基于學科交叉的綜合化學實驗的教學設計

單樹楠， 李 嫻， 張 雷， 張 昉

（1.上海師范大學化學與材料科學學院化學實驗教學示范中心，上海200234；2.東華大學紡織學院實驗中心，上海201618）

0 引 言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》提出：要優化學科專業、類型、層次結構，促進多學科交叉和融合［1-2］，當下國家正在進行“雙一流”建設，其中一流學科建設是基礎和核心，而學科交叉是非常重要的途徑，為了更好地推動世界一流學科的建設，2020年8月，全國研究生教育會議決定新增“交叉學科”作為新的學科門類，2020年10月，國家自然科學基金委新成立交叉科學部，為學科交叉創設良好的環境，鼓勵和推動交叉學科研究的開展，建設多元的學科文化，培育多學科復合背景的人才。學科交叉不僅能鍛煉學生的科學素養和創新能力，而且能激發和培養學生的創新思維和跨學科綜合思維能力，更有助于促進多學科的協同發展，完善具有跨學科視野和協同創新意識的復合型人才培養機制［3-5］。

綜合化學實驗是我校化學實驗教學示范中心在基礎化學實驗課程之后為化學類高年級學生開設的一門專業實驗課程。該課程以培養學生綜合運用所學知識和技能為目的，培養學生綜合分析和解決問題的能力。以往開設的實驗教學內容多來源于中心教師多年的教學和科研成果，涵蓋了多個化學相關的二級學科的基礎理論與實驗技術，已具有成熟的知識體系。近年來，在國家重大戰略需求的驅動下，多學科交叉匯聚與多技術跨界融合成為常態，中心也逐漸探索以學科交叉為特色的實驗教學體系的研究，對基于學科交叉的綜合化學實驗的教學內容進行改革，鼓勵教師把正在開展的學科交叉的科研課題，轉化為研究型的綜合化學實驗植入教學活動，旨在培養具有多學科背景的應用型、復合型和技能型人才［6］。本文介紹了一個綜合化學實驗的教學設計——吸附光催化耦合生物法降解苯并三唑廢水，該實驗內容較好地體現了多學科的交叉和融合，并在實施過程中取得了良好的教學效果。

1 實驗設計的理論依據

黨的十八大以來，習近平總書記就生態文明建設中的系統治水做出一系列重要論述和重大部署，特別指出要保障水安全，統籌做好水環境治理。基于此背景，實驗的設計提出了如下理論依據。

苯并三唑是一種含氮雜環化合物，作為一種新興污染物，廣泛應用于冷卻液、防凍液和家用洗滌劑中，因其結構上的雙環閉合共軛結構，具有難降解性，污水處理廠傳統的生物技術難以將其完全去除，故苯并三唑通過生活污水和工業廢水的間接排放自然水體中，因其具有毒性、致癌和致畸作用，會對人類健康和和生態環境帶來威脅。

半導體多相光催化法能有效地降解水中有機污染物，其中二氧化鈦（TiO2）因具有較高的光催化活性、抗光腐蝕，且便宜易得，已成為一種重要的、有應用前景的污水處理光催化劑。而在傳統的吸附法中，硅膠以其穩定性和孔徑可調性，是一種常用的多孔吸附材料。近年來開發的一種吸附與光催化技術凈化技術，其兼具了吸附和光催化法的優勢，這類技術將TiO2等光催化劑負載到硅膠上，制成復合光催化材料用于降解污染物。

雖然吸附與光催化聯用技術對苯并三唑具有良好的處理效果，但存在耗能大、處理成本高和反應時間長等缺點，且在處理過程中苯并三唑難以被完全礦化，有的副產物甚至比苯并三唑更有危害。而污水處理廠在利用生物法處理時，雖然具有處理量大和成本低的優點，但苯并三唑對生物降解菌有很強的抑制性或毒性，可生化性不強，使生物降解菌死亡。于是科研工作者采用將吸附與光催化聯用技術和生物法耦合，利用它們各自的優點來促進苯并三唑的完全降解［7-9］。對于本實驗而言，即先利用吸附光催化復合材料預處理提高苯并三唑的可生化性，再結合生物處理工藝來降解苯并三唑，從而達到苯并三唑的完全去除。

該實驗內容能較好地體現化學、材料、微生物、環境和工程等學科的交叉與融合，鍛煉學生的文獻查閱以及動手操作能力，培養學生發現、分析、解決和總結問題的綜合能力，提高學生的綜合素質，符合培養多學科背景的創新型人才的要求。

2 實驗設計

2.1 實驗目的

（1）學習溶膠凝膠法制備納米TiO2；

（2）學習負載型納米TiO2-SiO2光催化劑的表征技術，了解掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線粉末衍射儀（XRD）等大型儀器的數據表征及分析方法，掌握高效液相色譜儀、離子色譜儀、紅外光譜儀、比表面積孔徑孔容分析儀和總有機碳/總氮分析儀的工作原理及操作分析方法；

（3）掌握光催化劑的光催化活性評價方法、微生物降解菌的馴化及反應器掛膜方法、生物膜反應器的設計和構建；

（4）了解該實驗涉及多學科相互滲透和交叉，可培養具有跨學科視野和協同創新意識的復合型人才。

2.2 實驗試劑與儀器

實驗試劑：硅膠、鈦酸四丁酯、無水乙醇、濃硝酸、葡萄糖、苯并三唑、氯化銨、十二水合磷酸氫二鈉、活性污泥。

實驗儀器：毛玻璃、磁力攪拌器、烘箱、馬弗爐、254 nm紫外燈、pH計、COD消解儀、SEM、TEM、XRD、高效液相色譜儀、離子色譜儀、紅外光譜儀、紫外分光光度計、比表面積孔徑孔容分析儀、總有機碳/總氮分析儀。

2.3 實驗內容

（1）負載型納米TiO2-SiO2光催化劑薄膜的制備。采用溶膠凝膠法制備納米TiO2。先在燒杯中倒入適量無水乙醇和濃硝酸，在恒溫下磁力攪拌；接著逐滴加入鈦酸四丁酯，得到TiO2溶膠，控制體系pH值為酸性。再把一定量硅膠加入其中，繼續攪拌1 h，即可得到硅膠負載型TiO2-SiO2懸濁液，懸浮液采用離心加水洗法直至上層清液接近中性，置于暗處保存。

然后進行光催化劑薄膜的制備。把毛玻璃洗凈，烘干，通過浸漬提拉法把毛玻璃置于上述懸濁液中進行超聲涂膜、提拉，先于70℃烘箱內烘干得到干凝膠，再放置于馬弗爐中煅燒，升溫至指定溫度并保溫1 h，冷卻后，即制得光催化膜。如此反復提拉鍍膜數次，即得到不同層數的光催化膜。

（2）光催化劑薄膜性能的表征。利用SEM和TEM對光催化劑納米顆粒的形貌、大小和均一性進行表征，并對表面元素進行定性和半定量的分析；利用XRD來解析TiO2的晶體結構；利用紅外光譜儀分析Ti-O鍵的官能團形成和變化；利用比表面積孔徑孔容分析儀分析該材料的比表面積、孔容和孔徑特征。

（3）光催化劑薄膜光催化活性的評價。采用光催化降解一種常見的染料亞甲基藍溶液來考察所得光催化劑薄膜的光催化活性。將一定量濃度為20 mg/L的亞甲基藍水溶液注入套層反應器中，放入光催化劑薄膜，夾層通循環水，在反應器底部放入小磁子用于磁力攪拌，使染料溶液濃度分布均勻，待薄膜暗吸附20 min后將其均置于的高壓汞燈下光照反應，每隔一定的時間間隔取樣，經離心分離后取上層清液用紫外可見分光光度計測定亞甲基藍溶液的吸光度變化，以此來計算該催化劑薄膜的光催化活性。

（4）苯并三唑生物降解菌的馴化。取水質凈化廠的原始活性污泥倒入燒杯中，經多次靜置分層清洗后，開始進行馴化。第1階段為7天，取約300 mL洗好的活性污泥放入容積為1 L的量筒中，加入適量氮磷、微量元素和葡萄糖營養液，用自來水將污泥混合液定容至1 L，并充分曝氣，控制量筒內的水溫為30℃，每天進行污泥的靜置分離和加入新營養液的重復步驟。在第2階段，把加入的葡萄糖的濃度由300 mg/L逐漸降到200 mg/L，同時加入碳源替代物苯并三唑，其濃度由0逐漸提升至60 mg/L，使體系內總COD濃度保持為300 mg/L，其余步驟和第一階段相同。經過一段時間，苯并三唑在24 h內的去除率達到95%以上，則說明苯并三唑生物降解菌已基本馴化完畢。

（5）生物膜反應器的構建及生物降解菌掛膜。本實驗采用的是內循環折流式生物膜反應器［8］，如圖1所示，該反應器的主體材質為有機玻璃，其被一個擋板（segregated board）分為上下兩個部分，光催化劑薄膜置于擋板上方，光催化反應在擋板上部區域進行，微生物降解發生在下部區域，13塊多孔陶瓷板（baffled plate）交錯安裝在反應器底部，可以使溶液進行折流式流動，反應器底部一側的泵可使溶液在上部光催化區和下部生物降解區連續地循環起來，從而完成耦合作用對污染物進行降解。

圖1 光催化耦合生物膜反應器的結構示意圖

把已馴化的含苯并三唑生物降解菌的活性污泥倒入該反應器中，浸沒陶瓷板，使液面高度不超過擋板，在泵的作用下運行反應器一段時間，通過吸附作用在陶瓷板上形成生物膜，即完成生物膜掛膜。通過每天加入適量的苯并三唑、葡萄糖和營養液，經過一周時間的進一步馴化，得到穩定且均勻的生物膜，此生物膜在8 h內可以將20 mg/L的苯并三唑完全去除。掛膜后實際效果圖如圖2所示。

（6）苯并三唑廢水的降解處理。分別采取吸附法、光催化法、生物法，以及不同方法之間的耦合作用，對20 mg/L的苯并三唑溶液進行處理。利用高效液相色譜儀測定苯并三唑降解過程中苯并三唑和其中間產物的濃度變化；利用總有機碳/總氮分析儀測定苯并三唑降解過程中總有機碳和總氮的濃度變化；利用離子色譜儀測定苯并三唑降解過程中氨態氮和硝態氮的離子濃度變化，從而判斷其苯并三唑的降解情況和其礦化程度。

2.4 數據處理和思考討論

實驗完成后，要求學生對所得數據進行處理，并進行相關問題的思考討論：

（1）學會常用科研軟件的使用和數據的處理。用Origin或Excel軟件對所制備TiO2的XRD數據進行處理，要求學生了解不同煅燒溫度下TiO2晶體結構的改變，以及其對應的光催化性能的變化；用Gatan Digital Micrograph軟件對所得TEM圖像中的納米顆粒大小進行統計，畫出粒徑分布圖；用Novawin孔分析軟件對光催化劑的比表面積、孔容和孔徑分布圖進行數據處理，并掌握其中的計算方法和含義。

（2）在光催化活性評價和苯并三唑的耦合降解過程中，根據所得測試數據，針對目標物和中間產物，如何進行定性和定量分析，如何描述其濃度變化情況及計算各自的反應動力學。

（3）溶膠凝膠法制備納米TiO2的注意事項有哪些？還有哪些常用方法可以制備納米TiO2？

（4）反應器中光催化區和生物膜區兩部分為什么設計時要用擋板分開？

（5）通過文獻查閱，確定光催化和生物法分別降解苯并三唑的降解路徑，并解釋為何經光催化預處理可提高苯并三唑的可生化性，即光催化耦合生物技術降解苯并三唑的機理是什么？

（6）用活性污泥進行苯并三唑微生物菌的馴化和反應器掛膜時，如何判斷活性污泥的狀態、掛膜效果以及維持反應器的正常運行，若出現問題采取何種方法去補救或調整；讓學生查文獻了解后續工作如何利用分子生物學技術，比如通過生物膜的高通量基因測序，來確定微生物降解菌的種類，進而培養相關菌種對苯并三唑進行精準處理，以提高降解效率。

3 實驗教學設計與實施方案

傳統的實驗教學內容和過程簡單直接，實驗結果可按既定方案達到預期效果，學生只需照本宣科地進行機械性重復即可，缺少獨立思考和探索；實驗內容的建設主要以化學類實驗課程為主，較少涉及學科交叉類的知識，實驗報告中呈現的數據結果欠缺深入分析，對學生透過現象看本質能力的訓練較少；在實驗教學方法中，大型分析儀器的充分利用度不夠，缺少學生對科學問題探究意識的培養。所以，為了克服前述問題，在本實驗的教學設計中，把培養具有創新意識、能力和思維的創新型人才放在首位［10-11］，結合學科交叉融合的理念開展教學設計，多維度地訓練學生的綜合素質與能力。

3.1 溶膠凝膠法的條件摸索——根據研究目的掌握材料的制備方法

本實驗第一個研究目的是學習溶膠凝膠法制備TiO2。溶膠凝膠法其主要原理是利用含高化學活性組分的化合物作前驅體，經過水解、縮合化學反應，先得到溶膠體系，再經過干燥變成凝膠，最后經高溫處理，即得到所需納米材料。

鈦酸四丁酯和無水乙醇、濃硝酸的比例，鈦酸四丁酯的滴加速度，反應體系的溫度和pH值的控制，煅燒溫度、時間和升溫速率等因素［12］，都會影響凝膠或晶粒的粒徑和比表面積，進而會對產物的光催化性能產生影響，在這個部分，要求學生通過文獻查閱，結合產物的表征結果對這些制備條件因素進行調節，摸索出制備溶膠凝膠法納米TiO2的最佳條件。在實際溶膠凝膠法實驗的開展過程中，學生會經歷多次失敗，要鼓勵學生大膽試錯，積累經驗，在失敗的過程中尋找適合的解決方案，進而培養學生的探究與創新精神，在課堂中真正發揮學生的主體作用。

3.2 降解方案的對比選擇——掌握不同降解方案的優缺點以確定適宜路線

本實驗的最終目標是建立不同方案對苯并三唑廢水進行降解。這部分的教學設計可分為3個階段。①讓學生學習3種不同類型的單一處理方案，包括物理吸附法、化學光催化法和生物法，通過直觀地了解降解效果，掌握各自的工作原理和優缺點。②把不同單一處理方案進行組合，包括吸附/光催化、吸附/生物法、光催化/生物法和吸附/光催化/生物法，通過這些組合嘗試，讓學生學習利用不同方案間的協同作用，可以加快目標物的降解。③針對光催化和生物法的耦合作用進行重點展開，分別進行先光催化后生物處理分步耦合法，光催化和生物技術同步耦合法這兩種策略，特別是在分步耦合法中，通過控制光催化時間來嘗試分步耦合帶來的不同降解效果，進一步從側面體現出同步耦合法的優越性。

3.3 大型分析儀器的綜合使用——培養學生對科學問題的探究能力

傳統的涉及大型分析儀器的實驗教學過程中，由于儀器數量的限制，通常只用來做演示實驗，很難保證每個學生能獨立操作。即便學生可上機操作，也僅是按部就班地進行儀器使用和簡單的結果驗證，缺少對包括樣品預處理、測試方法建立和數據分析在內的整個測試過程技巧的培養［13-14］。在本實驗中，我們強調對大型分析儀器的綜合使用，利用儀器開展創新性和設計性的工作，培養學生對實驗中所遇到科學問題的探究意識。

本實驗中所用的大型分析儀器包括兩個部分，第1部分主要涉及材料的結構表征，第2部分用于降解過程中目標物、中間產物及最終產物的分析。這里要求學生掌握每一個大型分析儀器表征樣品的目的，以及它們體現出材料哪些方面的性質，比如SEM、TEM、

XRD、紅外光譜儀、比表面積孔徑孔容分析等；能闡明材料的微觀結構對其宏觀性能的影響，基于表征得到的微觀結構推測材料的功能性，使學生真正理解“結構決定性質，性質反映結構”的關系［15］，如比表面積測試中，由于多孔SiO2的存在，樣品呈現出大比表面積，可以吸附更多的目標物質，但由于TiO2的引入，比表面積值會下降，這是因為SiO2的部分孔道會被TiO堵塞。在第2部分，通過對高效液相色譜儀、離子色譜儀和總有機碳/總氮分析儀等儀器的使用，要求學生熟練掌握每臺儀器的工作原理、樣品預處理方法、操作方法及分析方法的建立，科學準確地分析出苯并三唑廢水降解過程中的各種成分的變化情況。

4 實驗的教學組織安排

在整個實驗教學的過程中，考慮到大型儀器的數量和使用時間的限制，為了能夠更好地達到教學設計的目的，使學生在單位時間內真正學到更多的知識，對實驗時間和相關操作步驟進行了優化，整個實驗采用“分組分階段”完成，具體的實驗進度及安排參見表1。

表1 課程進度及安排表

本實驗內容涉及面廣，考慮到常規課堂的實驗學時有限，為了使學生更好地從感性認識角度了解實驗原理和過程，本課程制作了微視頻可供學生預習和學習。同時采取了PBL［16］和翻轉課堂式教學模式，教師只需對關鍵知識點進行針對性講解，這樣可發揮學生的主觀能動性，提高了學生的參與度和自主學習能力，對整個實驗的進展可更好地進行把控。

另外，考慮本實驗面對的是化學類的學生，在實際實驗內容和時間安排上，側重點更偏向于化學及材料類知識，而涉及到其他學科的相關內容會做相應的簡化調整。

實驗結束后，要求學生整理所得實驗數據并分析，歸納總結實驗結果，最后按照科研論文的格式進行撰寫研究型實驗報告，讓學生了解并掌握科研論文的框架結構——摘要、前言、實驗部分、結果與討論和結論，鍛煉學生科研論文的寫作能力。

5 結 語

本實驗是一個典型的學科交叉型的研究型綜合化學實驗，實驗內容涵蓋了化學、材料、微生物、環境和工程等多門學科，涉及多種大型分析儀器的操作和使用，充分體現出多學科的相互交叉與融合。在整個實驗教學過程中，學生的寬基礎和綜合科學思維能力得到了鍛煉，符合新時代背景下培養多學科交叉的創新型人才的教學理念。實驗內容可進一步補充和拓展，作為大學生的創新實驗項目或畢業論文課題繼續完善。作為試點，本實驗安排在綜合化學實驗課程最后一次課進行，目前已有化學師范和應用化學專業各兩屆學生完成了本實驗，實驗內容獲得了學生的歡迎和認同，教學效果反饋良好。此外，學科交叉式的綜合化學實驗教學模式仍處于探索階段，需要各學科教師之間進一步地溝通和合作，完善培養方案，從而促進學生的全面發展。