科研与化学选修课实验教学结合的探索

梁 华, 戴 可, 柯改利, 李 娴

(西南科技大学 材料科学与工程学院 环境友好能源材料国家重点实验室, 四川 绵阳 621010)

人类从事科学研究,是为实现产业化,最终造福人类。大学是教师从事科学研究的重要阵地。但是,在一所综合性大学中,教师从事科学研究的同时,还应担负本科生教育的基本责任[1-2]。遗憾的是,由于高校对教师考核机制的导向,使得不少高校存在重科研、轻教学的现象。在繁重的科研压力下,教师对教学的关注和投入少,导致科研和教学的脱节[3-5]。要解决教和学的矛盾,采取科研和教学相结合的方式是一条有效途径,已有不少同仁意识到教研结合是当代教育改革的必要措施,也是提高教学质量的利器[6-8],不过目前这个利器在化学专业中的重视和应用却还远远不足,这也从侧面说明化学专业的科研和教学严重失衡[9-11]。从具有直接应用前景的科学研究内容入手,能激发学生兴趣并使其理解和体会实验目的及内容[12]。以化学选修课“食品分析”为改革对象,以理论课程内容为依据,对实验内容进行了全新的设计。本文尝试将科研内容待探索的部分引入其中,对实验进行实用化设计,希望从教学结果进行总结和思考,反思对科研的作用,最终实现科研和教学的相互促进。

1 实验主题的设定

“食品分析”是我校材料科学与工程学院针对应用化学专业学生开设的选修课,其中理论课24学时,实验课8学时。“食品分析”是随着食品安全问题的出现产生的化学分支学科,食品中有毒有害物质的分析是其中的重要内容,但由于这部分主要是讲授食品的前期处理及仪器对有害物质的测定方法,对于无实验感性认识的学生来说,显得比较枯燥,因此从理论课的教学效果看,学生对这部分内容的接受并不理想。若将这部分内容纳入实验教学,使实验与理论结合,学生将更容易理解这部分教学内容。通过课时有限的实验教学使学生了解食品安全的检测方法,并与科研相结合,是本次实验设计要考虑的首要问题。由于这部分检测常涉及昂贵仪器的使用,而实验条件有限,以往的实验教学侧重食品常规成分的分析,将科研与这门课程实验结合的尝试更是鲜有报道[13-14]。

在前期科研子课题中设计的荧光探针能够与特定的离子、分子等物质发生特异性作用,并通过荧光信号表达出来。作为一种高效灵敏的化学分析与检测方法,因其成本低、操作简便,正适合在本科实验教学中尝试和推广。在地壳储藏的所有元素中,铝元素是含量最多的金属元素。随着社会的发展与进步,铝元素的使用越来越普及,大到国防军工、航天领域,小到食品加工、厨房用具,以及医疗、制药领域,都有铝元素的身影。由于环境污染导致的酸雨进一步增加了铝离子在土壤和水中的浓度，使铝通过食物、饮水等途径进入人体。铝并不是人体的必需元素,铝离子过量会损害人的免疫系统和神经系统,导致贫血、衰老、帕金森症、阿兹海默症等[15]。为保护环境和人类健康,对环境和食品中的铝离子进行高效、快速的检测是目前研究热点之一。

设计了一种探针化合物,在前期研究中发现其对铝离子在乙醇中的专一识别能力可达纳摩尔量级，但是目前还未进行水体中的识别能力的研究。尝试设计将此部分科研内容在实验教学环节中进行,并设法让学生接触科研仪器,在研究型实验中进一步培养学生的综合实验素质,让学生体会科研结果如何与实际应用联系,培养其科研兴趣,并且教师能从学生的实验中反思科研的价值,实现科研和教学的良性结合。因此,结合科研和实验教学内容,设计了“荧光分光光度法测定饮用水中的铝离子”作为实验主题。

2 荧光分光光度法测定饮用水中的铝离子

(1) 实验目的:学习荧光分光光度计的使用,了解饮用水中铝离子识别的方法。

(2) 识别原理:在前期科研中已证明,化合物和铝离子本身均不发荧光,两者接触发生特异性配位后形成螯合物结构,这种刚性共轭结构产生强烈荧光,称为螯合荧光增强机理(chelation enhanced fluorescence, CHEF)[16]。

(3) 实验内容设计思路:以饮用水为检测对象、蒸馏水和自来水为对比,拟定由学生在不同的水体中配制一系列不同浓度的铝离子溶液,往其中加入探针化合物后,测定不同时间和体系条件下溶液的荧光光谱的差异。

3 科研与教学结合尝试的收获

3.1 有助于提高学生综合实验素质

(1) 开阔学生眼界,激发科研热情。学生不仅学习了荧光分光光度计(日立FL-4500)的使用原理和方法,并首次用手操作；了解了对于变化前后均是无色的溶液进行有效检测的手段,体会到科学的神奇，并使学生会用理论知识来解释实验现象,体会到理论与实践的结合。

(2) 进一步培养了对“量”的科学感觉。学生在实验中首次接触到移液枪。学生在本科阶段常用到滴定的方法,但如此多重复的滴定实验并未能让学生体会量的细微变化对实验的影响。此次实验滴定的铝离子溶液体积都在微升量级(ml),如学生未能正确使用移液枪或者未注意实验细节,均会导致实验结果由量变到质变,得出错误的结论。此次实验震撼了学生。

(3) 注意了细节对实验结果的很大影响。本科生实验绝大部分的介质都是水,这次实验的介质仍然是水,但来源不同,一种是纯净水(为本校水厂自制),一种为蒸馏水(化学实验室自制),一种为水管里的自来水。但由于水体中金属离子的种类和含量不同,导致探针在识别铝离子时受到不同的影响。排除错误数据后,从学生的统计实验结果看,在未加铝离子时,3种水体均无荧光,而在加入相同浓度的铝离子后,铝离子在纯净水、蒸馏水和自来水中的回收率分别为98%、71%和40%。这个趋势与教师实验结果一致,但是教师在蒸馏水实验中的回收率统计能达到80%以上,说明学生在实验时存在交叉污染的情况。“细节决定成败”。通过这些实验细节的经历,使学生理论联系实际,从而真正有助于学生综合实验素质的提升。

3.2 有助于教师的自身发展

(1) 教师从事科学研究,在教学中会自觉分享自己的心得体会,才能使讲解更具感染力；高校教师首要的责任是教学,将科学研究融于教学当中,有助于实现科研成果向教学的转化,这对于提高实验教学质量大有裨益。

(2) 在实验教学中开展科学问题的研究,有助于发现新的科学思路,建立新的科学方法,从而促进科学研究。在前期科研中发现,探针A完全不溶于水,导致其实用性大大降低。但通过本次实验教学发现,将A的低浓度乙醇溶液滴入一定铝离子浓度的水体溶液中,却能很好地溶解,可以实现其检测功能。回收实验在纯净水中的效果最好,说明其他杂质的影响最小；在自来水中的检测能力最差,这也与绵阳水质较硬,钙镁离子偏高、测试干扰大的预测一致。这有利于进一步开展探针A对水体中铝离子的检测研究。

(3) 有助于教师发现学生在实验中的问题,反思实验教学,为进一步提高教学质量提供经验。此次教学发现学生的一些陋习,例如由于样品种类、浓度各异,导致部分学生标签张冠李戴、实验试剂混用,使实验数据无效；而滴定时基本的实验操作技术不过关,导致部分学生的实验结果出现异常。经过批阅和筛选,结合教师实验验证,有30%左右的学生的统计数据是可靠的。通过实验评讲和总结,学生体会到实验基本技能和数据记录过关是保证实验数据可靠的前提,在一定程度上引起了学生的重视。同时,教师在反思中体会到,实验设计从学生身边的科学问题入手,才能引起学生的兴趣和关注,从而逐步改善和提高学生的实验素质。

4 结语

教学和科研是高校教师自身发展的“左膀右臂”,任何厚此薄彼的认识都会导致两者失衡。通过适当设计,科学研究与实验教学的结合尝试表明,这种结合方式不仅能提高教师教学质量、改善“教与学”的矛盾,还有助于为教师提供新的科研方法和思路。科研成果不仅要向产业转化,还应向教学转化,学生综合素质的提高也为今后更多优秀的科研工作者出现储备了力量。并且,有了教师自身的平衡发展,才会进一步促进学校综合水平的提高。