“溶膠制備及性質(zhì)研究”精品實驗建設(shè)與探索

范海明， 耿 杰， 孫銘勤， 王增寶， 康萬利

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

創(chuàng)新是一個國家和民族發(fā)展的動力和源泉，高等院校在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面起著重要的作用?，F(xiàn)代社會對人才的需求，并非局限在對理論知識的掌握，而是更加注重人才的創(chuàng)新實踐能力[1-3]。實驗教學(xué)在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力方面有著特殊的優(yōu)勢，但是目前大多數(shù)實驗教學(xué)內(nèi)容陳舊，重理論，偏驗證，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過改革實驗教學(xué)，建設(shè)精品實驗項目，增設(shè)創(chuàng)新研究性實驗,激發(fā)學(xué)生對未知內(nèi)容探索的興趣，掌握基本的研究方法，這是提升大學(xué)生創(chuàng)新研究能力的重要途徑[4-8]。創(chuàng)新研究性實驗教學(xué)，需要提供給大學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新能力的條件?！叭苣z制備及性質(zhì)研究”實驗教學(xué)內(nèi)容涉及油田化學(xué)、油層物理和應(yīng)用物理化學(xué)等多門課程的相關(guān)知識，并與油田污水處理以及采出液破乳等實際問題緊密相連，在現(xiàn)有實驗基礎(chǔ)上引入Zeta電位儀，增設(shè)創(chuàng)新研究性和拓展性實驗內(nèi)容，改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式和考核模式，將探索性和創(chuàng)新性的理念貫穿于整個實驗，對培養(yǎng)學(xué)生動手能力與創(chuàng)新研究能力都起到積極的促進作用，為學(xué)生今后從事石油工程以及化學(xué)工程專業(yè)相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。

1 創(chuàng)新研究性精品實驗內(nèi)容建設(shè)

1.1 增設(shè)研究性實驗內(nèi)容

精品實驗項目建設(shè)的關(guān)鍵在于對實驗內(nèi)容的設(shè)置和改進，以達到在對知識傳承更新與擴充的同時培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新研究能力的目的。這其中最為核心的是對實驗內(nèi)容的設(shè)計[9]?！叭苣z制備及性質(zhì)研究”實驗原有的主要內(nèi)容是制備AgI溶膠，通過電泳實驗觀察溶膠界面移動情況，計算溶膠的Zeta電位。實驗內(nèi)容相對固定，缺乏創(chuàng)新性，因而增設(shè)研究性實驗內(nèi)容，學(xué)生自己設(shè)計實驗方案，經(jīng)與教師討論和審核后開始實驗。

(1) 增設(shè)無機電解質(zhì)、有機聚電解質(zhì)、帶相反電荷的溶膠等對所制備的溶膠穩(wěn)定性的影響實驗。這是由于溶膠體系的Zeta電位影響溶膠穩(wěn)定性，Zeta電位越大，粒子之間靜電斥力越強，體系越穩(wěn)定。加入無機電解質(zhì)會降低溶膠體系的Zeta電位，減弱粒子之間靜電斥力，進而削弱膠體的穩(wěn)定性，引起溶膠的聚沉。相比于無機電解質(zhì)，有機聚電解質(zhì)的高分子鏈段還可以通過橋聯(lián)作用結(jié)合幾個膠體粒子，帶著多個膠體粒子同時運動，這會增強有機聚電解質(zhì)的絮凝作用和聚沉效果。此外，帶有相反電荷的兩種溶膠體系會發(fā)生電性中和，引起聚沉[10]。因此，通過增設(shè)無機電解質(zhì)、有機聚電解質(zhì)、帶相反電荷的溶膠等對所制備的溶膠穩(wěn)定性的影響實驗，可以引導(dǎo)學(xué)生分析無機電解質(zhì)、有機聚電解質(zhì)、帶相反電荷的溶膠等對溶膠穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并在實驗的基礎(chǔ)上分析溶膠的聚沉機制。

圖1所示為學(xué)生設(shè)計的加入無機電解質(zhì)NaCl、有機聚電解質(zhì)聚丙烯酰胺、反電性Fe(OH)3溶膠前后，黏土溶膠穩(wěn)定性的對比實驗結(jié)果。學(xué)生們不僅能夠通過詳細觀察體系的聚沉量、聚沉速度、分層體積等表征黏土溶膠的穩(wěn)定性，而且能夠設(shè)計實驗考察不同濃度的同一物質(zhì)、相同濃度下不同物質(zhì)對溶膠穩(wěn)定性的影響規(guī)律。觀察實驗現(xiàn)象是科學(xué)研究的重要手段，通過仔細觀察才能進一步分析原因。因此，該實驗內(nèi)容可以提高學(xué)生觀察能力和對比分析能力，掌握正確的觀察方法，確保觀察的全面性和準確性，為進一步分析實驗結(jié)果做好準備工作[11-12]。

a.加入NaCl無機電解質(zhì)b.加入聚丙烯酰胺溶膠

c.加入不同濃度反電性Fe(OH)3溶膠

圖1 加入不同溶膠前后,黏土溶膠穩(wěn)定性對比實驗

(2) 提供Zeta電位儀。原實驗中通過界面移動測量Zeta電位的方法非常費時，因此為學(xué)生提供了Zeta電位儀(見圖2)，這樣學(xué)生能夠非常方便地測量溶膠體系的Zeta電位。同時，增設(shè)無機電解質(zhì)、有機聚電解質(zhì)、帶相反電荷的溶膠等對溶膠Zeta電位影響的研究性實驗。①可引導(dǎo)學(xué)生測定加入不同濃度無機電解質(zhì)、有機聚電解質(zhì)、帶相反電荷的溶膠體系的Zeta電位，建立Zeta電位大小與溶膠穩(wěn)定性的變化關(guān)系，分析靜電斥力對溶膠的穩(wěn)定作用；②可引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料明確Zeta電位分析儀的測量原理，結(jié)合電泳實驗觀察溶膠界面移動計算Zeta電位的實驗方法和結(jié)果，分析不同測量Zeta電位方法的適用范圍、測量誤差來源，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康倪x擇合適、簡便實驗方法的能力。

圖2 Zeta電位分析儀

(3) 增設(shè)溶膠制備和穩(wěn)定性原理在油田化學(xué)中的應(yīng)用相關(guān)實驗內(nèi)容。這是由于溶膠制備和穩(wěn)定性研究是解決油田污水處理、采出液破乳脫水、泡沫流體穩(wěn)定性、鉆井液體系穩(wěn)定性等石油與天然氣工程應(yīng)用實際問題的理論和實驗基礎(chǔ)。例如，引導(dǎo)學(xué)生在黏土溶膠中加入原油，混合后得到均勻的油水乳狀液模擬油田污水，在其中加入無機電解質(zhì)、有機聚電解質(zhì)等污水處理劑，觀察油滴聚并上浮，黏土顆粒絮凝沉降，最終實現(xiàn)污水除油的過程。該部分實驗內(nèi)容學(xué)生可以研究無機電解質(zhì)、有機聚電解質(zhì)等污水處理劑類型和濃度對模擬污水的凈化效果，更好地貫穿“溶膠制備及性質(zhì)研究”的所有實驗內(nèi)容。因此，通過增設(shè)與實驗主題相關(guān)的石油與天然氣工程實際應(yīng)用實驗，可以培養(yǎng)石油工程專業(yè)學(xué)生將理論知識與油田應(yīng)用實踐緊密結(jié)合，應(yīng)用于解決現(xiàn)場實際問題的能力，有效提升學(xué)生的研究能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維[13-15]。

1.2 增設(shè)開放拓展實驗

因課堂時間有限，學(xué)生實驗?zāi)芰τ胁町?，設(shè)置拓展實驗，提供必要的實驗條件，讓學(xué)生根據(jù)個人情況，預(yù)約參與開放拓展實驗。例如，教師預(yù)先提供多種可選擇的無機電解質(zhì)，如KCl，MgSO4，Al(NO3)3等，由學(xué)生設(shè)計相關(guān)實驗方案，經(jīng)教師審核，研究不同電解質(zhì)對溶膠體系Zeta電位的影響。由教師提供油田采出乳狀液以及多種電解質(zhì)和常用破乳劑等，由學(xué)生設(shè)計相關(guān)實驗方案研究不同電解質(zhì)和破乳劑對油田采出乳狀液的穩(wěn)定性影響和破乳效果。只要學(xué)生預(yù)約的實驗內(nèi)容與“溶膠制備與性質(zhì)研究”的主題相關(guān)，教師應(yīng)該盡可能提供相關(guān)實驗材料和理論指導(dǎo)，協(xié)助學(xué)生完成拓展實驗內(nèi)容。通過開放拓展實驗的設(shè)置，可以進一步提高學(xué)生的創(chuàng)新研究意識，培養(yǎng)學(xué)生實踐操作、分析問題和解決問題的能力。

2 精品實驗教學(xué)模式和考核模式建設(shè)

2.1 以學(xué)生為中心的創(chuàng)新研究性實驗教學(xué)模式

傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，主要是教師講解實驗原理、操作步驟和注意事項，并進行相關(guān)步驟的演示之后，學(xué)生再按教師預(yù)設(shè)的實驗程序動手實驗。過程中學(xué)生缺乏主觀能動性，分析問題和解決問題的能力沒有得到有效的鍛煉。創(chuàng)新研究性實驗教學(xué)模式下，以學(xué)生為主，自主設(shè)計與完成實驗。為了自主設(shè)計出實驗方案，學(xué)生要學(xué)會使用圖書館、網(wǎng)絡(luò)和各種數(shù)據(jù)庫查閱文獻，理解實驗內(nèi)容相關(guān)的理論知識，掌握溶膠制備的主要方法和相關(guān)性質(zhì)及其影響因素。方案初步設(shè)計后，學(xué)生將自己設(shè)計的方案與教師進行交流。確定最終方案后,學(xué)生自主進行實驗,這就要求學(xué)生應(yīng)積極參與實驗，對實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果有一定的預(yù)判，提高實驗學(xué)習(xí)的熱情和主動性[16-18]。針對部分實驗儀器昂貴，臺套數(shù)較少的情況，采用分組合作方式，組間組內(nèi)分工合作，有利于培養(yǎng)學(xué)生團結(jié)合作精神[19-20]。實驗結(jié)束后，通過小組討論，整理、分析數(shù)據(jù)，撰寫論文，增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)到研究方法，提高創(chuàng)新能力。

2.2 課內(nèi)實驗與開放實驗相結(jié)合

創(chuàng)新研究性實驗具有綜合性、設(shè)計性、探索性的特點，涉及到多門基礎(chǔ)和專業(yè)課程，需要對實際問題和未知問題進行深入探索， 需要學(xué)時較長。因而采用課內(nèi)實驗與課外開放實驗相結(jié)合的方式，可以有效緩解有限課時與學(xué)生渴望拓展探索之間的矛盾。學(xué)生在課內(nèi)時間進行溶膠的制備、溶膠Zeta電位的測量、溶膠穩(wěn)定性的影響實驗。無機電解質(zhì)、有機聚電解質(zhì)、帶相反電荷的溶膠等對膠體Zeta電位影響的研究性實驗，以及溶膠穩(wěn)定性原理在油田化學(xué)中的應(yīng)用相關(guān)實驗內(nèi)容通過開放實驗來實現(xiàn)，學(xué)生根據(jù)自己可分配的時間，通過實驗中心網(wǎng)絡(luò)平臺預(yù)約開放實驗，從而完成對該部分內(nèi)容的探索研究[21-23]。

2.3 多元考核方式

傳統(tǒng)實驗教學(xué)多為驗證性實驗，考核方式主要以出勤和實驗報告為主，忽視了對前期準備、實驗過程及結(jié)果分析的考核。創(chuàng)新研究性實驗教學(xué)有別于傳統(tǒng)實驗教學(xué)，因而考核方式也應(yīng)是全方位和多元化的，需要囊括出勤、前期預(yù)習(xí)、文獻資料查閱、實驗方案設(shè)計，以及實驗過程中對儀器的選擇能力、團結(jié)協(xié)作、分析和解決問題的能力。后期實驗總結(jié)也不能是簡單的記錄數(shù)據(jù)，而應(yīng)按照科技論文的寫作，以體現(xiàn)出實驗者對理論知識的掌握水平，對實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)的分析，對研究過程的理解和思考。多元考核模式也避免了學(xué)生抄襲實驗報告，忽視預(yù)習(xí)、實驗過程和結(jié)果討論與分析等問題，進而改變學(xué)生被動學(xué)習(xí)的狀況。“溶膠制備及性質(zhì)研究”的創(chuàng)新研究性實驗具體考核標準為：預(yù)習(xí)包括查閱文獻資料和設(shè)計實驗方案占20%，實驗過程中選擇儀器能力和團結(jié)協(xié)作占10%、分析和解決問題的能力占10%，實驗操作占30%，實驗論文占30%[24-26]。

3 結(jié) 語

在秉承原有實驗內(nèi)容的前提下，增設(shè)研究性和拓展性實驗環(huán)節(jié)，更新實驗技術(shù)手段，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，健全考核方式，使得“溶膠的制備及性質(zhì)”實驗通過精品實驗建設(shè)更好地貫穿探索性和創(chuàng)新性的教學(xué)理念，實驗項目也更具延展性和生命力，提高學(xué)生自主實驗興趣與科學(xué)研究積極性，利于培養(yǎng)科研素養(yǎng)和創(chuàng)新精神，符合當今社會發(fā)展對人才的發(fā)展需要。