科研实验引入本科化学实验教学中探究

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[摘要]通过设计一个高效简单的方法来制备不同尺寸金纳米粒子的实验，改变传统的教学模式，来更好的将科研平台融入到物理化学实验教学中，让学生能更加清晰的将课本中的理论知识具体化。从科研成果融入实验教学方面入手，能更有效地提升了学生的实验技能和科研思维能力。设计本实验同时也让学生熟悉溶胶的制备和性质以及纳米尺度物质的特殊性质，并掌握实验的方法思路及仪器的使用情况，提高学生的科研素养，充分调动起学生学习的主动性，积极参与到化学实验教学中，培养学生的实践能力和创新能力，为后期走向化学科研道路奠定基础。

[关键词]金纳米粒子；纳米材料；实验教学；科学前言；教学改革

众所周知，化学是一门以实验为基础的学科，相比于中学化学教育，大学本科化学教育无论在课程知识深度上还是广度上都有了一定程度的延伸和提升，也更加注重于实践教学。这同时也要求大学生在学习方法和学习思维方面要有所转变，以更加快速的适应本科阶段的学科要求，为后期学习其他专业课程或以后从事科研及教学工作奠定基础。化学专业的学生大学本科阶段主要学习四大化学，即无机化学、有机化学、分析化学和物理化学，同时还对应课程标准设置四大化学的实验课程。在物理化学中，学习过溶胶的制备及性质，但是物理化学课程是一门理论性比较强的课程，同学们也只是在书本上学过理论知识，但是具体什么是溶胶，大家的印象可能也比较模糊。再比如，物理化学课程中都涉及的电化学内容，是科学研究当中比较重要的测试手段，什么是电极，电极的种类有哪些，电极是怎样进行检测工作的等等，这些内容也是学生们在物理化学实验课程标准设置中很少能体现出来的。化学这门课程虽然是一门理论性较强的课程，是学生们从初中阶段就开始接触的，但化学也是一门紧随时代发展，与时俱进的一门课程。因为化学与我们的生活息息相关，现在我们的国家飞速发展，已经进入科技强国时代，从近几年的诺贝尔化学奖也可以看出，科研方向更加偏向于交叉学科，而化学这一门学科和物理、生物、医学、药学、军事等领域都有重要的关联性，可见学习化学的重要性。同时为了顺应时代的发展要求，各大高校也在大力培养科技人才，激发自主创新能力。这也就要求我们在培养高端型化学学科科技人才的前提一定要立足于基础教学，培养学生的基本实验能力，基础专业技能和科研素养[1-2]。因此，在高校教学过程中，实验教师在教学过程中不仅要让学生顺利完成课程设置的实验，更应该注重大学本科学生科研思维的培养。目前，有些高校已经将科研实验引入本科物理化学实验教学中，使教学实验内容与科学研究深度融合，这样不仅可以很好地培养学生的科研实践能力和创新意识，也开发了学生的思维，培养学生具备独立思考、发现问题和解决问题的能力[3-4]。但在实际的实验教学中，大多数高校由于实验条件有限，不能有效地为本科生开展科研训练[5]。本文以金纳米粒子(金溶胶)的制备和应用实验为例，将科研思维引入到物理化学实验中，引发学生的科研兴趣，对以后的学习和创新思维具有深远的意义。

1实验目的

纳米粒子指的是粒度在1~100nm之间的粒子，属于胶体粒子大小的范畴，处于宏观体系和微观体系之间，这也就使得纳米尺度的粒子具备一些特殊的性质，就金纳米粒子来说，它可以根据粒子尺寸的不同呈现出不同的颜色[3]。金纳米粒子的制备方法也有很多，例如超声自组装法、气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法等等。本实验主要设计了一个简单高效快速的制备金纳米粒子的实验方法，并将制备的金纳米粒子进一步扩展应用，通过颜色的变化来判断金纳米粒子的合成情况，让学生产生浓厚的科研兴趣。还可以通过紫外分光光度法来将纳米粒子的尺度大小进行比较，进一步让学生了解纳米尺度粒子的特殊性。本实验的开发不仅能让学生掌握基本的实验操作方法，同时培养学生的纳米材料合成能力以及化学仪器的掌握能力，提高学生的科学素养。

2实验试剂与仪器

2.1实验试剂

氯金酸(HAuCl4)购自北京化工厂。柠檬酸钠(C6H5Na3O7)和氯化钾(KCl)购自上海麦克林生化科技有限公司。盐酸羟胺(H2NOHHCl)购自天津市福晨化学试剂厂。硼氢化钠(NaBH4)购自天津市光复科技发展有限公司。银导电胶和Apiezon蜡购买自天津多为莱博有限公司。所有实验用水均来自水净化系统(MilliporeS.A.S)的去离子水。

2.2实验仪器

电化学工作站，磁力搅拌器，容量瓶，扫描电子显微镜(SEM)，紫外-可见光谱仪，激光拉制仪。

3实验步骤

3.13.5nm金纳米粒子的制备

取一只100mL的容量瓶中，在容量瓶中加入500μL的浓度为50mmol/L的HAuCl4(2.5×10-4mol/L)溶液和等浓度的柠檬酸钠(2.5×10-4mol/L)溶液，随后将溶液转移到烧杯中并加入搅拌子，将烧杯放在磁力搅拌器中搅拌，大约5分钟左右。当溶液混合均匀以后，向其搅拌的溶液中加入提前配置好的冰的1.2mL的浓度为0.1mol/L的NaBH4溶液，当NaBH4溶液进入混合溶液的瞬间，混合溶液立即由无色变成了浅酒红色，此时这种现象已经证明了尺寸为3.5nm的金纳米粒子制备成功了。但是为了保证纳米粒子的稳定性，还需要继续搅拌溶液，最少半个小时以后，制备成功的尺寸为3.5nm的金纳米粒子放置在干净且干燥的容器中，盖紧盖子，稳定2个小时后，就可以进行下一步的实验了。

3.243nm金纳米粒子的制备

取一只100mL的圆底烧瓶，加入50mL的浓度为0.25mmol/L的HAuCl4水溶液，搭好加热装置套，将溶液加热至沸腾状态，此时再加入0.5mL的浓度质量分数为1%柠檬酸钠溶液继续搅拌并持续加热。此时可以观察到沸腾的溶液先是变成了浅蓝色溶液，而后蓝色接着变成了较深的鲜红色溶液，整个过程持续了大约1分钟左右，这种现象就说明已经制备成功了尺寸为43nm的金纳米粒子(GNPs)。通过这种方法制备的GNPs，至少应该先存放24小时之后，待纳米粒子稳定以后，再进后续地实验应用。

4实验结果与讨论

4.13.5nm金纳米粒子的表征

这个尺寸的纳米粒子粒径比较小，一般情况下作为纳米生长因子来备用。图1(a)是制备成功的3.5nm的金纳米生长因子的合成图片，此种纳米粒子外观一般呈现浅酒红色，可以通过紫外-可见光谱仪来测定其紫外吸收峰在510nm处，如图1所示。这种小粒径的纳米粒子一般用于生长因子来使用，由于其粒径较小，浓度较小，颜色也较浅。通过实验可以看出纳米尺度的金纳米粒子不再是我们常规所认识的金的颜色了，也具备了一些金不具备的性质，由此实验也开拓了学生的眼界，提高学生对科学实验的探索欲。纳米粒子的化学设计和合成推动了纳米技术的发展，纳米技术研究的基础是结构的大小和形状，在化学合成过程中可以调整不同的光学、电子或磁性特性，如果没有合适的纳米粒子设计，纳米技术的许多重要应用也将无法实现。

4.243nm金纳米粒子的表征

通过此种方法合成的尺寸为43nm的GNPs的扫描电子显微镜图如图2(a)所示。通过紫外-可见光谱仪测试其紫外吸收光谱在530nm处有吸收峰，如图2(b)所示。如图2(a所示)，是我们上述实验制备的43nm尺寸的金纳米颗粒的扫描电子显微镜图，可以清晰的看出纳米颗粒尺寸的均匀性以及稳定性。图(b)是紫外吸收光谱图，和上述实验对比可知，纳米粒子越大，散射效应越强，紫外吸收峰相对较大一些，因此金纳米粒子的纳米尺寸会影响紫外的最大吸收峰。随着研究人员开始构建多功能纳米结构，尺寸和形状以及表面化学问题将变得很重要。由于纳米粒子的大小与生物分子(例如蛋白质、DNA)和结构(例如病毒和细菌)的大小相似，因此在各种生物医学应用中纳米粒子的应用引起了极大的兴趣。此外，可以将有用的特性结合到纳米粒子的设计中，以操纵或检测生物结构和系统。纳米粒子目前用于成像、生物传感、以及基因和药物递送等领域[6-7]。随着生物医学纳米技术综合领域的发展，将需要更系统的纳米粒子和结构化学设计方法。

5教学建议与总结

5.1教学建议

本文以金溶胶的制备和性质实验为例，将科学实验融入到物理化学实验当中，在课堂中，合理的融入一个实验，不仅能帮助学生将书本上的知识具体化，更能启发学生思考各种实验对照、实验的关键点，掌握实验的设计及逻辑分析问题等基本实验素质，培养创新的思维能力。比如在本实验中，可以将全班30名学生分成2大组，每大组15名学生，一大组同学制备3.5nm的金纳米粒子并进行紫外光谱的检测，另外一大组同学制备43nm的金纳米粒子并进行紫外光谱的检测，这样可以同时开始两组不同的实验，一大组同学还可以分成5小组，每小组3名同学，1名同学负责制备金溶胶，1名同学用紫外分光光度计检测，另外1名同学处理数据。一组实验结束以后，两大组的同学再交叉做另外一类实验，这样可以保证每一位学生都参与在其中，且实验完成以后同学们互相比较两组实验的差别以及两组实验结果的对比，这样学生不仅可以更好的理解溶胶的定义，也更加清楚地认识到纳米科学的深奥之处，还有更多的科学实验有待探索，与此同时也需要更多的理论知识来支撑，这也是激励学生们自主学习和勇于探索的方式。现在是互联网时代，老师们可以充分利用互联网平台帮助学生开展课前预习和课后复习，可以通过中国大学慕课上一些国家级精品课程作为辅助教育资源，里面可以看到一些学生们在本校实验室没有做过的实验，这样可以有效的弥补本校实验课程上的知识盲区。同时老师们可以借助雨课堂的线上线下混合式教学模式来丰富授课的手段，激发学生的兴趣[8]。例如课前在雨课堂平台可以发布预习内容，让学生提前预习实验内容，发布的内容不仅可以是文字版本，还可以是视频模式，可以更加直观的让学生理解本节课实验的主要内容，同时撰写好预习报告。在课堂上，对于学生在实验预习报告中呈现的问题，或者是在实验过程中遇到的问题，教师可以及时与学生沟通，纠正学生的错误。进一步提升学生的分析问题和解决问题的能力[9]。通过网络平台，教师可以不受时空限制给予学生指导，即使是实验课也是一样，实现了教学效果的最优化。

5.2总结

对于高校来说，进一步深化实验教学的改革，提高实验教学效果，其核心就是加强学生实践能力和培养学生的创新精神[10-11]。因此，建立一套完整的实验课程教学体系就显得尤为重要。在本文设计的实验中，不仅延续了常规性实验教学手段，而且在此基础上引入科研思维训练，使得学生在实验预习、实验操作、数据处理、等方面有了很大的自主性和探索性，不仅提高了学生的实验操作技能，还提高了他们独立思考问题的能力和创新意识。对涉及到的物理化学内容进行了深度挖掘，让学生更好的认识什么是溶胶及溶胶的性质以及纳米材料的特殊性，借助科研实验的优势，培养学生的实践能力和创新能力。在今后的教学工作中，我们还需要不断地探索和思考，将科研平台更加有效地融入大学本科化学实验教学中，为提高学生的实验操作能力和科研思维不懈努力，为培养高水平科研型人才贡献微薄之力。

作者:柳傲雪 李楠 杨治学 单位:昌吉学院化学与化工学院