面向化学类非高分子专业学生的高分子化学实验教学创新与实践——以温敏型高分子的制备、溶液性质、光学性能与应用为例

面向化学类(非高分子)专业的高分子化学实验教学发展较为缓慢,亟需紧跟研究前沿,引入新内容。本文总结了近十年的教学改革经验,并以温敏型高分子的制备、溶液性质、光学性能与应用为例,介绍如何通过实验教学内容、实验技术、教学方法等方面的创新,设计符合理科人才培养需求的、契合时代与科学发展的、被学生喜爱与重视的一系列高分子化学实验,以有效解决培养需求与课业负担之间的矛盾,且在不新增开课、课时有限的情况下,加入到化学类专业本科教学体系中,激发学生对学科领域的兴趣,提升学生的探究和创新能力。

基于两性一度标准的综合化学实验设计——合成卡托普利

本文结合前期解决企业“卡托普利合成”问题的成果,通过合理设计,使实验内容既有基础理论指导下的基础技能的训练,如产品合成中涉及到的过滤、萃取和重结晶等基本操作外,又有科研思维指导下具有挑战度的内容设计,如学生必须充分发挥自己的主观能动性,通过查找资料确定合适的研究方案才能完成的产品鉴定及质量分析。此外,本综合实验创新性地设计了包括产品合成、数据处理、结果分析和讨论等一整套科研思维下的完整实验内容,培养学生科研素养的形成及解决复杂问题的能力,是一个有效对接科技发展前沿、满足两性一度标准的综合化学实验。

基于聚离子液体膜的制备及应用的综合化学实验

针对目前化学实验教学的问题,我们引入了“可控油水分离性能聚离子液体膜”系列实验,包括微波法制备离子液体、光引发离子液体聚合并表征,以及油水分离性能测试等多个模块,符合《化学类专业化学实验教学建议内容》,契合《化学类教学国家标准》。通过本实验,可以巩固学生的化学实验基本技能,提升科学素养和解决复杂问题的能力,并进一步培养学生的创新意识与实践能力。本实验切合本科实验教学,综合性强,涉及高分子化学等多个化学二级学科,效果明显,同时具有较强交叉性和可拓展性,既充分激发学生的创新思维,体会化学的魅力和应用价值,又适合不同层次化学实验教学的需要。

锆基MOF光催化制过氧化氢的综合化学实验设计

为了加强科研成果向实验教学转化和培养学生科研创新能力,设计基于金属有机框架(MOF)材料的光催化制过氧化氢(H_(2)O_(2))综合化学实验。以双氨基功能化联苯二甲酸为配体,四氯化锆为金属盐,苯甲酸为调节剂,通过溶剂热法合成锆基MOF催化剂UiO-67-(NH_(2))_(2)。利用PXRD和UV-DRS对样品结构和可见光吸收性能进行表征。以蓝光LED为光源,探究光源功率、催化剂浓度和反应时间对光催化制H_(2)O_(2)效率的影响。采用罗丹明B为模拟污染物,验证所制H_(2)O_(2)溶液的降解污染物性能。该综合实验涉及MOF合成及表征、仪器测试、数据分析等多个环节,不仅加深学生对化学、材料和环境等多学科基础知识的综合理解,还能激发学生的学习积极性和培养学生的创新能力。

MXene合成、油墨配制及柔性微型超电容丝网印刷制备——推荐一个综合化学实验

为了促进科教融合,将“MXene合成、油墨配制及柔性微型超电容丝网印刷制备”前沿研究转化为高年级本科生综合化学实验。该实验涉及新材料、新器件及新工艺,将化学、材料、电子及能源学科交叉融合,内蕴思政元素,可以培养学生实践能力、探索精神和创新意识,增强其科技报国之心,最终助力培养化学与材料领域德才兼备的尖端人才。

基于科教融合的化学综合实验教学内容探索

将学科前沿、科研成果融入实验教学,充实更新现有的教学内容,对缩小教学与科研距离,提高学生创新能力和培养学生综合素质起着非常重要的作用。通过科教融合,探索并设计了一个研究型综合化学实验教学项目—“氮化硼量子点合成及表征”。实验涉及多学科相关知识点,训练学生综合运用多学科知识分析和解决问题,提升他们的创新思维能力和综合素质。

溶液燃烧法制备长余辉发光材料——介绍一个大学化学综合性实验

介绍了一个长余辉发光材料的制备、表征,及性能测试的大学化学综合性实验。内容包括:尖晶石型碱土铝酸盐发光材料的制备,物相纯度的表征,以及发光性能的测试。本实验安全、简单、迅速,富有观赏性。学生通过本实验可以掌握溶液燃烧的物理化学原理,提高基本实验技能,更重要的是呈现化学之美,激发学生科学研究的兴趣。

铜碘簇合物的制备及荧光检测亚硝酸盐——推荐一个综合化学设计性实验

为培养学生的科研思维及创新能力,加深学生对无机簇合物概念及荧光性能的认识与理解,设计开发了铜碘簇合物的制备及荧光检测亚硝酸盐的综合性实验。利用纳米沉淀的方法合成铜碘簇合物,通过红外光谱、X射线粉末衍射、扫描电子显微镜、紫外光谱、荧光光谱等分析手段对材料进行结构及性能表征,考察材料的荧光及检测亚硝酸盐的性能。结果表明:材料对亚硝酸盐具有高选择、高灵敏检测,检出限为3.73μmol·L^(-1),可作为监测亚硝酸盐的“开‐关”荧光探针。通过该实验,学生不仅对簇合物的结构及荧光分析法检测亚硝酸盐等前沿知识加深理解,还可学习紫外分析仪、荧光分光光度计等仪器的基本原理及操作技能,为将来从事相关科研及工作奠定基础。

前沿科研成果融入综合化学实验——一种稀土金属有机框架的合成及作为荧光探针的应用

将前沿科研成果融入大学化学学科的实验教学环节中,实现学和用的有机结合,既能加深学生对课本理论知识的理解,又可以激发学生从事本专业实践的兴趣和培养学生的创新能力,是培养新时代高素质专业人才的必然要求。在这样的背景下,本文设计了一个将当前化学领域的研究热点之一的金属有机框架融入综合化学实验的案例,该实验包括金属有机框架材料的合成、表征及作为荧光探针的应用三个主要部分,既涉及大量的基础实验操作技能的锻炼,又融入了红外光谱、粉末X-射线衍射、热重分析、荧光光谱等多类现代分析技术,内容上还涉及我国的重要战略资源之一的稀土的应用,以及生态环境保护。除可以系统地培养学生的专业综合能力外,对培养学生的民族自豪感和生态保护素养也具有重要的价值。

变废为宝:以有机玻璃废弃物为原料制备高黏合强度的水基黏合剂——大学化学综合实验设计

本文介绍了以有机玻璃废弃物为原料制备高黏合强度的水基黏合剂的实验方法、黏合剂组成分析及黏合性能研究等内容。本实验可以锻炼学生的合成技能,拓宽学生的化学视野,培养学生的创新思想。同时,教师还可以针对本实验涉及的能源和环境问题对学生进行思政教育,激发学生努力学习,用专业知识为国效力的决心和使命感。

轻质可排阻磁性分子印迹聚合物的制备及选择性分离和检测牛奶中痕量四环素

关注牛奶安全这一国计民生问题,将分子印迹前沿技术引入本科实验课堂,设计了一个综合实验。融合分子印迹、蛋白质排阻、磁性分离等技术制备得到磁性分子印迹聚合物,考察其性能,并以其作为固相萃取吸附剂,结合高效液相色谱,建立直接选择性检测牛奶样品中痕量四环素的新方法。本实验涉及材料化学、分析化学、仪器分析、食品化学等多学科知识,培养学生的科学素养、综合解决复杂问题的能力和创新性思维。印迹材料的设计和磁性分离过程富有创新性和趣味性,整个实验过程成本低廉、易操作、安全性高。通过本实验,学生能够了解分子印迹前沿技术,学习新检测方法的建立,巩固实验基础操作,提高数据采集和分析能力,加深对组分-性能-应用关系的理解。

基于“芳酸结构形貌调控的Zn-MOFs制备表征”构建无机化学综合实验

金属有机框架化合物(MOFs)是有机配体与金属离子或金属簇通过配位键组装而成的具有分子内孔隙结构的有机-无机杂化材料,具有比表面积大、孔隙率高、孔径可调、稳定性好等特征,在催化、能源、药物输送及传感等领域广泛应用。MOFs的物性特征与其形貌及组成密切相关,故形貌调控至关重要。本文以对苯二甲酸、均苯三甲酸、2,6-萘二羧酸为有机配体,以锌离子为金属中心,采用室温沉淀法制备Zn-MOFs纳米材料体系,基于有机配体调控Zn-MOFs形貌。采用扫描电子显微镜表征其形貌,X-射线衍射光谱表征其晶体结构,红外光谱表征化学组成,紫外可见吸收光谱表征其光谱特性,并修饰至玻碳电极表面,构建光电化学界面,考察三种Zn-MOFs纳米材料的光电转换性能。通过该综合实验,有助于延伸无机化学金属配合物之理论基础,拓展光电化学及化学修饰电极知识领域,有利于强化科研创新意识、提升材料制备及表征相关实验技能、建立数据处理与结果分析的思维模式,有助于培养学生立志创新、勇于探索之精神。

产教融合背景下以水蒸气蒸馏制备山苍子油及相关分析的实验教学

以行业人才需求为导向,结合香料行业特点,设计了一个本科综合化学实验教学项目。以廉价、易得的山苍子为原料,采用水蒸气蒸馏法提取山苍子挥发油,并用气相色谱-质谱联用法对其化学成分进行定性、定量分析。通过该综合实验教学,让学生了解掌握天然精油的制备方法,掌握水蒸气蒸馏的原理与方法,GC-MS的结构、工作原理、操作和分析,从而提高其实验操作技能及分析总结能力,为其未来的就业打下坚实基础。

绿色肟化反应的综合实验设计

根据科研成果,针对传统肟化反应中存在的问题设计了一种绿色肟化反应的综合实验,对所用的碱和反应装置进行了改进。首先利用湿法研磨制备可循环利用的高活性纳米碳酸钾,通过激光粒径分布仪,扫描电子显微镜(SEM),CO_(2)-程序升温实验(CO_(2)-TPD)进行表征;然后利用纳米碳酸钾为碱合成α-羟亚胺芳基丙酸酯,通过串联装置实现亚硝酸酯的制备与苄基丙二酸二乙酯的肟化反应同步进行。实验避免了醇钠不能回收、腐蚀设备的缺点,解决了亚硝酸酯易挥发造成的贮存、转运困难、容易污染环境的问题。该综合实验利于学生建立环境友好的绿色化学的理念,提高学生综合能力和素质,培养科研创新思维能力。

综合有机化学实验:三唑并嘧啶类化合物的合成与表征

以3-氨基-5-巯基-1,2,4-三氮唑、溴化苄和乙氧基亚甲基丙二酸二乙酯(EMME)为原料,经过亲核取代反应、缩合反应和水解反应,制备出含羧基及硫醚结构单元的三唑并嘧啶类化合物,并对产物进行结构表征分析。实验操作涉及加热回流、TLC(薄层层析色谱)检测、抽滤和重结晶等,有利于提高学生有机化合物多步合成及波谱解析能力。三唑嘧啶类化合物广泛存在于天然产物和药物中,学习该类化合物的合成不仅能通过实验内容了解社会需求,而且能结合前沿成果及课堂讲授的理论知识,提升实验内容的教学质量,取得良好的教学效果。

综合性高分子化学实验设计:硬质聚氨酯泡沫材料制备与性能表征

针对传统“高分子化学实验”课程教学中,存在综合性、研究性实验项目少,不能支撑“新工科”人才实践和创新能力培养要求等问题,开发了硬质聚氨酯泡沫材料制备与性能表征综合实验项目。采用全水发泡体系,通过调节发泡剂和阻燃剂用量,制备了七组聚氨酯泡沫材料,然后采用国标方法表征了材料的表观密度、压缩强度和氧指数,分析了发泡剂和阻燃剂不同配比对泡沫材料性能的影响及原因。本实验贴近高分子产业发展,突出综合性和研究性,教学过程实现了基本实验技能与科学研究方法训练的有机结合,有助于提升高分子化学实验课程“创新性、高阶性和挑战度”,支撑“新工科”人才培养。

应用化学专业综合化学实验设计的探索——铜纳米线及其透明电极的制备

为提高应用化学专业本科生的实验技能和创新能力,设计了一个铜纳米线的合成及其透明电极制备的综合化学实验。该实验采用乙二醇回流法合成了铜纳米线,并利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对其形貌和结构进行了表征。铜纳米线合成之后,结合麦勒棒涂布法和甘油蒸汽法制备了透明电极,并测试了其光电性能。另外,介绍了实验过程中的反应机理,包括乙二醇还原反应机理、铜纳米线生长机理、甘油蒸汽还原及焊接等。该设计性实验将无机材料的合成、物理化学电学和光学原理、仪器分析的基本理论知识应用于前沿科学研究,有利于学生巩固和应用理论知识,提升实验操作能力,开拓科学视野,培养科研思维和提高创新能力。

介绍一个教学综合实验:聚(联苯-吡啶)合成与膜制备

介绍了一个教学综合实验——聚(联苯-吡啶)的合成与膜材料的制备。以二联苯和乙酰基吡啶为原料,合成了聚(联苯-吡啶)。碱性吡啶基团使膜材料具有良好的磷酸掺杂能力,用作燃料电池的高温质子交换膜。本实验涉及高分子化学、物理化学、有机化学和仪器分析等多学科知识。通过进行实验,学生将对燃料电池用膜电解质有所了解,激发学生的科学研究兴趣和探索热情,并提高学生的综合实验操作能力和知识实践应用能力。

金属有机骨架 MIL-101(Fe)的制备、表征及其对姜黄素的吸附实验

介绍一个以物理化学为主,融合了分析化学和无机化学等学科知识的综合化学实验-金属有机骨架MIL-101(Fe)的制备、表征及吸附性能考察。实验首先合成了具有高比表面积的MIL-101(Fe),然后通过傅里叶红外光谱仪、X射线粉末衍射仪、显微镜等多种技术表征材料的形貌和多孔结构;最后,通过紫外-可见分光光度计考察此材料对姜黄素的吸附性能,探究固-液吸附模式。

基于g-C_(3)N_(4)光催化合成H_(2)O_(2)的本科综合化学实验设计

为提高化学相关专业本科生的综合实验素质,本文设计了基于石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))光催化合成H_(2)O_(2)的综合化学实验。该实验内容丰富,涉及g-C_(3)N_(4)的合成与表征、光催化测试以及数据分析等,要求学生掌握分析天平、管式炉、紫外-可见分光光度计、粉末X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪、电子显微镜等实验仪器以及Jade、Origin等软件的基本操作。该综合化学实验绿色环保、成本低廉,不仅可以加强本科生实验技能,还可培养科学创新精神,激发科研兴趣。