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大学化学实验探索

摘要:化学学科中理论与实践结合的最好方式就是实验。通过实验使学生对化学学科产生浓厚的兴趣,对化学现象有更深刻的认识。在实验过程中,可以解决一些书本学习的疑惑,提高学生的动手能力,增强学生的创新能力,对一流学科的建设起到促进作用。本文主要通过对大型实验仪器的日常操作进行大学化学实验的研究与探索,并对如何提高学生对实验仪器的学习效果,进行了探索研究。

关键词:化学;实验;创新

创新是国家兴旺发达的不竭动力和力量源泉,是实现中华民族伟大复兴的重要保证。高等教育是教育的重要组成部分,在培养人的创新能力方面起着关键性的作用[1]。为了加快一流学科的建设,促进交叉学科的快速发展,大学教育除了基本的理论教学之外,更要加强实验及实践环节的建设,培养大学生的动手能力与创新能力。实验教学是一门教授学生技能型的教学,通过现场实验演示,使学生自己动手,体会化学的奥妙,掌握实验原理,以及所使用仪器的基本原理,并对仪器的构造有一定的了解,从而能激发学生对实验的热爱,激发学生的创新潜力。大型精密仪器由于价格昂贵和高校自身条件的限制,导致大型精密仪器的数量很少,学生实际操作的机会不多,导致理论与实践的脱轨,使学生的实验技能得不到有效的提升,从而使学生学习探索的积极性受挫,达不到教学的实际效果,使学生的创新能力得不到提升。为了提高大型仪器的实际教学效果以及目前实验教学过程中存在的问题,本文主要以大型仪器实验教学为例,对大学化学实验进行研究与探讨,在实验教学中由浅入深,提高教学的生动性、活泼型,由被动接受知识,转变成主动学和我要学的学习模式,增强学生对实验的热爱程度,提升学生的创新能力。

1实验教学改革的探索

核磁共振波谱(nuclearmagneticresonancespectroscopy)NMR是当代化学中一种重要的谱学研究手段,其广泛的应用范围是磁共振波谱学活跃领域的一个重要特征[2]。在液相状态下研究生物大分子空间构象的时候,通过利用高分辨核磁共振技术可以更加直观形象地进行表述;在研究材料方面利用固体NMR研究方法,可以更加快捷的进行表征,缩短研究时间,提高研究的效率,核磁共振仪器已成为国家高尖端研究方面不可缺少的重要工具。通常,我们在进行核磁共振仪教学的过程中,一般从核磁共振仪仪器原理介绍、实验条件的选择以及实验数据的处理等方面进行教学。在我们传统的教学过程中一般采取的是理论加示范,缺乏实际操作方面的教学,这种教学方式的弊端是学生不能有效地接触仪器,不了解核磁共振仪具体的部件,不能实际进行操作,不能深刻地掌握实验的原理,对实验课程的内容不能很好的掌握,学生对实验学习的主动性降低,不能充分发挥核磁共振实验仪器的应有效果。如何提高学生对实验仪器的学习效果,主要从以下几个方面进行探索研究:1.1增加实际操作的学习课时。首先,给学生提供足够的实验仪的操作时间。学习时间是学习效果的最好保证,学习时间得不到保证,实际效果就会大打折扣。由于大型实验仪器在高校中的数量较少,限制了学生实际接触仪器机会,学生可以进行分组分时段进行实际操作学习,对于核磁共振仪仪器的原理介绍,数据处理,实验条件的选择等方面集中在理论课上进行学习,在仪器操作时只需对理论进行简单的回顾,重点将时间留给学生实际操作。在学生操作的过程中,教师对核磁共振仪器操作的关键环节进行指导。在实验的过程中,教师可以进行随机提问,以便于学生更好地掌握该仪器的操作方法。1.2及时增加教学内容。当前,科技的发展日新月异,实验仪器的更新换代也非常迅速,实验室的一些仪器可能跟不上时代的发展,这就要求在实验教学过程中适当增加一些新的仪器介绍,使学生了解最新的实验方法,提升学生知识的广度与厚度。1.3改革教学模式。通过由浅入深,循循渐进的教学模式,在教学上将基础型实验、提高型实验、科研型实验进行分类进行。(1)基础型实验。学生实验的入门阶段即为基础型实验,该阶段主要安排学生学习一些基础实验技能,一些仪器的简单操作,实验结果初步分析等是该阶段主要的学习内容。例如:在电子扫描电镜(SEM)样品的制备过程中,样品需要稳定可重复并不能受到污染,这样做出的表征才能更能表征出制得样品的特性,对后续做出的样品可以进行比较。用SEM进行表征时,需要注意样品无毒及不具有放射性,并且待表征的样品必须具有导电性,如果需要待表征的样品导电性能较差或不具备导电性,必须进行导电处理,这样才能确保表征样品的实效性[3]。(2)提高型实验。提高型实验是在学生掌握基本理论和基本仪器操作的基础上,根据学生对所学实验知识的掌握程度,学习进度以及专业方向等客观因素,对学生给予分配不同的实验任务,让学生根据实验要求自己设计实验,从而提高实验技能以及学生的创新能力[4]。例如,学生在进行光催化剂样品制备的过程中,通过不同的实验条件制备出的样品所用SEM表征的结果是否一致。pH的变化,反应温度的变化等反应条件的变化对制备样品的影响。通过提高型实验教学,引导学生自行设计实验,熟练实验仪器的操作,提高学生独立解决实验问题的能力。(3)科研型实验。在基础性实验和提高型实验积累到一定程度后,教师可以引导学生做一些科研型实验,学生根据自身兴趣,自己申请实验课题,设计实验。例如:学生自己根据查阅的文献,对钨酸铋材料进行荧光光谱(PL)分析,以研究钨酸铋材料的电子-空穴重组速率与其材料性能的关系。图1所示的样品制备条件为:pH为5,水热温度为160℃,水热时间为24h下制得的样品,将制得的样品干燥后放入马弗炉中在400℃下煅烧3h,将最终制得的钨酸铋光催化剂样品在激发波长为300nm的激发状态下产生的光致发光图谱。从图1中可知在439nm处为钨酸铋光催化剂的本征发射且发射峰较强,其原因是Bi6s和O2p杂化轨道中(VB)的空穴和WO2-6络合物的W5d轨道(CB)中的电子发生电荷转移引起的[5-6]。在波长为532nm附近出现的发射峰,其原因归因于钨酸铋晶核长大的过程中所形成的金属缺陷和氧空位而引起的[6-7]。由于光致发光的荧光强度越高,样品光生电子和空穴的复合几率就越大。图1Bi2WO6样品的荧光图谱(λEX=300nm)Fig.1Theroomtemperaturephotoluminescence(PL)spectrumofBi2WO6samples(λEX=300nm)学生在科研型实验中,锻炼了自己在课题选择、实验设计、样品表征以及数据处理等方面的能力,形象直观地感受到科研探索的过程以及化学实验的奥妙,加深了学生对仪器的理解程度,锻炼了学生的创新能力,增加了学生对本专业的热爱程度,为学生以后的更深层次的科研项目研究打下基础。1.4网上预约实验制度。为了更有效地推进基础型实验、提高型实验以及科研型实验的建设,将实验室平台对学生进行开放,建立学生网上预约制度,结合教师进行自主实验。网上预约实验制度的实施,使实验仪器得到了充分的利用,使学生能够充分调整自身的实验进度,同时节约了大量的时间,让学生充分感受到实验的乐趣,增强实验技能,通过实验提高自身的独立思考能力,创新能力。

2结语

大学化学实验的研究与探索是一个系统的工程,需要学校各种资源的支持,只有不断地为学生提供愉快,创新性的学习氛围,让学生在实验中能够得到快乐,得到进步,锻炼能力,才能更好地达到我们预期教学目标,才能培养出创新型、复合型的实用型人才,才能更好地推进一流学科的建设。

参考文献

[1]罗志荣.在有机实验中利用有机合成培养学生的创新精神[J].广州化工,2012,40(9):248-250.

[2]张丽君.核磁共振技术的进展[J].河北师范大学学报,2000(2):224-227.

[3]王醒东,林中山,张立永,等.扫描电子显微镜的结构及对样品的制备[J].广州化工,2012,40(19):28-30.

[4]张震雷,王广华.热分析仪器实验教学探索[J].实验室研究与探索,2017,36(8):226-229.

[5]XiaoQi,ZhangJiang,XiaoChong,etal.PhotocatalyticdegradationofmethyleneblueoverCo3O4/Bi2WO6compositeundervisiblelightirradiation[J].CatalysisCommunications,2008,9(6):1247-1253.

[6]丁志伟.形貌可控钨酸铋材料的制备及其性能研究[D].新乡:河南师范大学,2015.

[7]JiaRun-Ping,ZhangGuo-Xin,WuQing-Sheng,etal.ZnWO4-TiO2compositenanofilms:Preparation,morphology,structureandphotoluminescentenhancement[J].MaterialsLetters,2007,61(8):1793-1797.

作者:晁 迪 田 庆 单位:河南师范大学化学国家级实验教学示范中心

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