基于学科交叉的综合化学实验的教学设计

单树楠， 李 娴， 张 雷， 张 昉

（1.上海师范大学化学与材料科学学院化学实验教学示范中心，上海200234；2.东华大学纺织学院实验中心，上海201618）

0 引 言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》提出：要优化学科专业、类型、层次结构，促进多学科交叉和融合［1-2］，当下国家正在进行“双一流”建设，其中一流学科建设是基础和核心，而学科交叉是非常重要的途径，为了更好地推动世界一流学科的建设，2020年8月，全国研究生教育会议决定新增“交叉学科”作为新的学科门类，2020年10月，国家自然科学基金委新成立交叉科学部，为学科交叉创设良好的环境，鼓励和推动交叉学科研究的开展，建设多元的学科文化，培育多学科复合背景的人才。学科交叉不仅能锻炼学生的科学素养和创新能力，而且能激发和培养学生的创新思维和跨学科综合思维能力，更有助于促进多学科的协同发展，完善具有跨学科视野和协同创新意识的复合型人才培养机制［3-5］。

综合化学实验是我校化学实验教学示范中心在基础化学实验课程之后为化学类高年级学生开设的一门专业实验课程。该课程以培养学生综合运用所学知识和技能为目的，培养学生综合分析和解决问题的能力。以往开设的实验教学内容多来源于中心教师多年的教学和科研成果，涵盖了多个化学相关的二级学科的基础理论与实验技术，已具有成熟的知识体系。近年来，在国家重大战略需求的驱动下，多学科交叉汇聚与多技术跨界融合成为常态，中心也逐渐探索以学科交叉为特色的实验教学体系的研究，对基于学科交叉的综合化学实验的教学内容进行改革，鼓励教师把正在开展的学科交叉的科研课题，转化为研究型的综合化学实验植入教学活动，旨在培养具有多学科背景的应用型、复合型和技能型人才［6］。本文介绍了一个综合化学实验的教学设计——吸附光催化耦合生物法降解苯并三唑废水，该实验内容较好地体现了多学科的交叉和融合，并在实施过程中取得了良好的教学效果。

1 实验设计的理论依据

党的十八大以来，习近平总书记就生态文明建设中的系统治水做出一系列重要论述和重大部署，特别指出要保障水安全，统筹做好水环境治理。基于此背景，实验的设计提出了如下理论依据。

苯并三唑是一种含氮杂环化合物，作为一种新兴污染物，广泛应用于冷却液、防冻液和家用洗涤剂中，因其结构上的双环闭合共轭结构，具有难降解性，污水处理厂传统的生物技术难以将其完全去除，故苯并三唑通过生活污水和工业废水的间接排放自然水体中，因其具有毒性、致癌和致畸作用，会对人类健康和和生态环境带来威胁。

半导体多相光催化法能有效地降解水中有机污染物，其中二氧化钛（TiO2）因具有较高的光催化活性、抗光腐蚀，且便宜易得，已成为一种重要的、有应用前景的污水处理光催化剂。而在传统的吸附法中，硅胶以其稳定性和孔径可调性，是一种常用的多孔吸附材料。近年来开发的一种吸附与光催化技术净化技术，其兼具了吸附和光催化法的优势，这类技术将TiO2等光催化剂负载到硅胶上，制成复合光催化材料用于降解污染物。

虽然吸附与光催化联用技术对苯并三唑具有良好的处理效果，但存在耗能大、处理成本高和反应时间长等缺点，且在处理过程中苯并三唑难以被完全矿化，有的副产物甚至比苯并三唑更有危害。而污水处理厂在利用生物法处理时，虽然具有处理量大和成本低的优点，但苯并三唑对生物降解菌有很强的抑制性或毒性，可生化性不强，使生物降解菌死亡。于是科研工作者采用将吸附与光催化联用技术和生物法耦合，利用它们各自的优点来促进苯并三唑的完全降解［7-9］。对于本实验而言，即先利用吸附光催化复合材料预处理提高苯并三唑的可生化性，再结合生物处理工艺来降解苯并三唑，从而达到苯并三唑的完全去除。

该实验内容能较好地体现化学、材料、微生物、环境和工程等学科的交叉与融合，锻炼学生的文献查阅以及动手操作能力，培养学生发现、分析、解决和总结问题的综合能力，提高学生的综合素质，符合培养多学科背景的创新型人才的要求。

2 实验设计

2.1 实验目的

（1）学习溶胶凝胶法制备纳米TiO2；

（2）学习负载型纳米TiO2-SiO2光催化剂的表征技术，了解扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线粉末衍射仪（XRD）等大型仪器的数据表征及分析方法，掌握高效液相色谱仪、离子色谱仪、红外光谱仪、比表面积孔径孔容分析仪和总有机碳/总氮分析仪的工作原理及操作分析方法；

（3）掌握光催化剂的光催化活性评价方法、微生物降解菌的驯化及反应器挂膜方法、生物膜反应器的设计和构建；

（4）了解该实验涉及多学科相互渗透和交叉，可培养具有跨学科视野和协同创新意识的复合型人才。

2.2 实验试剂与仪器

实验试剂：硅胶、钛酸四丁酯、无水乙醇、浓硝酸、葡萄糖、苯并三唑、氯化铵、十二水合磷酸氢二钠、活性污泥。

实验仪器：毛玻璃、磁力搅拌器、烘箱、马弗炉、254 nm紫外灯、pH计、COD消解仪、SEM、TEM、XRD、高效液相色谱仪、离子色谱仪、红外光谱仪、紫外分光光度计、比表面积孔径孔容分析仪、总有机碳/总氮分析仪。

2.3 实验内容

（1）负载型纳米TiO2-SiO2光催化剂薄膜的制备。采用溶胶凝胶法制备纳米TiO2。先在烧杯中倒入适量无水乙醇和浓硝酸，在恒温下磁力搅拌；接着逐滴加入钛酸四丁酯，得到TiO2溶胶，控制体系pH值为酸性。再把一定量硅胶加入其中，继续搅拌1 h，即可得到硅胶负载型TiO2-SiO2悬浊液，悬浮液采用离心加水洗法直至上层清液接近中性，置于暗处保存。

然后进行光催化剂薄膜的制备。把毛玻璃洗净，烘干，通过浸渍提拉法把毛玻璃置于上述悬浊液中进行超声涂膜、提拉，先于70℃烘箱内烘干得到干凝胶，再放置于马弗炉中煅烧，升温至指定温度并保温1 h，冷却后，即制得光催化膜。如此反复提拉镀膜数次，即得到不同层数的光催化膜。

（2）光催化剂薄膜性能的表征。利用SEM和TEM对光催化剂纳米颗粒的形貌、大小和均一性进行表征，并对表面元素进行定性和半定量的分析；利用XRD来解析TiO2的晶体结构；利用红外光谱仪分析Ti-O键的官能团形成和变化；利用比表面积孔径孔容分析仪分析该材料的比表面积、孔容和孔径特征。

（3）光催化剂薄膜光催化活性的评价。采用光催化降解一种常见的染料亚甲基蓝溶液来考察所得光催化剂薄膜的光催化活性。将一定量浓度为20 mg/L的亚甲基蓝水溶液注入套层反应器中，放入光催化剂薄膜，夹层通循环水，在反应器底部放入小磁子用于磁力搅拌，使染料溶液浓度分布均匀，待薄膜暗吸附20 min后将其均置于的高压汞灯下光照反应，每隔一定的时间间隔取样，经离心分离后取上层清液用紫外可见分光光度计测定亚甲基蓝溶液的吸光度变化，以此来计算该催化剂薄膜的光催化活性。

（4）苯并三唑生物降解菌的驯化。取水质净化厂的原始活性污泥倒入烧杯中，经多次静置分层清洗后，开始进行驯化。第1阶段为7天，取约300 mL洗好的活性污泥放入容积为1 L的量筒中，加入适量氮磷、微量元素和葡萄糖营养液，用自来水将污泥混合液定容至1 L，并充分曝气，控制量筒内的水温为30℃，每天进行污泥的静置分离和加入新营养液的重复步骤。在第2阶段，把加入的葡萄糖的浓度由300 mg/L逐渐降到200 mg/L，同时加入碳源替代物苯并三唑，其浓度由0逐渐提升至60 mg/L，使体系内总COD浓度保持为300 mg/L，其余步骤和第一阶段相同。经过一段时间，苯并三唑在24 h内的去除率达到95%以上，则说明苯并三唑生物降解菌已基本驯化完毕。

（5）生物膜反应器的构建及生物降解菌挂膜。本实验采用的是内循环折流式生物膜反应器［8］，如图1所示，该反应器的主体材质为有机玻璃，其被一个挡板（segregated board）分为上下两个部分，光催化剂薄膜置于挡板上方，光催化反应在挡板上部区域进行，微生物降解发生在下部区域，13块多孔陶瓷板（baffled plate）交错安装在反应器底部，可以使溶液进行折流式流动，反应器底部一侧的泵可使溶液在上部光催化区和下部生物降解区连续地循环起来，从而完成耦合作用对污染物进行降解。

图1 光催化耦合生物膜反应器的结构示意图

把已驯化的含苯并三唑生物降解菌的活性污泥倒入该反应器中，浸没陶瓷板，使液面高度不超过挡板，在泵的作用下运行反应器一段时间，通过吸附作用在陶瓷板上形成生物膜，即完成生物膜挂膜。通过每天加入适量的苯并三唑、葡萄糖和营养液，经过一周时间的进一步驯化，得到稳定且均匀的生物膜，此生物膜在8 h内可以将20 mg/L的苯并三唑完全去除。挂膜后实际效果图如图2所示。

（6）苯并三唑废水的降解处理。分别采取吸附法、光催化法、生物法，以及不同方法之间的耦合作用，对20 mg/L的苯并三唑溶液进行处理。利用高效液相色谱仪测定苯并三唑降解过程中苯并三唑和其中间产物的浓度变化；利用总有机碳/总氮分析仪测定苯并三唑降解过程中总有机碳和总氮的浓度变化；利用离子色谱仪测定苯并三唑降解过程中氨态氮和硝态氮的离子浓度变化，从而判断其苯并三唑的降解情况和其矿化程度。

2.4 数据处理和思考讨论

实验完成后，要求学生对所得数据进行处理，并进行相关问题的思考讨论：

（1）学会常用科研软件的使用和数据的处理。用Origin或Excel软件对所制备TiO2的XRD数据进行处理，要求学生了解不同煅烧温度下TiO2晶体结构的改变，以及其对应的光催化性能的变化；用Gatan Digital Micrograph软件对所得TEM图像中的纳米颗粒大小进行统计，画出粒径分布图；用Novawin孔分析软件对光催化剂的比表面积、孔容和孔径分布图进行数据处理，并掌握其中的计算方法和含义。

（2）在光催化活性评价和苯并三唑的耦合降解过程中，根据所得测试数据，针对目标物和中间产物，如何进行定性和定量分析，如何描述其浓度变化情况及计算各自的反应动力学。

（3）溶胶凝胶法制备纳米TiO2的注意事项有哪些？还有哪些常用方法可以制备纳米TiO2？

（4）反应器中光催化区和生物膜区两部分为什么设计时要用挡板分开？

（5）通过文献查阅，确定光催化和生物法分别降解苯并三唑的降解路径，并解释为何经光催化预处理可提高苯并三唑的可生化性，即光催化耦合生物技术降解苯并三唑的机理是什么？

（6）用活性污泥进行苯并三唑微生物菌的驯化和反应器挂膜时，如何判断活性污泥的状态、挂膜效果以及维持反应器的正常运行，若出现问题采取何种方法去补救或调整；让学生查文献了解后续工作如何利用分子生物学技术，比如通过生物膜的高通量基因测序，来确定微生物降解菌的种类，进而培养相关菌种对苯并三唑进行精准处理，以提高降解效率。

3 实验教学设计与实施方案

传统的实验教学内容和过程简单直接，实验结果可按既定方案达到预期效果，学生只需照本宣科地进行机械性重复即可，缺少独立思考和探索；实验内容的建设主要以化学类实验课程为主，较少涉及学科交叉类的知识，实验报告中呈现的数据结果欠缺深入分析，对学生透过现象看本质能力的训练较少；在实验教学方法中，大型分析仪器的充分利用度不够，缺少学生对科学问题探究意识的培养。所以，为了克服前述问题，在本实验的教学设计中，把培养具有创新意识、能力和思维的创新型人才放在首位［10-11］，结合学科交叉融合的理念开展教学设计，多维度地训练学生的综合素质与能力。

3.1 溶胶凝胶法的条件摸索——根据研究目的掌握材料的制备方法

本实验第一个研究目的是学习溶胶凝胶法制备TiO2。溶胶凝胶法其主要原理是利用含高化学活性组分的化合物作前驱体，经过水解、缩合化学反应，先得到溶胶体系，再经过干燥变成凝胶，最后经高温处理，即得到所需纳米材料。

钛酸四丁酯和无水乙醇、浓硝酸的比例，钛酸四丁酯的滴加速度，反应体系的温度和pH值的控制，煅烧温度、时间和升温速率等因素［12］，都会影响凝胶或晶粒的粒径和比表面积，进而会对产物的光催化性能产生影响，在这个部分，要求学生通过文献查阅，结合产物的表征结果对这些制备条件因素进行调节，摸索出制备溶胶凝胶法纳米TiO2的最佳条件。在实际溶胶凝胶法实验的开展过程中，学生会经历多次失败，要鼓励学生大胆试错，积累经验，在失败的过程中寻找适合的解决方案，进而培养学生的探究与创新精神，在课堂中真正发挥学生的主体作用。

3.2 降解方案的对比选择——掌握不同降解方案的优缺点以确定适宜路线

本实验的最终目标是建立不同方案对苯并三唑废水进行降解。这部分的教学设计可分为3个阶段。①让学生学习3种不同类型的单一处理方案，包括物理吸附法、化学光催化法和生物法，通过直观地了解降解效果，掌握各自的工作原理和优缺点。②把不同单一处理方案进行组合，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，通过这些组合尝试，让学生学习利用不同方案间的协同作用，可以加快目标物的降解。③针对光催化和生物法的耦合作用进行重点展开，分别进行先光催化后生物处理分步耦合法，光催化和生物技术同步耦合法这两种策略，特别是在分步耦合法中，通过控制光催化时间来尝试分步耦合带来的不同降解效果，进一步从侧面体现出同步耦合法的优越性。

3.3 大型分析仪器的综合使用——培养学生对科学问题的探究能力

传统的涉及大型分析仪器的实验教学过程中，由于仪器数量的限制，通常只用来做演示实验，很难保证每个学生能独立操作。即便学生可上机操作，也仅是按部就班地进行仪器使用和简单的结果验证，缺少对包括样品预处理、测试方法建立和数据分析在内的整个测试过程技巧的培养［13-14］。在本实验中，我们强调对大型分析仪器的综合使用，利用仪器开展创新性和设计性的工作，培养学生对实验中所遇到科学问题的探究意识。

本实验中所用的大型分析仪器包括两个部分，第1部分主要涉及材料的结构表征，第2部分用于降解过程中目标物、中间产物及最终产物的分析。这里要求学生掌握每一个大型分析仪器表征样品的目的，以及它们体现出材料哪些方面的性质，比如SEM、TEM、

XRD、红外光谱仪、比表面积孔径孔容分析等；能阐明材料的微观结构对其宏观性能的影响，基于表征得到的微观结构推测材料的功能性，使学生真正理解“结构决定性质，性质反映结构”的关系［15］，如比表面积测试中，由于多孔SiO2的存在，样品呈现出大比表面积，可以吸附更多的目标物质，但由于TiO2的引入，比表面积值会下降，这是因为SiO2的部分孔道会被TiO堵塞。在第2部分，通过对高效液相色谱仪、离子色谱仪和总有机碳/总氮分析仪等仪器的使用，要求学生熟练掌握每台仪器的工作原理、样品预处理方法、操作方法及分析方法的建立，科学准确地分析出苯并三唑废水降解过程中的各种成分的变化情况。

4 实验的教学组织安排

在整个实验教学的过程中，考虑到大型仪器的数量和使用时间的限制，为了能够更好地达到教学设计的目的，使学生在单位时间内真正学到更多的知识，对实验时间和相关操作步骤进行了优化，整个实验采用“分组分阶段”完成，具体的实验进度及安排参见表1。

表1 课程进度及安排表

本实验内容涉及面广，考虑到常规课堂的实验学时有限，为了使学生更好地从感性认识角度了解实验原理和过程，本课程制作了微视频可供学生预习和学习。同时采取了PBL［16］和翻转课堂式教学模式，教师只需对关键知识点进行针对性讲解，这样可发挥学生的主观能动性，提高了学生的参与度和自主学习能力，对整个实验的进展可更好地进行把控。

另外，考虑本实验面对的是化学类的学生，在实际实验内容和时间安排上，侧重点更偏向于化学及材料类知识，而涉及到其他学科的相关内容会做相应的简化调整。

实验结束后，要求学生整理所得实验数据并分析，归纳总结实验结果，最后按照科研论文的格式进行撰写研究型实验报告，让学生了解并掌握科研论文的框架结构——摘要、前言、实验部分、结果与讨论和结论，锻炼学生科研论文的写作能力。

5 结 语

本实验是一个典型的学科交叉型的研究型综合化学实验，实验内容涵盖了化学、材料、微生物、环境和工程等多门学科，涉及多种大型分析仪器的操作和使用，充分体现出多学科的相互交叉与融合。在整个实验教学过程中，学生的宽基础和综合科学思维能力得到了锻炼，符合新时代背景下培养多学科交叉的创新型人才的教学理念。实验内容可进一步补充和拓展，作为大学生的创新实验项目或毕业论文课题继续完善。作为试点，本实验安排在综合化学实验课程最后一次课进行，目前已有化学师范和应用化学专业各两届学生完成了本实验，实验内容获得了学生的欢迎和认同，教学效果反馈良好。此外，学科交叉式的综合化学实验教学模式仍处于探索阶段，需要各学科教师之间进一步地沟通和合作，完善培养方案，从而促进学生的全面发展。