新工科背景下無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

毛娜，段曉麗

(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與材料學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.寶雞市蔡家坡中學(xué)，陜西 寶雞 722405)

0 引言

新一輪科技改革與產(chǎn)業(yè)革命，為國(guó)家培養(yǎng)造就一大批掌握高科技技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)秀科技人才，支撐科技服務(wù)創(chuàng)新創(chuàng)造驅(qū)動(dòng)發(fā)展、提出“中國(guó)制造2025”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略[1]。教育部在復(fù)旦大學(xué)和天津大學(xué)分別召開了綜合性高校和具有工科優(yōu)勢(shì)高校的新工科研討會(huì)，形成了新工科建設(shè)的“復(fù)旦共識(shí)”和“天大行動(dòng)”。并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，全力探索形成引領(lǐng)全球工程教育的中國(guó)模式和經(jīng)驗(yàn)，助力于建設(shè)高等教育強(qiáng)國(guó)發(fā)展。新工科教育是在傳統(tǒng)工科的基礎(chǔ)上發(fā)展起卓越教育的升級(jí)版，為了進(jìn)一步促使我國(guó)從工程教育大國(guó)走向強(qiáng)國(guó)，在新一輪工程教育改革世界發(fā)揮重要影響力[2-3]。發(fā)展和構(gòu)健的新工科建設(shè)的“三部曲”，引導(dǎo)人才培養(yǎng)主方向，開拓了工程教育改革新旋律。系統(tǒng)地深入開展新工科發(fā)展和研究，從創(chuàng)新理論、完善政策、研究探索實(shí)踐中推進(jìn)和落實(shí)，把我國(guó)建設(shè)成工程教育強(qiáng)國(guó)，建立中國(guó)模式和標(biāo)準(zhǔn)工程教育強(qiáng)國(guó)品牌，形成世界工程教育創(chuàng)新中心和人才基地，為實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)和中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)作出積極貢獻(xiàn)[4]! 2020年9月11日，習(xí)近平總書記主持召開中國(guó)科學(xué)院科學(xué)家座談會(huì)上指出，當(dāng)今世界正處在百年難遇的大變局之中，我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展面臨大機(jī)遇，使我國(guó)“十四五”時(shí)期以后的發(fā)展對(duì)加快科技創(chuàng)新和工程教育提出了更為迫切的要求[5]。

能源化工專業(yè)是我校2016年新開設(shè)的工科專業(yè)，屬于教育部提出的新工科的相關(guān)專業(yè)。能源化工是材料、化學(xué)、能源等學(xué)科交叉融合發(fā)展起來的工程學(xué)科，具有新工科的創(chuàng)新性、融合性、交叉性等特征。無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是能源化工專業(yè)一門必修的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，該課程開設(shè)與第一學(xué)年，總課時(shí)81學(xué)時(shí)，旨在培養(yǎng)該專業(yè)本科生具備化學(xué)化工領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作技能奠定基礎(chǔ)。無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的課程內(nèi)容覆蓋面廣、知識(shí)點(diǎn)分散和理論性強(qiáng)的特點(diǎn)。為了掌握和增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作技能，以前大都是傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，和科技前沿脫節(jié)嚴(yán)重，導(dǎo)致學(xué)生信息化融入新工科建設(shè)不足。根據(jù)新工科提出的新要求，提出了“一個(gè)核心、兩個(gè)提高、三個(gè)融合”的新思路，新思路的核心是培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，著力提高學(xué)生對(duì)工科的工程意識(shí)和設(shè)計(jì)研發(fā)能力，使通專融合、專創(chuàng)融合、多學(xué)科跨界交叉融合相互結(jié)合和發(fā)展，制定適合使學(xué)科向產(chǎn)業(yè)需求轉(zhuǎn)變的專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)模式，從單一的專業(yè)模式向交叉多學(xué)科融合轉(zhuǎn)變，從適用服務(wù)向科技前沿和引領(lǐng)科技轉(zhuǎn)變。配合著新的專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)模式的課程體系調(diào)整[6]，本工科專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容提出了“兩貫通、三結(jié)合”的優(yōu)化思路，即在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的過程中，將思想政治教育和工程倫理教育相結(jié)合貫通。既要保證教學(xué)內(nèi)容與培養(yǎng)目標(biāo)的緊密結(jié)合，又要保證教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際生產(chǎn)生活應(yīng)用的緊密結(jié)合、與科技前沿緊密結(jié)合[7-8]?？平倘诤鲜谴龠M(jìn)高校專業(yè)改革的方法之一。高校優(yōu)質(zhì)豐富的科學(xué)研究資源始終無法應(yīng)用人才培養(yǎng)中，“錢學(xué)森之問”基本無解，很難培養(yǎng)出引領(lǐng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造創(chuàng)新人才。科教融合的理到的實(shí)踐應(yīng)用必須正確認(rèn)識(shí)人才培養(yǎng)與科學(xué)研究的本質(zhì)關(guān)系和特性。

在新工科背景下，既要鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，又要改變傳統(tǒng)的授課思路和掌握科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)問題，為以后其他相關(guān)學(xué)科的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)教和學(xué)提出更高的要求。本課程根據(jù)教師的科研方向成果引入到工科專業(yè)的本科教學(xué)中，對(duì)工科專業(yè)的無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)改革和探索。既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能掌握科技前沿，使學(xué)生更容易掌握和理解。用焙燒法制備g-C3N4用于光催化分解水制氫為例，通過合成和表征及應(yīng)用，使學(xué)生掌握大型儀器的使用，通過實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備階段、實(shí)驗(yàn)中的摸索探究階段和實(shí)驗(yàn)后的總結(jié)反思，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新思維，為學(xué)生后續(xù)的科研學(xué)習(xí)奠基良好的基礎(chǔ)，更有助于提升當(dāng)代大學(xué)生的責(zé)任感和使命感。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1)了解焙燒浸漬法制備g-C3N4的方法；(2)學(xué)習(xí)大型儀器的基本原理和使用方法；(3)學(xué)習(xí)理解光催化分解水制氫的反應(yīng)機(jī)理；(4)掌握g-C3N4光催化分解水制氫的測(cè)試方法；(5)掌握數(shù)據(jù)分析處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

石墨氮化碳(g-C3N4)是一種新型聚合物半導(dǎo)體，由于其合成簡(jiǎn)單，能帶適合，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使其成為目前的研究熱點(diǎn)。2009年，《Nature Materials》首次報(bào)道Wang Xinchen等合作者用g-C3N4光催化劑用于光催化制H2。與TiO2相比，g-C3N4的能帶間隙適中，大約為2.7～2.8 eV，可見光吸收范圍約450～460 nm。g-C3N4由于特殊的結(jié)構(gòu)在空氣中的熱穩(wěn)定性高。g-C3N4還具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，不易被酸、堿或有機(jī)溶劑溶解等一些特點(diǎn)，因此它被認(rèn)為是一種很有潛力的無金屬半導(dǎo)體催化劑，有望在光催化應(yīng)用領(lǐng)域取得巨大發(fā)展[9]。

2 儀器與設(shè)備

2.1 實(shí)驗(yàn)藥品

三聚氰胺(C3N3(NH2)3)，三乙醇胺(C6H15NO3(TEOA))，氯鉑酸 (H4PtCl4)。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)；粉末多晶X射線衍射(PXRD)；熱失重分析儀(TGA)。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

2.3.1 g-C3N4的制備

將適量5 g三聚氰胺放到坩堝中加熱到500 ℃，保溫2 h，將塊狀固體研磨成粉末，再加熱到550 ℃，保溫4 h。冷卻至室溫，得到黃色粉末純g-C3N4[10]。

2.3.2 催化劑的表征

2.3.3 催化劑性能評(píng)價(jià)

將100 mg g-C3N4光催化劑、80 mL水、20 mL三乙醇胺、5%1.5 mLH2PtCl4溶液置于120 mL反應(yīng)燒瓶中超聲，使樣品良好分散在溶劑中。反應(yīng)懸浮液經(jīng)脫氣排出反應(yīng)系統(tǒng)里的空氣后，用300 W氙燈(北京泊菲萊有限責(zé)任公司)攪拌輻照反應(yīng)懸浮液。在光催化過程中，用循環(huán)冷卻水對(duì)反應(yīng)溶液進(jìn)行降溫。利用配備熱電偶檢測(cè)器的氣相色譜儀(GC7900，Techcomp)對(duì)產(chǎn)生的氫氣量進(jìn)行了測(cè)定?？梢姽廨椪詹捎瞄L(zhǎng)程截止濾波器(北京泊菲萊公司)。

2.4 結(jié)果與討論

g-C3N4的晶體結(jié)構(gòu)采用粉末X射線衍射(PXRD)測(cè)試。譜圖上出現(xiàn)了兩個(gè)衍射峰在13.5°和27.4°處，表明了g-C3N4的六方體石墨結(jié)構(gòu)[10]。另外通過FT-IR觀察到化學(xué)結(jié)構(gòu)，g-C3N4的圖譜中顯示出振動(dòng)峰，N-H2鍵的伸縮振動(dòng)大約在3 000～3 500 cm-1，苯環(huán)的伸縮振動(dòng)大約在1 620 cm-1處，s-三嗪環(huán)上的C-N鍵的伸縮振動(dòng)大約在800～1 500 cm-1[9]。

通過熱重測(cè)得g-C3N4的熱穩(wěn)定性，結(jié)果顯示在20～600 ℃，g-C3N4質(zhì)量減少大約10%左右，這可能失去的是g-C3N4表面吸附的水分子，600～800 ℃ g-C3N4的質(zhì)量減少70%多，這可能是聚合物分解。復(fù)合材料的光催化活性用光催化制H2速率來評(píng)價(jià)，在80 mL(體積含量80%)水中加入100 mg光催化劑負(fù)載1.5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 % Pt助催化劑和20 mL TEOA(體積含量 20%)，純 g-C3N4的 HER 是 5.79 μmol/h，在可見光照射下不加Pt和加入Pt的純g-C3N4HER分別是1.48 μmol/h和3.09 μmol/h，由于助催化劑Pt的加入，加快了光催化反應(yīng)速率。

3 新工科背景下

3.1 實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)方案的制定

2020年9月22日的第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，習(xí)近平總書記宣告：中國(guó)要在2030年前碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。地球的溫度在不斷上升，如果再繼續(xù)上升，人類可能就要滅絕，所以聯(lián)合國(guó)就制定了《巴黎協(xié)定》，努力讓地球溫度的升溫幅度控制在1.5 ℃以內(nèi)。2016年中國(guó)加入了《巴黎協(xié)定》，展示中國(guó)在保護(hù)氣候方面的信心。CO2是導(dǎo)致全球氣溫上升的關(guān)鍵源頭，如果二氧化碳沒有增加，理論上就抑制了氣溫的上升。所以爭(zhēng)取早日碳達(dá)峰，其實(shí)說的就是爭(zhēng)取早日完成建設(shè)。落實(shí)碳達(dá)峰碳中和工作，一方面要加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境區(qū)管控和規(guī)劃，嚴(yán)格控制“高耗能和高污染”項(xiàng)目審批，逐步控制消費(fèi)化石能源的總量，解決清潔能源的問題；另一方面要提升生產(chǎn)過程的清潔和污染水平的防治，促進(jìn)兩碳技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新，盡早達(dá)到碳中和的目標(biāo)。化石燃料的過度消耗，使人類在能源需求和環(huán)境問題方面所面臨的挑戰(zhàn)日益加重，這些問題激發(fā)了人們對(duì)能源和環(huán)境方面的重新認(rèn)知。隨著工業(yè)化和人口的迅速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2050年，全球?qū)⑿枰茉垂?yīng)是其當(dāng)今的兩倍。目前，石油、煤炭和天然氣等化石燃料是世界能源消耗需求的主要依賴，而這些可用能源正迅速枯竭。并且化石燃料的燃燒將不可避免地導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的危害。因此，人們一直在尋求化學(xué)、物理、材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的前沿技術(shù)來克服這些困難，能使能源有效的轉(zhuǎn)化和環(huán)境得到保護(hù)。在各種可再生能源項(xiàng)目中，光催化技術(shù)是一種將取之不盡、清潔的太陽能轉(zhuǎn)化的可行性技術(shù)，在未來新能源開發(fā)中占重要位置[6-7]。因此，合理高效的利用太陽能可以解決未來的環(huán)境污染和能源匱乏等問題。在雙碳背景下和發(fā)展清潔能源的思路下，結(jié)合申請(qǐng)雙一流高校提出的科教融合的思路。既要夯實(shí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作基礎(chǔ)，又要緊跟科技前沿研究。通過閱讀大量的文獻(xiàn)，掌握目前解決能源危機(jī)的新方法。幫助學(xué)生選擇g-C3N4光催化分解水制氫的方法及反應(yīng)機(jī)理的課題，歸納總結(jié)各類文獻(xiàn)中g(shù)-C3N4光催化分解水制氫的研究進(jìn)展，提出實(shí)驗(yàn)的方案和流程。在調(diào)研階段，學(xué)生通過查找中英文文獻(xiàn)，了解化學(xué)材料的前言方向，增強(qiáng)掌握科研發(fā)展方向的能力。通過組會(huì)交流討論，掌握學(xué)習(xí)獲取關(guān)鍵信息的能力，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，有效提高學(xué)生信息整合的能力和知識(shí)遷移的能力，為以后基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)打下良好的實(shí)踐能力，同時(shí)也提高學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合、相轉(zhuǎn)化的能力。

3.2 實(shí)驗(yàn)中的實(shí)踐階段

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)習(xí)g-C3N4的各種制備方法，掌握光催化分解水制氫的方法。觀察記錄實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象，了解思考各種制備方法的區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)純g-C3N4光催化分解水制氫的實(shí)驗(yàn)，從光催化體系的調(diào)試、光源的操作、實(shí)驗(yàn)中混合溶液的比例、氣相色譜的使用等。同時(shí)，使學(xué)生掌握和了解大型儀器的使用和操作。在實(shí)驗(yàn)中的實(shí)踐階段，通過實(shí)驗(yàn)過程的操作和知識(shí)體系的實(shí)踐，使學(xué)生掌握提出問題和解決問題的新方法和新思路，同時(shí)提生學(xué)生動(dòng)手操作能力和合作團(tuán)隊(duì)精神。培養(yǎng)學(xué)生科研思想和創(chuàng)新思維，為以后讀研究生奠基良好的基礎(chǔ)。

3.3 實(shí)驗(yàn)后的總結(jié)

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束，學(xué)會(huì)使用化學(xué)軟件處理數(shù)據(jù)和說明問題，掌握科技論文的寫作方法和技巧。用化學(xué)軟件繪制相應(yīng)的圖表，并對(duì)圖表進(jìn)行相應(yīng)的分析和討論，得出與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合有意義的結(jié)論，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，科學(xué)規(guī)范的書寫科研論文以及科研項(xiàng)目書。在實(shí)驗(yàn)后的總結(jié)階段可以鍛煉學(xué)生的文字寫作能力和歸納總結(jié)能力，使學(xué)生放開視野掌握了解世界前沿發(fā)展和各國(guó)的科技綜合實(shí)力，使學(xué)生有使命感和擔(dān)當(dāng)責(zé)任感。

4 結(jié)語

新工科背景下工科專業(yè)的發(fā)展和改革是各高校發(fā)展重要目標(biāo)，同時(shí)國(guó)家提出碳達(dá)標(biāo)碳中和的思想戰(zhàn)略，結(jié)合世界各個(gè)國(guó)家的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題。科教融合也是雙一流高校建設(shè)的途徑之一，把豐富的科研優(yōu)質(zhì)資源轉(zhuǎn)化成工業(yè)也是人才培養(yǎng)的選擇之一。本實(shí)驗(yàn)將g-C3N4的制備及光催化分解水制氫的研究成果引入到能源化工專業(yè)的本科教學(xué)中，體現(xiàn)了科研和教學(xué)相互支撐，同時(shí)使學(xué)生學(xué)到的理論知識(shí)和應(yīng)用實(shí)踐相結(jié)合。在實(shí)驗(yàn)不同的階段，使學(xué)生掌握分析問題、解決問題的能力和方法，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維和創(chuàng)新思維，了解不同國(guó)家的科研綜合能力，使當(dāng)代大學(xué)生具有責(zé)任感和使命感。