注重實驗教學，提升本科生科研素養(yǎng)
——以分光光度法測定鐵的含量為例

王世革 劉怡云

（上海理工大學理學院 上海 200093）

0 前言

化學學科是建立在實驗基礎(chǔ)上的一門學科，實驗教學是化學教學過程中必不可少的一個環(huán)境。通過化學實驗可以實現(xiàn)理論與實踐的有機結(jié)合，從而加深學生對理論知識的理解。與高中化學教育不同，大學的實驗教學不僅停留在激發(fā)學生的學習興趣、鍛煉學生動手能力等階段，更是要有意識地培養(yǎng)學生的科研能力，提高學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。與經(jīng)過了多次修訂和完善的教學實驗不同，科研工作所研究的問題是多樣化的，它有賴于科研人員的思考能力與探索精神。在經(jīng)濟飛速發(fā)展、國際競爭激烈的今天，科學技術(shù)是推動社會和國家發(fā)展的一大動力。在這一大環(huán)境下，越來越多的本科生加入到教師的科研工作中來。本科生雖未經(jīng)歷過研究生入學考試的磨礪，知識儲備、自制力和意志力等可能要弱于研究生，但本科生有著較高的求知欲。[1,2]本科生接受系統(tǒng)的科研訓練，將收獲更多的課本上沒有涉及的知識。在從事科學研究的過程中會遇到多種問題，要求學生自行查閱文獻，分析問題并提出解決問題的途徑。這一過程可以有效地鍛煉本科生主動學習的能力，開闊學生的視野。

科研實踐建立在基礎(chǔ)實驗之上，基礎(chǔ)實驗是學生走上科研之路的一塊墊腳石。因此，老師們需要注重基礎(chǔ)實驗教學，認真對待每一個實驗細節(jié)，通過基礎(chǔ)實驗啟發(fā)學生的科研思維，讓學生從中找到更好的實驗課程學習方法，為今后的科研實踐打下良好基礎(chǔ)。在筆者的教學實踐中，積累了一些實驗教學中所涉及到的知識與科學研究有機結(jié)合的案例。本文以本科實驗教學中“分光光度法測定鐵的含量”與科研案例“Fe(III)@WS2-PVP納米膠囊降解”結(jié)合為例，探討實驗教學與科學研究之間的聯(lián)系，論證注重實驗教學與提升本科生科研素養(yǎng)和教育教學質(zhì)量的關(guān)系。

1 分光光度法測定鐵的含量

“分光光度法測定鐵的含量”是我?！镀胀ɑ瘜W實驗》開設的實驗之一。這一實驗利用亞鐵離子（Fe2+）在pH=3-9 之間時與鄰菲羅啉發(fā)生絡合反應生成橙紅色絡合物，此絡合物的吸光度與濃度的關(guān)系符合朗伯比-爾定律。基于此，在測定水樣中鐵含量時，首先用還原劑維生素C將水樣中的Fe3+還原為Fe2+。然后，用鄰菲羅啉作為指示劑，通過紫外-可見分光光度計（或紫外-可見光譜儀）測量吸光度，計算得到水樣中的鐵含量。鄰菲羅啉測定鐵（亞鐵）的含量的原理如下：在pH=3-9 時，鄰菲羅啉與 Fe2+生成穩(wěn)定的橙紅色絡合物。該橙紅色絡合物的吸光度與濃度的關(guān)系符合Lambert-Beer 定律A=ECL。改式中A是吸光度值，E 為摩爾吸光系數(shù)，C 為待測液中Fe2+濃度，L 為液層厚度。本部分的具體操作步驟如下：

1.1 Fe2+濃度-吸光度標準曲線的繪制

本實驗首先需要學生配制一系列濃度的鐵標準溶液。然后，將此標準溶液與過量的維生素C 混合均勻，再加入少量的鄰菲羅啉指示劑。靜置一段時間，溶液顏色變?yōu)槌燃t色。以蒸餾水作為參比溶液，用紫外-可見分光光度計測量該橙紅色物質(zhì)的最大吸收波長（max）為505 nm。最后，分別測定不同濃度Fe2+溶液在 = 505 nm 處的吸光度，以吸光度為縱坐標，鐵的濃度為橫坐標，繪制吸光度-濃度標準曲線。此標準曲線也是分光光度法測定鐵的含量的工作曲線。根據(jù)此標準曲線，結(jié)合所測定未知樣品在max= 505 nm 處的吸光值，即可得到Fe2+的度。

1.2 試樣中鐵含量的測定

取一定量待測水樣，加入足量維生素C，按繪制標準曲線的操作，測得水樣在 = 505 nm 處的吸光度值，由標準曲線計算得到相應的鐵含量。做三組平行實驗，計算出水樣中鐵的濃度（取三組平行實驗的平均值）。

通過本實驗的教學，讓學生掌握鄰菲羅啉分光光度法測定微量鐵的原理和方法，學會標準曲線的繪制及使用。近期，我校本科生將該實驗中測定鐵（亞鐵）含量的方法運用到科學實踐中，解決了實際操作中遇到的問題，并以第一作者身份在《Advanced Functional Materials》期刊上發(fā)表了學術(shù)論文。[3]在這一研究論文中，首先通過水熱法制備了Fe(III)@WS2-PVP（Fe(III)：三價鐵，PVP：聚乙烯吡咯烷酮）納米膠囊。在此納米膠囊中，WS2會與 Fe(III)發(fā)生氧化還原反應，生成 Fe2+和 WO42-。Fe2++可以和腫瘤微環(huán)境中過量的H2O2和H+發(fā)生芬頓反應生成Fe3+和強氧化性物質(zhì)（·OH）。利用·OH 的細胞毒性，實現(xiàn)了納米膠囊對腫瘤的化學動力學治療。新生成的 Fe3+再次與納米膠囊中WS2反應，促成了納米膠囊的降解。本研究中，一個關(guān)鍵科學問題即驗證Fe(III)@WS2-PVP 降解產(chǎn)生了Fe2+，以解釋Fe(III)@WS2-PVP 納米膠囊的降解機制。在“分光光度法測定鐵的含量”實驗中所學到的知識為解決上述關(guān)鍵科學問題提供了借鑒。

2 Fe(III)@WS2-PVP 納米膠囊降解產(chǎn)物中Fe2+的確定

2.1 Fe2+濃度-吸光度標準曲線

“Fe(III)@WS2-PVP 納米膠囊降解”實驗中標準曲線的繪制方法與“分光光度法測定鐵的含量”實驗一致。此標準曲線也是Fe2+的含量測定的工作曲線。根據(jù)此標準曲線，結(jié)合降解溶液在max=505 nm 處的吸光值，即可得到Fe2+的度。

2.2 維生素C 還原劑的應用

維生素C 作為一種還原劑可以有效地防止Fe2+的氧化。在“分光光度法測定鐵的含量”和“Fe(III)@WS2-PVP 納米膠囊降解”實驗中維生素C 都需過量，否則會存在著部分Fe2+被氧化為Fe3+的現(xiàn)象。若維生素C 用量不足，雖然添加鄰菲羅啉后溶液仍可以呈現(xiàn)橙紅色，但檢測出的Fe2+濃度將低于實際值。此外，F(xiàn)e2+濃度的測定還會受其他因素影響，如溶液的酸堿度會影響組分的溶解度，溶液配制過程也會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差等。這啟發(fā)了學生必須以嚴謹?shù)膽B(tài)度對待科研實踐中的各種影響因素，需要全面考慮問題，根據(jù)實際情況擬定最優(yōu)的實驗條件，以控制誤差。[4]通過控制誤差，還可以培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度，提高學生分析和解決問題的能力。

2.3 降解過程中產(chǎn)生Fe2+的驗證及其含量的測定方法

Fe (III)@WS2-PVP 降解的原理是通過用鄰菲羅啉顯色反應監(jiān)測Fe2+的產(chǎn)生來確定的。將鄰菲羅啉與溶解于PBS 溶液或弱酸性檸檬酸鹽換成溶液（CBS）中的Fe(III)@WS2-PVP 混合，置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中持續(xù)培養(yǎng)12 小時。隔一定時間用紫外-可見光譜儀分別測定反應生成的橙紅色絡合物的吸光度。結(jié)果表明：隨著培養(yǎng)時間的增加，混合溶液的吸光度增大，證明有Fe2+持續(xù)不斷地生成；培養(yǎng)時間相同，CBS 混合溶液的Fe2+的吸光度更高，證明弱酸性環(huán)境可以加速Fe(III)和WS2之間的氧化還原反應。

課堂教學實驗要求學生在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗任務。與課堂教學實驗不同，科研實踐更加考驗學生考慮問題的細致程度和全面程度，注重學生的過程培養(yǎng)，對實驗操作速度要求不高?？蒲袑嵺`對實驗現(xiàn)象的要求較高，要求學生能對特定的實驗現(xiàn)象進行有效的論證。另外，還需要設置對照實驗和平行實驗，提高實驗數(shù)據(jù)的可信度并減小誤差。科學研究是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程，學生有更多的機會深入探究問題的本質(zhì)。這一過程不僅可以激發(fā)學生的科研興趣，塑造學生的科研能力，還能有效加深學生對理論知識的理解和應用，有效地培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力，提高本科教育教學質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過將教學實驗“分光光度法測定鐵的含量”與“Fe(III)@WS2-PVP 納米膠囊降解”科研案例結(jié)合，不僅有效地幫助學生掌握了課堂所學的理論知識，還激發(fā)了學生對科學研究的興趣，塑造了學生的科研能力。本科生參與科研實踐不僅需要他們具有很高的時間管理能力，更需要學校和老師的重視和支持?，F(xiàn)階段的高等教育依然以課堂教學為主，雖然很多高校都設置了本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，但依然難以讓更多的本科生參與到科研實踐中去。因此，高校教育工作者應該重視實驗教學，讓學生在實驗教學中受到啟發(fā)，通過實驗教學提升學生的科研素養(yǎng)，切實提高本科實驗教學質(zhì)量。