一個創(chuàng)新性綜合實驗的設(shè)計及教學(xué)實踐

王書玉，汪江節(jié)，蔡　磊，江　源

（1.華東師范大學(xué)第一附屬中學(xué)，上海200086；2.池州學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽池州247000）

一個創(chuàng)新性綜合實驗的設(shè)計及教學(xué)實踐

王書玉1，汪江節(jié)2，蔡磊1，江源1

（1.華東師范大學(xué)第一附屬中學(xué)，上海200086；2.池州學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽池州247000）

“氫氧化鎂/納米銀復(fù)合納米材料的合成、表征及性能研究”這一綜合性創(chuàng)新實驗。集知識性、創(chuàng)新性及趣味性于一體，歷時一個學(xué)期。通過讓學(xué)生獨立完成一個綜合性創(chuàng)新實驗的文獻調(diào)研、實驗操作及論文撰寫等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力和科研潛質(zhì)，激發(fā)同學(xué)們的創(chuàng)新思維。

化學(xué)實驗；創(chuàng)新思維；氫氧化鎂；納米銀

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，讓學(xué)生切身感受科學(xué)研究，同時要兼具知識性、創(chuàng)新性和趣味性，我們共同為學(xué)生設(shè)計了“氫氧化鎂/納米銀復(fù)合納米材料的合成、表征及性能研究”這一綜合性實驗。在實驗內(nèi)容的選取上，本著充分運用所學(xué)化學(xué)知識，訓(xùn)練和強化學(xué)生掌握實驗基本技能，提高分析和解決問題的能力，從而提高創(chuàng)新意識的培養(yǎng)為原則，緊密跟蹤化學(xué)學(xué)科最新發(fā)展前沿，把與實際的工業(yè)或日常生活應(yīng)用聯(lián)系的內(nèi)容作為實驗題材。

氫氧化鎂是一種重要的無機鹽，常用于材料阻燃、酸液處理、重金屬離子污水及有機廢液處理等，在環(huán)境治理領(lǐng)域應(yīng)用不斷擴大［1］；納米銀是一種非常有效的殺菌劑［2］，已經(jīng)作為產(chǎn)品實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。本課題組由高校課題組與中學(xué)教研組聯(lián)合組成，是促進高?？蒲谐晒蚧A(chǔ)教育轉(zhuǎn)化的一個有益實踐。該綜合實驗的內(nèi)容設(shè)計成如下三部分：（1）氫氧化鎂、納米銀及二者形成的氫氧化鎂/納米銀復(fù)合納米材料的制備；（2）納米材料的形貌、結(jié)構(gòu)及其光學(xué)性能的表征；（3）氫氧化鎂/納米銀復(fù)合材料的殺菌性能測試。

1　實驗背景及目的

目前開設(shè)的化學(xué)實驗，都是一些簡單的、訓(xùn)練基本動手能力的實驗，很少有針對提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)而設(shè)立的創(chuàng)新性實驗。如能夠結(jié)合教師的科學(xué)研究實際，設(shè)計綜合性創(chuàng)新實驗，則對學(xué)生培養(yǎng)意義很大。我們設(shè)計的綜合性創(chuàng)新實驗通過文獻調(diào)研、具體實驗操作及論文撰寫三個環(huán)節(jié)來完成。首先是給學(xué)生3個星期的時間查閱文獻，在了解氫氧化鎂和銀納米材料的結(jié)構(gòu)、性能、制備方法及應(yīng)用等相關(guān)的知識基礎(chǔ)上，制定自己的實驗方案。通過實驗設(shè)計，讓學(xué)生對實驗內(nèi)容的認識有了進一步提高，為后續(xù)實驗工作奠定了良好基礎(chǔ)；教師對于學(xué)生提交的實驗方案，考慮其創(chuàng)新性的同時，結(jié)合現(xiàn)有的實驗條件進行調(diào)整，確定最終的實施方案。在具體實驗操作環(huán)節(jié)，除基本實驗操作外，還能夠讓同學(xué)們接觸開展科學(xué)研究所使用的一些大型科研儀器；而論文撰寫環(huán)節(jié)，則是對同學(xué)們總結(jié)實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果能力的全面培養(yǎng)。

從而達到以下目的：（1）理解氫氧化鎂和銀納米以及復(fù)合納米材料的各種制備方法。（2）了解氫氧化鎂/納米銀復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能及其在殺菌上的應(yīng)用。（3）了解并掌握利用生物模板法制備氫氧化鎂納米材料。（4）學(xué)會納米材料的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性能的分析表征手段。

2　實驗原理

該實驗采用的是生物模板法制備氫氧化鎂納米粉體材料。蛋膜來自于我們的生活垃圾，圖1是其掃描電子顯微鏡（SEM）圖。研究結(jié)果表明［3］，生物蛋膜模板在產(chǎn)物形成過程中，其半透性多孔狀結(jié)構(gòu)不僅為氫氧化鎂晶核的形成和生長提供了空間，而且對晶體的生長起到空間限域作用，表面含有的有機基團對微觀形貌起到形貌調(diào)控效果；氫氧跟離子和鎂離子在蛋膜孔道中相遇，發(fā)生反應(yīng)并聚集形成氫氧化鎂晶核。由于蛋膜具有半透性結(jié)構(gòu)，有效減小了反應(yīng)離子的傳輸速率，對氫氧化鎂晶核形成數(shù)量和晶體的生長速度起到了調(diào)控作用［3］。

圖1　蛋膜表面的SEM圖

3　實驗步驟

3.1氫氧化鎂納米材料的制備

取20mL 0.1mol/L硝酸鎂溶液于燒杯中，加入0.01g曲拉通x-100（濃度約為0.5g/L），攪拌均勻；另取40mL0.1mol/L氫氧化鈉于燒杯中，加0.02g曲拉通x-100，攪拌均勻。將上述兩種溶液分置于蛋膜兩側(cè)，反應(yīng)3小時后，將溶液離心分離，用去離子水和無水乙醇各洗滌沉淀2次，干燥，即得到氫氧化鎂納米材料。

3.2納米銀的制備

取20 mL 0.1 mol/L AgNO3溶液中，用氨水調(diào)節(jié)體系的pH為10，向溶液中加入0.01g的十六烷基溴化銨（CTAB，濃度為0.5g/L）作為模板劑和分散劑［4］。磁力攪拌條件下向上述溶液中逐滴滴入0.1 mol/L維生素C溶液（作為還原劑）至不再產(chǎn)生銀沉淀為止。反應(yīng)結(jié)束后，溶液在室溫下靜置5分鐘，離心分離，移去上層清夜，用去離子水和無水乙醇先后各洗滌沉淀2次，干燥后得到納米銀粉體。

3.3氫氧化鎂/納米銀復(fù)合材料的制備

向燒杯中加入10mL無水乙醇和上述實驗步驟制得的0.5克納米氫氧化鎂和0.2克納米銀，超聲振蕩2小時后，使氫氧化鎂充分吸附納米銀顆粒，離心分離，干燥，即得到氫氧化鎂/納米銀復(fù)合材料。

3.4復(fù)合材料的表征和殺菌性能測試

氫氧化鎂、納米銀及氫氧化鎂/納米銀復(fù)合材料的微觀形貌用透射電子顯微鏡（TEM，Hitach-800）進行觀察，產(chǎn)物的晶相結(jié)構(gòu)用X射線粉末衍射儀（XRD，Shimadzu XD-3A）進行分析表征，光學(xué)性質(zhì)通過傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR，Nicolet Nagna-IR 550），紫外-可見光分光光度計（UVVis，Agilent 8453）進行研究，用北京恒久科學(xué)儀器廠的微機差熱天平（HCT-2）研究氫氧化鎂/納米銀復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性（空氣氛，升溫速率為10℃/min）。

氫氧化鎂/納米銀復(fù)合材料的殺菌性能測試實驗按照如下操作進行：在室溫下，用Luria-Bertani（LB）培養(yǎng)液培育DH-5α型細菌，實驗過程中通過不斷震蕩培養(yǎng)液至光度值（O.D.600）在0.3-0.6范圍內(nèi)后，高速離心分離DH-5α型細菌，分離時間是10分鐘。收集物用新制的LB培養(yǎng)液（O. D.600=0.5）再次進行培養(yǎng)。隨之使用移液管移取3 mL菌液加至15 mL試管中，加入不同量的氫氧化鎂/納米銀復(fù)合材料，繼續(xù)培育菌體，操作過程中不斷震蕩。培育不同時間后用分光光度計測量不同時間的O.D.600值，計算氫氧化鎂/納米銀復(fù)合材料對菌種生長繁殖的抑制效果。

4　結(jié)果與討論

由于學(xué)?；A(chǔ)實驗條件和教學(xué)課時數(shù)以及資源利用條件等多方面因素限制，學(xué)生接觸并使用到大型科研儀器的機會較少。在我們的設(shè)計實驗中，適當(dāng)引入了一些大型科研儀器相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，并在具體實施時，不僅讓同學(xué)們實地觀摩，而且實現(xiàn)了一部分儀器讓每位學(xué)生都有機會親自操作。這些大型科研儀器的使用，有效提高了學(xué)生的求知欲望和實驗興趣，有利于學(xué)生更好掌握實驗原理，加深對理論知識的理解。

借助透射電子顯微鏡，同學(xué)們可以觀察到尺寸僅為納米量級的氫氧化鎂、納米銀及氫氧化鎂/銀復(fù)合材料的微觀形貌、大小及分散性等相關(guān)信息，使學(xué)生對自己采用的生物模板法、沉淀法制備出的納米材料有了直觀認識；通過將X射線粉末衍射圖譜與晶體學(xué)標(biāo)準JCPDS卡片對比，并進行指標(biāo)化，可以得到材料的物相組成、結(jié)晶度好壞以及所屬的晶體結(jié)構(gòu)等信息，這有利于同學(xué)們更好地理解本實驗涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式，擴充晶體理論知識；TG主要用于探究氫氧化鎂/納米銀復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，學(xué)生可通過TG數(shù)據(jù)，了解材料在安全使用溫度；本實驗考查了氫氧化鎂/納米銀復(fù)合材料的殺菌效果，讓學(xué)生對材料的殺菌、抑菌效果有了更深入、更直觀的了解。

實驗過程充分調(diào)動同學(xué)們參入實驗的積極性和完成并改進實驗的創(chuàng)造性，讓大家感受到科研并非遙不可及，從而使化學(xué)學(xué)習(xí)由被動接受變?yōu)橹鲃铀伎?，?chuàng)新意識得以培養(yǎng)。在上述三個環(huán)節(jié)實施過程中，可以使同學(xué)們學(xué)習(xí)到文獻調(diào)研、綜合實驗操作技能、數(shù)據(jù)處理與分析等課堂以外的更多知識，了解實驗涉及的生物、醫(yī)藥等其他學(xué)科內(nèi)容，促進所學(xué)化學(xué)知識的融會貫通。為了強化學(xué)生對創(chuàng)新實驗內(nèi)容的理解，我們還設(shè)計了幾道思考題，比如：如何控制氫氧化鎂和銀納米材料尺寸的大小？請簡要敘述TEM，XRD及TG的測試原理？通過這個綜合性創(chuàng)新實驗，對科學(xué)研究有哪些體會和感悟？

通過上述創(chuàng)新性綜合實驗的設(shè)計及教學(xué)實踐，使同學(xué)們真正完成了一次科學(xué)研究模擬訓(xùn)練，不僅鍛煉了創(chuàng)新思維，提高了動手能力，接觸到一些大型科研用測試儀器，而且對科技論文的撰寫也有了一定的了解。

［1］汪江節(jié)，楊小紅，汪瑞俊，等.納米氫氧化鎂的仿生制備及其除污性能的研究［J］.池州學(xué)院學(xué)報，2013，27（6）：59-61.

［2］Liu JK，Yang XH，Tian XG.Preparation of silver/hydroxyapatite nanocomposite spheres［J］.Powder Technology，2008，184（1）：21-24.

［3］Zhang XY，Wang JD，Liu JK，etc.Constructing of silver tungstate multilevelsphere clusters by controlling energy distribution on crystal surface［J］.CrystEngComm，2015，17（11）：1129-1138.

［責(zé)任編輯：錢立武］

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1674-1102（2015）06-0157-02

10.13420/j.cnki.jczu.2016.03.0043

2014-10-26

安徽省教育廳重點教改項目（2013jyxm253）；安徽省無機及分析化學(xué)教學(xué)團隊項目（2014jxld044）。

王書玉（1981-），女，上海人，華東師范大學(xué)第一附屬中學(xué)教師，中教一級，博士研究生，研究方向為基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)及無機功能材料。