基于學(xué)科交叉的綜合化學(xué)實驗的教學(xué)設(shè)計

單樹楠， 李 嫻， 張 雷， 張 昉

（1.上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)實驗教學(xué)示范中心，上海200234；2.東華大學(xué)紡織學(xué)院實驗中心，上海201618）

0 引 言

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》提出：要優(yōu)化學(xué)科專業(yè)、類型、層次結(jié)構(gòu)，促進多學(xué)科交叉和融合［1-2］，當(dāng)下國家正在進行“雙一流”建設(shè)，其中一流學(xué)科建設(shè)是基礎(chǔ)和核心，而學(xué)科交叉是非常重要的途徑，為了更好地推動世界一流學(xué)科的建設(shè)，2020年8月，全國研究生教育會議決定新增“交叉學(xué)科”作為新的學(xué)科門類，2020年10月，國家自然科學(xué)基金委新成立交叉科學(xué)部，為學(xué)科交叉創(chuàng)設(shè)良好的環(huán)境，鼓勵和推動交叉學(xué)科研究的開展，建設(shè)多元的學(xué)科文化，培育多學(xué)科復(fù)合背景的人才。學(xué)科交叉不僅能鍛煉學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，而且能激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和跨學(xué)科綜合思維能力，更有助于促進多學(xué)科的協(xié)同發(fā)展，完善具有跨學(xué)科視野和協(xié)同創(chuàng)新意識的復(fù)合型人才培養(yǎng)機制［3-5］。

綜合化學(xué)實驗是我校化學(xué)實驗教學(xué)示范中心在基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程之后為化學(xué)類高年級學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)實驗課程。該課程以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識和技能為目的，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問題的能力。以往開設(shè)的實驗教學(xué)內(nèi)容多來源于中心教師多年的教學(xué)和科研成果，涵蓋了多個化學(xué)相關(guān)的二級學(xué)科的基礎(chǔ)理論與實驗技術(shù)，已具有成熟的知識體系。近年來，在國家重大戰(zhàn)略需求的驅(qū)動下，多學(xué)科交叉匯聚與多技術(shù)跨界融合成為常態(tài)，中心也逐漸探索以學(xué)科交叉為特色的實驗教學(xué)體系的研究，對基于學(xué)科交叉的綜合化學(xué)實驗的教學(xué)內(nèi)容進行改革，鼓勵教師把正在開展的學(xué)科交叉的科研課題，轉(zhuǎn)化為研究型的綜合化學(xué)實驗植入教學(xué)活動，旨在培養(yǎng)具有多學(xué)科背景的應(yīng)用型、復(fù)合型和技能型人才［6］。本文介紹了一個綜合化學(xué)實驗的教學(xué)設(shè)計——吸附光催化耦合生物法降解苯并三唑廢水，該實驗內(nèi)容較好地體現(xiàn)了多學(xué)科的交叉和融合，并在實施過程中取得了良好的教學(xué)效果。

1 實驗設(shè)計的理論依據(jù)

黨的十八大以來，習(xí)近平總書記就生態(tài)文明建設(shè)中的系統(tǒng)治水做出一系列重要論述和重大部署，特別指出要保障水安全，統(tǒng)籌做好水環(huán)境治理?；诖吮尘埃瑢嶒灥脑O(shè)計提出了如下理論依據(jù)。

苯并三唑是一種含氮雜環(huán)化合物，作為一種新興污染物，廣泛應(yīng)用于冷卻液、防凍液和家用洗滌劑中，因其結(jié)構(gòu)上的雙環(huán)閉合共軛結(jié)構(gòu)，具有難降解性，污水處理廠傳統(tǒng)的生物技術(shù)難以將其完全去除，故苯并三唑通過生活污水和工業(yè)廢水的間接排放自然水體中，因其具有毒性、致癌和致畸作用，會對人類健康和和生態(tài)環(huán)境帶來威脅。

半導(dǎo)體多相光催化法能有效地降解水中有機污染物，其中二氧化鈦（TiO2）因具有較高的光催化活性、抗光腐蝕，且便宜易得，已成為一種重要的、有應(yīng)用前景的污水處理光催化劑。而在傳統(tǒng)的吸附法中，硅膠以其穩(wěn)定性和孔徑可調(diào)性，是一種常用的多孔吸附材料。近年來開發(fā)的一種吸附與光催化技術(shù)凈化技術(shù)，其兼具了吸附和光催化法的優(yōu)勢，這類技術(shù)將TiO2等光催化劑負載到硅膠上，制成復(fù)合光催化材料用于降解污染物。

雖然吸附與光催化聯(lián)用技術(shù)對苯并三唑具有良好的處理效果，但存在耗能大、處理成本高和反應(yīng)時間長等缺點，且在處理過程中苯并三唑難以被完全礦化，有的副產(chǎn)物甚至比苯并三唑更有危害。而污水處理廠在利用生物法處理時，雖然具有處理量大和成本低的優(yōu)點，但苯并三唑?qū)ι锝到饩泻軓姷囊种菩曰蚨拘?，可生化性不強，使生物降解菌死亡。于是科研工作者采用將吸附與光催化聯(lián)用技術(shù)和生物法耦合，利用它們各自的優(yōu)點來促進苯并三唑的完全降解［7-9］。對于本實驗而言，即先利用吸附光催化復(fù)合材料預(yù)處理提高苯并三唑的可生化性，再結(jié)合生物處理工藝來降解苯并三唑，從而達到苯并三唑的完全去除。

該實驗內(nèi)容能較好地體現(xiàn)化學(xué)、材料、微生物、環(huán)境和工程等學(xué)科的交叉與融合，鍛煉學(xué)生的文獻查閱以及動手操作能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決和總結(jié)問題的綜合能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，符合培養(yǎng)多學(xué)科背景的創(chuàng)新型人才的要求。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

（1）學(xué)習(xí)溶膠凝膠法制備納米TiO2；

（2）學(xué)習(xí)負載型納米TiO2-SiO2光催化劑的表征技術(shù)，了解掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線粉末衍射儀（XRD）等大型儀器的數(shù)據(jù)表征及分析方法，掌握高效液相色譜儀、離子色譜儀、紅外光譜儀、比表面積孔徑孔容分析儀和總有機碳/總氮分析儀的工作原理及操作分析方法；

（3）掌握光催化劑的光催化活性評價方法、微生物降解菌的馴化及反應(yīng)器掛膜方法、生物膜反應(yīng)器的設(shè)計和構(gòu)建；

（4）了解該實驗涉及多學(xué)科相互滲透和交叉，可培養(yǎng)具有跨學(xué)科視野和協(xié)同創(chuàng)新意識的復(fù)合型人才。

2.2 實驗試劑與儀器

實驗試劑：硅膠、鈦酸四丁酯、無水乙醇、濃硝酸、葡萄糖、苯并三唑、氯化銨、十二水合磷酸氫二鈉、活性污泥。

實驗儀器：毛玻璃、磁力攪拌器、烘箱、馬弗爐、254 nm紫外燈、pH計、COD消解儀、SEM、TEM、XRD、高效液相色譜儀、離子色譜儀、紅外光譜儀、紫外分光光度計、比表面積孔徑孔容分析儀、總有機碳/總氮分析儀。

2.3 實驗內(nèi)容

（1）負載型納米TiO2-SiO2光催化劑薄膜的制備。采用溶膠凝膠法制備納米TiO2。先在燒杯中倒入適量無水乙醇和濃硝酸，在恒溫下磁力攪拌；接著逐滴加入鈦酸四丁酯，得到TiO2溶膠，控制體系pH值為酸性。再把一定量硅膠加入其中，繼續(xù)攪拌1 h，即可得到硅膠負載型TiO2-SiO2懸濁液，懸浮液采用離心加水洗法直至上層清液接近中性，置于暗處保存。

然后進行光催化劑薄膜的制備。把毛玻璃洗凈，烘干，通過浸漬提拉法把毛玻璃置于上述懸濁液中進行超聲涂膜、提拉，先于70℃烘箱內(nèi)烘干得到干凝膠，再放置于馬弗爐中煅燒，升溫至指定溫度并保溫1 h，冷卻后，即制得光催化膜。如此反復(fù)提拉鍍膜數(shù)次，即得到不同層數(shù)的光催化膜。

（2）光催化劑薄膜性能的表征。利用SEM和TEM對光催化劑納米顆粒的形貌、大小和均一性進行表征，并對表面元素進行定性和半定量的分析；利用XRD來解析TiO2的晶體結(jié)構(gòu)；利用紅外光譜儀分析Ti-O鍵的官能團形成和變化；利用比表面積孔徑孔容分析儀分析該材料的比表面積、孔容和孔徑特征。

（3）光催化劑薄膜光催化活性的評價。采用光催化降解一種常見的染料亞甲基藍溶液來考察所得光催化劑薄膜的光催化活性。將一定量濃度為20 mg/L的亞甲基藍水溶液注入套層反應(yīng)器中，放入光催化劑薄膜，夾層通循環(huán)水，在反應(yīng)器底部放入小磁子用于磁力攪拌，使染料溶液濃度分布均勻，待薄膜暗吸附20 min后將其均置于的高壓汞燈下光照反應(yīng)，每隔一定的時間間隔取樣，經(jīng)離心分離后取上層清液用紫外可見分光光度計測定亞甲基藍溶液的吸光度變化，以此來計算該催化劑薄膜的光催化活性。

（4）苯并三唑生物降解菌的馴化。取水質(zhì)凈化廠的原始活性污泥倒入燒杯中，經(jīng)多次靜置分層清洗后，開始進行馴化。第1階段為7天，取約300 mL洗好的活性污泥放入容積為1 L的量筒中，加入適量氮磷、微量元素和葡萄糖營養(yǎng)液，用自來水將污泥混合液定容至1 L，并充分曝氣，控制量筒內(nèi)的水溫為30℃，每天進行污泥的靜置分離和加入新營養(yǎng)液的重復(fù)步驟。在第2階段，把加入的葡萄糖的濃度由300 mg/L逐漸降到200 mg/L，同時加入碳源替代物苯并三唑，其濃度由0逐漸提升至60 mg/L，使體系內(nèi)總COD濃度保持為300 mg/L，其余步驟和第一階段相同。經(jīng)過一段時間，苯并三唑在24 h內(nèi)的去除率達到95%以上，則說明苯并三唑生物降解菌已基本馴化完畢。

（5）生物膜反應(yīng)器的構(gòu)建及生物降解菌掛膜。本實驗采用的是內(nèi)循環(huán)折流式生物膜反應(yīng)器［8］，如圖1所示，該反應(yīng)器的主體材質(zhì)為有機玻璃，其被一個擋板（segregated board）分為上下兩個部分，光催化劑薄膜置于擋板上方，光催化反應(yīng)在擋板上部區(qū)域進行，微生物降解發(fā)生在下部區(qū)域，13塊多孔陶瓷板（baffled plate）交錯安裝在反應(yīng)器底部，可以使溶液進行折流式流動，反應(yīng)器底部一側(cè)的泵可使溶液在上部光催化區(qū)和下部生物降解區(qū)連續(xù)地循環(huán)起來，從而完成耦合作用對污染物進行降解。

圖1 光催化耦合生物膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖

把已馴化的含苯并三唑生物降解菌的活性污泥倒入該反應(yīng)器中，浸沒陶瓷板，使液面高度不超過擋板，在泵的作用下運行反應(yīng)器一段時間，通過吸附作用在陶瓷板上形成生物膜，即完成生物膜掛膜。通過每天加入適量的苯并三唑、葡萄糖和營養(yǎng)液，經(jīng)過一周時間的進一步馴化，得到穩(wěn)定且均勻的生物膜，此生物膜在8 h內(nèi)可以將20 mg/L的苯并三唑完全去除。掛膜后實際效果圖如圖2所示。

（6）苯并三唑廢水的降解處理。分別采取吸附法、光催化法、生物法，以及不同方法之間的耦合作用，對20 mg/L的苯并三唑溶液進行處理。利用高效液相色譜儀測定苯并三唑降解過程中苯并三唑和其中間產(chǎn)物的濃度變化；利用總有機碳/總氮分析儀測定苯并三唑降解過程中總有機碳和總氮的濃度變化；利用離子色譜儀測定苯并三唑降解過程中氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的離子濃度變化，從而判斷其苯并三唑的降解情況和其礦化程度。

2.4 數(shù)據(jù)處理和思考討論

實驗完成后，要求學(xué)生對所得數(shù)據(jù)進行處理，并進行相關(guān)問題的思考討論：

（1）學(xué)會常用科研軟件的使用和數(shù)據(jù)的處理。用Origin或Excel軟件對所制備TiO2的XRD數(shù)據(jù)進行處理，要求學(xué)生了解不同煅燒溫度下TiO2晶體結(jié)構(gòu)的改變，以及其對應(yīng)的光催化性能的變化；用Gatan Digital Micrograph軟件對所得TEM圖像中的納米顆粒大小進行統(tǒng)計，畫出粒徑分布圖；用Novawin孔分析軟件對光催化劑的比表面積、孔容和孔徑分布圖進行數(shù)據(jù)處理，并掌握其中的計算方法和含義。

（2）在光催化活性評價和苯并三唑的耦合降解過程中，根據(jù)所得測試數(shù)據(jù)，針對目標物和中間產(chǎn)物，如何進行定性和定量分析，如何描述其濃度變化情況及計算各自的反應(yīng)動力學(xué)。

（3）溶膠凝膠法制備納米TiO2的注意事項有哪些？還有哪些常用方法可以制備納米TiO2？

（4）反應(yīng)器中光催化區(qū)和生物膜區(qū)兩部分為什么設(shè)計時要用擋板分開？

（5）通過文獻查閱，確定光催化和生物法分別降解苯并三唑的降解路徑，并解釋為何經(jīng)光催化預(yù)處理可提高苯并三唑的可生化性，即光催化耦合生物技術(shù)降解苯并三唑的機理是什么？

（6）用活性污泥進行苯并三唑微生物菌的馴化和反應(yīng)器掛膜時，如何判斷活性污泥的狀態(tài)、掛膜效果以及維持反應(yīng)器的正常運行，若出現(xiàn)問題采取何種方法去補救或調(diào)整；讓學(xué)生查文獻了解后續(xù)工作如何利用分子生物學(xué)技術(shù)，比如通過生物膜的高通量基因測序，來確定微生物降解菌的種類，進而培養(yǎng)相關(guān)菌種對苯并三唑進行精準處理，以提高降解效率。

3 實驗教學(xué)設(shè)計與實施方案

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容和過程簡單直接，實驗結(jié)果可按既定方案達到預(yù)期效果，學(xué)生只需照本宣科地進行機械性重復(fù)即可，缺少獨立思考和探索；實驗內(nèi)容的建設(shè)主要以化學(xué)類實驗課程為主，較少涉及學(xué)科交叉類的知識，實驗報告中呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果欠缺深入分析，對學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)能力的訓(xùn)練較少；在實驗教學(xué)方法中，大型分析儀器的充分利用度不夠，缺少學(xué)生對科學(xué)問題探究意識的培養(yǎng)。所以，為了克服前述問題，在本實驗的教學(xué)設(shè)計中，把培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、能力和思維的創(chuàng)新型人才放在首位［10-11］，結(jié)合學(xué)科交叉融合的理念開展教學(xué)設(shè)計，多維度地訓(xùn)練學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力。

3.1 溶膠凝膠法的條件摸索——根據(jù)研究目的掌握材料的制備方法

本實驗第一個研究目的是學(xué)習(xí)溶膠凝膠法制備TiO2。溶膠凝膠法其主要原理是利用含高化學(xué)活性組分的化合物作前驅(qū)體，經(jīng)過水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，先得到溶膠體系，再經(jīng)過干燥變成凝膠，最后經(jīng)高溫處理，即得到所需納米材料。

鈦酸四丁酯和無水乙醇、濃硝酸的比例，鈦酸四丁酯的滴加速度，反應(yīng)體系的溫度和pH值的控制，煅燒溫度、時間和升溫速率等因素［12］，都會影響凝膠或晶粒的粒徑和比表面積，進而會對產(chǎn)物的光催化性能產(chǎn)生影響，在這個部分，要求學(xué)生通過文獻查閱，結(jié)合產(chǎn)物的表征結(jié)果對這些制備條件因素進行調(diào)節(jié)，摸索出制備溶膠凝膠法納米TiO2的最佳條件。在實際溶膠凝膠法實驗的開展過程中，學(xué)生會經(jīng)歷多次失敗，要鼓勵學(xué)生大膽試錯，積累經(jīng)驗，在失敗的過程中尋找適合的解決方案，進而培養(yǎng)學(xué)生的探究與創(chuàng)新精神，在課堂中真正發(fā)揮學(xué)生的主體作用。

3.2 降解方案的對比選擇——掌握不同降解方案的優(yōu)缺點以確定適宜路線

本實驗的最終目標是建立不同方案對苯并三唑廢水進行降解。這部分的教學(xué)設(shè)計可分為3個階段。①讓學(xué)生學(xué)習(xí)3種不同類型的單一處理方案，包括物理吸附法、化學(xué)光催化法和生物法，通過直觀地了解降解效果，掌握各自的工作原理和優(yōu)缺點。②把不同單一處理方案進行組合，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，通過這些組合嘗試，讓學(xué)生學(xué)習(xí)利用不同方案間的協(xié)同作用，可以加快目標物的降解。③針對光催化和生物法的耦合作用進行重點展開，分別進行先光催化后生物處理分步耦合法，光催化和生物技術(shù)同步耦合法這兩種策略，特別是在分步耦合法中，通過控制光催化時間來嘗試分步耦合帶來的不同降解效果，進一步從側(cè)面體現(xiàn)出同步耦合法的優(yōu)越性。

3.3 大型分析儀器的綜合使用——培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)問題的探究能力

傳統(tǒng)的涉及大型分析儀器的實驗教學(xué)過程中，由于儀器數(shù)量的限制，通常只用來做演示實驗，很難保證每個學(xué)生能獨立操作。即便學(xué)生可上機操作，也僅是按部就班地進行儀器使用和簡單的結(jié)果驗證，缺少對包括樣品預(yù)處理、測試方法建立和數(shù)據(jù)分析在內(nèi)的整個測試過程技巧的培養(yǎng)［13-14］。在本實驗中，我們強調(diào)對大型分析儀器的綜合使用，利用儀器開展創(chuàng)新性和設(shè)計性的工作，培養(yǎng)學(xué)生對實驗中所遇到科學(xué)問題的探究意識。

本實驗中所用的大型分析儀器包括兩個部分，第1部分主要涉及材料的結(jié)構(gòu)表征，第2部分用于降解過程中目標物、中間產(chǎn)物及最終產(chǎn)物的分析。這里要求學(xué)生掌握每一個大型分析儀器表征樣品的目的，以及它們體現(xiàn)出材料哪些方面的性質(zhì)，比如SEM、TEM、

XRD、紅外光譜儀、比表面積孔徑孔容分析等；能闡明材料的微觀結(jié)構(gòu)對其宏觀性能的影響，基于表征得到的微觀結(jié)構(gòu)推測材料的功能性，使學(xué)生真正理解“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的關(guān)系［15］，如比表面積測試中，由于多孔SiO2的存在，樣品呈現(xiàn)出大比表面積，可以吸附更多的目標物質(zhì)，但由于TiO2的引入，比表面積值會下降，這是因為SiO2的部分孔道會被TiO堵塞。在第2部分，通過對高效液相色譜儀、離子色譜儀和總有機碳/總氮分析儀等儀器的使用，要求學(xué)生熟練掌握每臺儀器的工作原理、樣品預(yù)處理方法、操作方法及分析方法的建立，科學(xué)準確地分析出苯并三唑廢水降解過程中的各種成分的變化情況。

4 實驗的教學(xué)組織安排

在整個實驗教學(xué)的過程中，考慮到大型儀器的數(shù)量和使用時間的限制，為了能夠更好地達到教學(xué)設(shè)計的目的，使學(xué)生在單位時間內(nèi)真正學(xué)到更多的知識，對實驗時間和相關(guān)操作步驟進行了優(yōu)化，整個實驗采用“分組分階段”完成，具體的實驗進度及安排參見表1。

表1 課程進度及安排表

本實驗內(nèi)容涉及面廣，考慮到常規(guī)課堂的實驗學(xué)時有限，為了使學(xué)生更好地從感性認識角度了解實驗原理和過程，本課程制作了微視頻可供學(xué)生預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)。同時采取了PBL［16］和翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)模式，教師只需對關(guān)鍵知識點進行針對性講解，這樣可發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高了學(xué)生的參與度和自主學(xué)習(xí)能力，對整個實驗的進展可更好地進行把控。

另外，考慮本實驗面對的是化學(xué)類的學(xué)生，在實際實驗內(nèi)容和時間安排上，側(cè)重點更偏向于化學(xué)及材料類知識，而涉及到其他學(xué)科的相關(guān)內(nèi)容會做相應(yīng)的簡化調(diào)整。

實驗結(jié)束后，要求學(xué)生整理所得實驗數(shù)據(jù)并分析，歸納總結(jié)實驗結(jié)果，最后按照科研論文的格式進行撰寫研究型實驗報告，讓學(xué)生了解并掌握科研論文的框架結(jié)構(gòu)——摘要、前言、實驗部分、結(jié)果與討論和結(jié)論，鍛煉學(xué)生科研論文的寫作能力。

5 結(jié) 語

本實驗是一個典型的學(xué)科交叉型的研究型綜合化學(xué)實驗，實驗內(nèi)容涵蓋了化學(xué)、材料、微生物、環(huán)境和工程等多門學(xué)科，涉及多種大型分析儀器的操作和使用，充分體現(xiàn)出多學(xué)科的相互交叉與融合。在整個實驗教學(xué)過程中，學(xué)生的寬基礎(chǔ)和綜合科學(xué)思維能力得到了鍛煉，符合新時代背景下培養(yǎng)多學(xué)科交叉的創(chuàng)新型人才的教學(xué)理念。實驗內(nèi)容可進一步補充和拓展，作為大學(xué)生的創(chuàng)新實驗項目或畢業(yè)論文課題繼續(xù)完善。作為試點，本實驗安排在綜合化學(xué)實驗課程最后一次課進行，目前已有化學(xué)師范和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)各兩屆學(xué)生完成了本實驗，實驗內(nèi)容獲得了學(xué)生的歡迎和認同，教學(xué)效果反饋良好。此外，學(xué)科交叉式的綜合化學(xué)實驗教學(xué)模式仍處于探索階段，需要各學(xué)科教師之間進一步地溝通和合作，完善培養(yǎng)方案，從而促進學(xué)生的全面發(fā)展。