàn)原有的主要內(nèi)容是制備AgI溶膠，通過電泳實(shí)驗(yàn)觀察溶膠界面移動(dòng)情況，計(jì)算溶膠的Zeta電位。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)固定，缺乏創(chuàng)新性，因而增設(shè)研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)與教師討論和審核后開始實(shí)驗(yàn)。

(1) 增設(shè)無機(jī)電解質(zhì)、有機(jī)聚電解質(zhì)、帶相反電荷的溶膠等對(duì)所制備的溶膠穩(wěn)定性的影響實(shí)驗(yàn)。這是由于溶膠體系的Zeta電位影響溶膠穩(wěn)定性，Zeta電位越大，粒子之間靜電斥力越強(qiáng)，體系越穩(wěn)定。加入無機(jī)電解質(zhì)會(huì)降低溶膠體系的Zeta電位，減弱粒子之間靜電斥力，進(jìn)而削弱膠體的穩(wěn)定性，引起溶膠的聚沉。相比于無機(jī)電解質(zhì)，有機(jī)聚電解質(zhì)的高分子鏈段還可以通過橋聯(lián)作用結(jié)合幾個(gè)膠體粒子，帶著多個(gè)膠體粒子同時(shí)運(yùn)動(dòng)，這會(huì)增強(qiáng)有機(jī)聚電解質(zhì)的絮凝作用和聚沉效果。此外，帶有相反電荷的兩種溶膠體系會(huì)發(fā)生電性中和，引起聚沉[10]。因此，通過增設(shè)無機(jī)電解質(zhì)、有機(jī)聚電解質(zhì)、帶相反電荷的溶膠等對(duì)所制備的溶膠穩(wěn)定性的影響實(shí)驗(yàn)，可以引導(dǎo)學(xué)生分析無機(jī)電解質(zhì)、有機(jī)聚電解質(zhì)、帶相反電荷的溶膠等對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析溶膠的聚沉機(jī)制。

圖1所示為學(xué)生設(shè)計(jì)的加入無機(jī)電解質(zhì)NaCl、有機(jī)聚電解質(zhì)聚丙烯酰胺、反電性Fe(OH)3溶膠前后，黏土溶膠穩(wěn)定性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生們不僅能夠通過詳細(xì)觀察體系的聚沉量、聚沉速度、分層體積等表征黏土溶膠的穩(wěn)定性，而且能夠設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)考察不同濃度的同一物質(zhì)、相同濃度下不同物質(zhì)對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響規(guī)律。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是科學(xué)研究的重要手段，通過仔細(xì)觀察才能進(jìn)一步分析原因。因此，該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以提高學(xué)生觀察能力和對(duì)比分析能力，掌握正確的觀察方法，確保觀察的全面性和準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果做好準(zhǔn)備工作[11-12]。

a.加入NaCl無機(jī)電解質(zhì)b.加入聚丙烯酰胺溶膠

c.加入不同濃度反電性Fe(OH)3溶膠

圖1 加入不同溶膠前后,黏土溶膠穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)

(2) 提供Zeta電位儀。原實(shí)驗(yàn)中通過界面移動(dòng)測(cè)量Zeta電位的方法非常費(fèi)時(shí)，因此為學(xué)生提供了Zeta電位儀(見圖2)，這樣學(xué)生能夠非常方便地測(cè)量溶膠體系的Zeta電位。同時(shí)，增設(shè)無機(jī)電解質(zhì)、有機(jī)聚電解質(zhì)、帶相反電荷的溶膠等對(duì)溶膠Zeta電位影響的研究性實(shí)驗(yàn)。①可引導(dǎo)學(xué)生測(cè)定加入不同濃度無機(jī)電解質(zhì)、有機(jī)聚電解質(zhì)、帶相反電荷的溶膠體系的Zeta電位，建立Zeta電位大小與溶膠穩(wěn)定性的變化關(guān)系，分析靜電斥力對(duì)溶膠的穩(wěn)定作用；②可引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料明確Zeta電位分析儀的測(cè)量原理，結(jié)合電泳實(shí)驗(yàn)觀察溶膠界面移動(dòng)計(jì)算Zeta電位的實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果，分析不同測(cè)量Zeta電位方法的適用范圍、測(cè)量誤差來源，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇合適、簡(jiǎn)便實(shí)驗(yàn)方法的能力。

圖2 Zeta電位分析儀

(3) 增設(shè)溶膠制備和穩(wěn)定性原理在油田化學(xué)中的應(yīng)用相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這是由于溶膠制備和穩(wěn)定性研究是解決油田污水處理、采出液破乳脫水、泡沫流體穩(wěn)定性、鉆井液體系穩(wěn)定性等石油與天然氣工程應(yīng)用實(shí)際問題的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。例如，引導(dǎo)學(xué)生在黏土溶膠中加入原油，混合后得到均勻的油水乳狀液模擬油田污水，在其中加入無機(jī)電解質(zhì)、有機(jī)聚電解質(zhì)等污水處理劑，觀察油滴聚并上浮，黏土顆粒絮凝沉降，最終實(shí)現(xiàn)污水除油的過程。該部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)生可以研究無機(jī)電解質(zhì)、有機(jī)聚電解質(zhì)等污水處理劑類型和濃度對(duì)模擬污水的凈化效果，更好地貫穿“溶膠制備及性質(zhì)研究”的所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。因此，通過增設(shè)與實(shí)驗(yàn)主題相關(guān)的石油與天然氣工程實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)石油工程專業(yè)學(xué)生將理論知識(shí)與油田應(yīng)用實(shí)踐緊密結(jié)合，應(yīng)用于解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題的能力，有效提升學(xué)生的研究能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維[13-15]。

1.2 增設(shè)開放拓展實(shí)驗(yàn)

因課堂時(shí)間有限，學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ胁町悾O(shè)置拓展實(shí)驗(yàn)，提供必要的實(shí)驗(yàn)條件，讓學(xué)生根據(jù)個(gè)人情況，預(yù)約參與開放拓展實(shí)驗(yàn)。例如，教師預(yù)先提供多種可選擇的無機(jī)電解質(zhì)，如KCl，MgSO4，Al(NO3)3等，由學(xué)生設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)教師審核，研究不同電解質(zhì)對(duì)溶膠體系Zeta電位的影響。由教師提供油田采出乳狀液以及多種電解質(zhì)和常用破乳劑等，由學(xué)生設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案研究不同電解質(zhì)和破乳劑對(duì)油田采出乳狀液的穩(wěn)定性影響和破乳效果。只要學(xué)生預(yù)約的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與“溶膠制備與性質(zhì)研究”的主題相關(guān)，教師應(yīng)該盡可能提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)材料和理論指導(dǎo)，協(xié)助學(xué)生完成拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過開放拓展實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，可以進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新研究意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作、分析問題和解決問題的能力。

2 精品實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和考核模式建設(shè)

2.1 以學(xué)生為中心的創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，主要是教師講解實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟和注意事項(xiàng)，并進(jìn)行相關(guān)步驟的演示之后，學(xué)生再按教師預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)程序動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。過程中學(xué)生缺乏主觀能動(dòng)性，分析問題和解決問題的能力沒有得到有效的鍛煉。創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，以學(xué)生為主，自主設(shè)計(jì)與完成實(shí)驗(yàn)。為了自主設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生要學(xué)會(huì)使用圖書館、網(wǎng)絡(luò)和各種數(shù)據(jù)庫查閱文獻(xiàn)，理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的理論知識(shí)，掌握溶膠制備的主要方法和相關(guān)性質(zhì)及其影響因素。方案初步設(shè)計(jì)后，學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的方案與教師進(jìn)行交流。確定最終方案后,學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這就要求學(xué)生應(yīng)積極參與實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果有一定的預(yù)判，提高實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的熱情和主動(dòng)性[16-18]。針對(duì)部分實(shí)驗(yàn)儀器昂貴，臺(tái)套數(shù)較少的情況，采用分組合作方式，組間組內(nèi)分工合作，有利于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)合作精神[19-20]。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過小組討論，整理、分析數(shù)據(jù)，撰寫論文，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)到研究方法，提高創(chuàng)新能力。

2.2 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與開放實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)具有綜合性、設(shè)計(jì)性、探索性的特點(diǎn)，涉及到多門基礎(chǔ)和專業(yè)課程，需要對(duì)實(shí)際問題和未知問題進(jìn)行深入探索， 需要學(xué)時(shí)較長(zhǎng)。因而采用課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與課外開放實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，可以有效緩解有限課時(shí)與學(xué)生渴望拓展探索之間的矛盾。學(xué)生在課內(nèi)時(shí)間進(jìn)行溶膠的制備、溶膠Zeta電位的測(cè)量、溶膠穩(wěn)定性的影響實(shí)驗(yàn)。無機(jī)電解質(zhì)、有機(jī)聚電解質(zhì)、帶相反電荷的溶膠等對(duì)膠體Zeta電位影響的研究性實(shí)驗(yàn)，以及溶膠穩(wěn)定性原理在油田化學(xué)中的應(yīng)用相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過開放實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，學(xué)生根據(jù)自己可分配的時(shí)間，通過實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)預(yù)約開放實(shí)驗(yàn)，從而完成對(duì)該部分內(nèi)容的探索研究[21-23]。

2.3 多元考核方式

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，考核方式主要以出勤和實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，忽視了對(duì)前期準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析的考核。創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)有別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因而考核方式也應(yīng)是全方位和多元化的，需要囊括出勤、前期預(yù)習(xí)、文獻(xiàn)資料查閱、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，以及實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)儀器的選擇能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作、分析和解決問題的能力。后期實(shí)驗(yàn)總結(jié)也不能是簡(jiǎn)單的記錄數(shù)據(jù)，而應(yīng)按照科技論文的寫作，以體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)者對(duì)理論知識(shí)的掌握水平，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)研究過程的理解和思考。多元考核模式也避免了學(xué)生抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告，忽視預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果討論與分析等問題，進(jìn)而改變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀況?！叭苣z制備及性質(zhì)研究”的創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)具體考核標(biāo)準(zhǔn)為：預(yù)習(xí)包括查閱文獻(xiàn)資料和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案占20%，實(shí)驗(yàn)過程中選擇儀器能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作占10%、分析和解決問題的能力占10%，實(shí)驗(yàn)操作占30%，實(shí)驗(yàn)論文占30%[24-26]。

3 結(jié) 語

在秉承原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的前提下，增設(shè)研究性和拓展性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，更新實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，健全考核方式，使得“溶膠的制備及性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)通過精品實(shí)驗(yàn)建設(shè)更好地貫穿探索性和創(chuàng)新性的教學(xué)理念，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也更具延展性和生命力，提高學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)興趣與科學(xué)研究積極性，利于培養(yǎng)科研素養(yǎng)和創(chuàng)新精神，符合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)人才的發(fā)展需要。