新工科背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)的課程改革探索—以高分子專業(yè)實驗設(shè)計為例

＊吳亞東 王芳 劉麗

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 黑龍江 150001）

新工科背景下，進一步推進實驗教學(xué)改革，是對工程教育新理念、人才培養(yǎng)新模式的探索。實驗教學(xué)作為高校教學(xué)工作中的重要模塊，是培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合人才重要的實踐環(huán)節(jié)。實驗課程的教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)課程相比，不僅覆蓋課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)等傳統(tǒng)方式，還有學(xué)生實驗動手實操、課后實驗報告等環(huán)節(jié)，更好地詮釋了學(xué)生是中心、師生齊參與的核心。高分子科學(xué)與工程專業(yè)是一門專業(yè)性強、系統(tǒng)性強、實驗性強的工科專業(yè)，專業(yè)性質(zhì)決定了實驗技術(shù)在本專業(yè)教學(xué)及科研中的重要地位?！陡叻肿訉I(yè)實驗》是一門工程實踐課程，旨在加強理論知識的運用，鍛煉實驗操作技能、培養(yǎng)解決實際問題的能力。因此結(jié)合實際需求，調(diào)整教學(xué)實驗項目，進而提升應(yīng)用型本科專業(yè)教學(xué)水平，培養(yǎng)出緊跟時代步伐的創(chuàng)新型人才是高校實驗教學(xué)的改革方向之一。

隨著工業(yè)化進程及生態(tài)環(huán)境的變化，有機污染物造成的水污染已經(jīng)成為亟待解決的問題[1-2]。目前常用的水處理方法主要有化學(xué)法、物理法及生物法[3-4]。其中最常用的物理法主要包括膜分離和吸附劑等分離方法，膜分離方法主要存在成本高、操作復(fù)雜等缺點，使其在實際應(yīng)用過程中存在困難。而吸附法則會克服這些缺點，同時又具備經(jīng)濟環(huán)保、操作簡便、種類多、可再生等優(yōu)點，因此被認為是最合適的處理水中污染物的方法[5]。

本文以上述需求背景為切入點，對《高分子專業(yè)實驗》教學(xué)項目進行全新設(shè)計。該實驗內(nèi)容新穎，知識點覆蓋高分子化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、儀器分析、光譜學(xué)等諸多課程，涉及文獻查閱、產(chǎn)品制備、結(jié)構(gòu)表征、性能測試等化工專業(yè)基本操作，幫助學(xué)生掌握多種現(xiàn)代化儀器設(shè)備操作及數(shù)據(jù)分析。將此實驗引入高分子化學(xué)專業(yè)綜合實驗教學(xué)體系將有力增強學(xué)生的專業(yè)知識與實際運用能力，提高學(xué)生動手操作能力、科研能力及環(huán)保意識。

1.課程簡介及設(shè)計目標(biāo)

《高分子專業(yè)實驗》是高分子材料與工程專業(yè)的一門工程實踐課程，通過本課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生掌握高聚物的合成原理、實驗操作方法和實驗控制方法；學(xué)會將理論教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用相結(jié)合，加強實際操作能力。目前該門實驗課程的基本情況如圖1所示。

圖1 《高分子專業(yè)實驗》簡介

綜合考慮原有課程架構(gòu)，對其進行課程改革，將圖1圈中課程更新成嶄新的《輕質(zhì)氣凝膠制備及吸附性能研究》（24學(xué)時）。設(shè)計實驗，通過實操驗證所學(xué)知識、理論的可靠性及正確性；掌握實際影響因素對實驗的作用，更好地理解專業(yè)課程中材料加工、改性與性能的關(guān)系，加工過程對結(jié)構(gòu)及性能的影響?；趯嶒灥妮o助教學(xué)，使學(xué)生對理論知識的掌握有所提高，加強動手能力的培養(yǎng)，掌握實驗技巧和規(guī)范操作；使學(xué)生在實驗和親自設(shè)計、制造中逐漸學(xué)會把理論知識運用于生產(chǎn)實踐中，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，為今后的科學(xué)研究和工作打下基礎(chǔ)。

2.試驗部分

(1)試驗試劑

Kevlar 29纖維，杜邦公司；二甲基亞砜、氫氧化鉀、無水乙醇、孔雀石綠等分析純試劑，阿拉丁試劑（上海）有限公司。

(2)試驗儀器

干燥箱（BGG-9055A，上海一恒）；電子天平（AR 153CN，奧豪斯儀器）；磁力攪拌器（DF-101S，予華儀器）；循環(huán)水式真空泵（SHZ-D(Ⅲ)，邦西儀器）；冷凍干燥機（FD-1A-50，上海比朗）；恒溫振蕩器（SHZ-82，智博瑞儀器）。

(3)芳綸納米纖維氣凝膠制備

①芳綸納米纖維溶液制備。稱量1g纖維，KOH 1.5g置于圓底燒瓶，加入500mL DMSO，攪拌48h，得到ANFs/DMSO溶液，如圖2所示。

圖2 芳綸纖維制備納米纖維溶液過程圖

②ANFs氣凝膠制備。取200mL溶液于500mL燒杯中，邊攪拌邊加入去離子水，隨后抽濾，收集凝膠冷凍干燥后即得ANFs凝膠。

③氣凝膠性能測試。以有機染料孔雀石綠（Malachite Green，MG）為吸附質(zhì)進行吸附實驗。吸附實驗包括標(biāo)準(zhǔn)曲線測定、吸附率及吸附量的測定等。

3.結(jié)果與討論

（1）氣凝膠形貌與結(jié)構(gòu)分析。觀察ANFs凝膠的形貌，如圖3所示。

圖3 ANFs凝膠的照片及SEM圖像

向ANFs溶液中緩慢加入去離子水作為絮凝劑，納米纖維迅速凝聚成團形成黃色凝膠，得如圖3（a）所示的淺黃色凝膠產(chǎn)物，冷凍干燥可得如圖3（b）所示氣凝膠。其SEM圖像如圖3（c）所示，可看出ANFs凝膠由大量納米纖維組成，無序排列并構(gòu)成貫通的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

對Kevlar纖維和ANFs氣凝膠進行紅外測試，如圖4所示。兩種譜圖主要特征峰位置基本相似。ANFs光譜中沒有出現(xiàn)新特征峰，說明納米纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)與宏觀纖維一致。

圖4 Kevlar纖維及ANFs氣凝膠的FTIR譜圖

對Kevlar纖維和ANFs氣凝膠的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進行表征，圖5為兩者的XRD譜圖。納米纖維膜結(jié)晶峰位置主要在2θ角為20.54°、22.98°、28.13°，與Kevlar纖維XRD譜圖的峰位一致。

圖5 ANFs氣凝膠的XRD譜圖(插圖為Kevlar纖維的XRD譜圖)

（2）氣凝膠吸附性能分析。以孔雀石綠為吸附質(zhì)，ANFs凝膠為吸附劑，利用紫外-可見分光光度計在不同的吸附條件下，進行吸附性能的測試。確定MG溶液的最大吸收波長后，先擬合并繪制MG溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線，再測試吸附完成后的溶液的吸光度，即可計算得出吸附實驗后溶液中殘留MG的濃度。

①吸附標(biāo)準(zhǔn)曲線測定。配置不同濃度MG溶液各50mL，置于100mL錐形瓶中，稱量8份ANFs凝膠樣品，每份50mg，置于不同濃度的MG溶液中，25℃下避光振蕩2h后，用去離子水為參比物，在選定的618nm處的工作波長下，測試MG最大吸收波長下各溶液的吸光度A。以濃度C為橫坐標(biāo)，吸光度A為縱坐標(biāo)，作圖得到擬合直線，即為MG溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖6所示。

圖6 孔雀石綠溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線

得到濃度方程如式1所示，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9969。

y=0.09448x-0.1102 （1）

②吸附率及吸附量測定。稀釋一系列不同濃度的MG標(biāo)準(zhǔn)溶液各50mL并分別置于錐形瓶中，分別加入50mg ANFs凝膠樣品，25℃恒溫振蕩1h至平衡后，計算殘余濃度，比較吸附量及吸附率。

吸附實驗中，吸附率（R）按式（2）進行計算：

式中：R—吸附率，%；C0—各溶液的初始濃度，mg/L；Ce—吸附達平衡后溶液中MG的濃度，mg/L。

當(dāng)吸附實驗達到平衡后，吸附劑的平衡吸附量（Qe）如式（3）進行計算：

式中：V—溶液的體積，L；m—吸附劑的用量，g。

測試結(jié)果表明，ANFs凝膠吸附劑對MG染料有較好的吸附效果。隨著溶液初始濃度的提高，吸附量逐漸變大，但吸附率有所下降。

4.結(jié)論

在新工科背景下，鍛煉學(xué)生動手操作能力是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要環(huán)節(jié)。基于環(huán)境污染水處理應(yīng)用，本實驗設(shè)計制備了一種對孔雀石綠有良好吸附性能的芳綸納米纖維基氣凝膠，對其微觀形貌、結(jié)構(gòu)組成及吸附性能設(shè)計實驗并進行了分析與評價。該實驗涉及課程類目豐富，實驗基本操作全面，多種現(xiàn)代分析儀器的操作與數(shù)據(jù)處理可幫助學(xué)生掌握儀器使用，極適于列入實驗教學(xué)。通過本實驗可加強學(xué)生了解材料科學(xué)在實際生活中的應(yīng)用，有助于學(xué)生對專業(yè)知識的理解，鍛煉解決實際問題的綜合能力。