基于本科生科研創(chuàng)新能力的探究型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

靳 明, 王獻(xiàn)玲, 韋麗紅, 閏明濤, 劉 磊, 白國(guó)義,楊瑜濤

(1. 河北大學(xué) 化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 河北 保定 071002； 2. 河北大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河北 保定 071002)

培養(yǎng)具有一定科研創(chuàng)新能力的人才是當(dāng)前高等教育的戰(zhàn)略目標(biāo),也是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的必然要求,因此,培養(yǎng)本科生的科研能力和創(chuàng)新能力具有重要意義[1-4]?？蒲袆?chuàng)新能力是建立在一定的綜合素質(zhì)與能力基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)科學(xué)的訓(xùn)練獲得的。組織、鼓勵(lì)、指導(dǎo)本科生參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、科研課題和各種創(chuàng)新競(jìng)賽等,已成為高素質(zhì)科研創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效途徑[5-10]。

針對(duì)我校環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中綜合性和探究性實(shí)驗(yàn)比例偏低的現(xiàn)狀,為提高學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的興趣,培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力,設(shè)計(jì)了綜合探究性實(shí)驗(yàn)——生活固體廢棄物制備活性炭及吸附性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)。該綜合實(shí)驗(yàn)以活性炭制備為導(dǎo)向,學(xué)生自行選擇實(shí)驗(yàn)碳源對(duì)象,在教師指導(dǎo)下,獨(dú)立查閱資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路線、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件、測(cè)試目標(biāo)物性質(zhì),最后相互對(duì)照討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便,通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)操作及對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象性質(zhì)的探索研究,培養(yǎng)本科生獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力,達(dá)到提高本科生科研創(chuàng)新能力的目標(biāo)。此外,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)涉及到多種儀器的使用,如掃描電子顯微鏡、紅外光譜儀、比表面分析儀、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、馬弗爐、微波爐、粉碎機(jī)等,也為學(xué)生提供了諸多學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的必要性

當(dāng)前,隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快和人民生活水平的提高,城市生活垃圾等固體廢棄物也越來(lái)越多。如何消除或合理利用生活垃圾,關(guān)系到人類(lèi)生活環(huán)境和城市的可持續(xù)性發(fā)展?；钚蕴恐苽浞椒ǘ?被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染防治領(lǐng)域,將生活垃圾轉(zhuǎn)化為活性炭去治理污染有重大意義[11-15]。該綜合實(shí)驗(yàn)以探究性為目的,由教師給定方向,學(xué)生自己檢閱文獻(xiàn)、擬定制備條件、設(shè)計(jì)工藝路線,通過(guò)教師審核反饋再優(yōu)化反應(yīng)條件、反應(yīng)物、活化劑等方式來(lái)確保最佳實(shí)驗(yàn)方案。通過(guò)有一定差異的分組實(shí)驗(yàn),來(lái)確保每組學(xué)生獨(dú)立開(kāi)展實(shí)驗(yàn),獨(dú)立解決實(shí)驗(yàn)中碰到的問(wèn)題,進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的好奇心和興趣,提高動(dòng)手和自主解決問(wèn)題能力。各小組成員在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需互相配合,分工合作完成實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)記錄及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。通過(guò)該實(shí)驗(yàn),還可拉近學(xué)生與實(shí)踐研究的距離,消除科研神秘感。由學(xué)生自主參與實(shí)驗(yàn)和獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn),可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)獲得感和成就感,激發(fā)學(xué)生積極參與,發(fā)揮創(chuàng)造能力,最終提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1) 掌握生活固體廢棄物(堅(jiān)果殼、剩飯、水果皮、農(nóng)作物秸稈、樹(shù)葉等)炭化的基本原理,學(xué)習(xí)活性炭制備方法,掌握化學(xué)活化法制備活性炭方法。

(2) 掌握單因素實(shí)驗(yàn)法,了解燒制條件對(duì)活性炭形貌及吸附性能的影響,學(xué)習(xí)馬弗爐、紅外光譜儀、紫外分光光度計(jì)的工作原理及操作技能,了解BET和SEM的工作原理及制樣方法。

(3) 掌握中外文獻(xiàn)查閱方法,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)理論聯(lián)系實(shí)踐的優(yōu)勢(shì),培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作能力；激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣,了解科研發(fā)展方向,提高科研創(chuàng)新思維,培養(yǎng)科研創(chuàng)新型人才。

2.2 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

(1) 實(shí)驗(yàn)試劑。生活固體廢棄物(堅(jiān)果殼、剩飯、水果皮、農(nóng)作物秸稈、樹(shù)葉等)由學(xué)生自備。氯化鋅、氫氧化鉀、磷酸、碘、碘化鉀、硫代硫酸鈉、可溶性淀粉、重鉻酸鉀、結(jié)晶紫、亞甲基藍(lán)、碳酸鈉、碳酸鉀等都是分析純,購(gòu)買(mǎi)于天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。濃鹽酸和濃硫酸,為分析純,從學(xué)院藥庫(kù)領(lǐng)取。

(2) 實(shí)驗(yàn)儀器。馬弗爐(北京中興偉業(yè)儀器有限公司,型號(hào):SX-12-10)、微波爐(美的,型號(hào):M1-L213C)、粉碎機(jī)(天津泰斯特儀器有限公司,型號(hào):FW-100)、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限公司,型號(hào):TU-1810)、恒溫振蕩器(DDHZ-300)、電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒,型號(hào):DHG-9053)、掃描電子顯微鏡(日本Hitachi,型號(hào):S-3400N)、傅里葉變換紅外光譜儀(杭州譜鐳光電技術(shù)有限公司,型號(hào):FT-IR8400)、全自動(dòng)比表面及微孔物理吸附分析儀(美國(guó) Micromeritics,型號(hào):ASAP 2020M)。

2.3 實(shí)驗(yàn)執(zhí)行過(guò)程

2.3.1 編寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告及反饋

(1) 學(xué)生編寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告。各小組學(xué)生根據(jù)自己所選碳源,檢索查閱相關(guān)中英文文獻(xiàn),找到相同或相似制備活性炭方法,編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告,報(bào)告內(nèi)容包括制備條件、實(shí)驗(yàn)試劑及儀器、詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)操作步驟、可能遇到的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施。

(2) 指導(dǎo)教師反饋預(yù)習(xí)報(bào)告。指導(dǎo)教師審閱學(xué)生提交的預(yù)習(xí)報(bào)告,對(duì)其制定的實(shí)驗(yàn)路線進(jìn)行可行性及合理性審核驗(yàn)證,然后反饋給學(xué)生。對(duì)實(shí)驗(yàn)路線不合理的學(xué)生給予指正指導(dǎo),使其修正。最后,學(xué)生根據(jù)提交的預(yù)習(xí)報(bào)告,將實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵因素整合匯總?cè)绫?。對(duì)于實(shí)驗(yàn)方法相近的小組,盡量安排同時(shí)間段實(shí)驗(yàn),便于他們討論實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 各實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)整合表

表1(續(xù))

2.3.2 活性炭制備

(1) 碳源預(yù)處理。如表1所示實(shí)驗(yàn)1,將所選碳源剩米飯根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案用蒸餾水洗滌3次,置于培養(yǎng)皿中,放入110 ℃真空干燥箱烘烤4 h。待冷卻后,用粉碎機(jī)粉碎,用20目不銹鋼篩網(wǎng)過(guò)濾收集,置于干燥器中保存。

(2) 前驅(qū)體浸漬。依據(jù)實(shí)驗(yàn)1設(shè)計(jì)方案,稱(chēng)取3份,每份10 g粉碎過(guò)濾后的剩米飯,按照1∶2.5質(zhì)量比量取45%的濃磷酸,將兩者置入茄形瓶,在磁力攪拌機(jī)上慢速攪拌12 h。攪拌結(jié)束后,抽濾,真空干燥箱干燥4 h,冷卻后收集放入干燥器,待燒制。

(3) 活性炭燒制。坩堝中加入定量浸漬后前驅(qū)體,放入馬弗爐,設(shè)置30 min升溫到特定溫度,并保持相應(yīng)的活化時(shí)間?；罨Y(jié)束后得到固體樣品,待其降到室溫后,用0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液充分洗滌,再用蒸餾水洗滌至中性,然后將洗滌好的樣品放入真空干燥箱干燥,冷卻過(guò)篩(100目)后存于干燥器中,即得到剩米飯作為碳源制備的活性炭。

(4) 用菠蘿皮、松子殼、一次性筷子、芒果核等其他碳源制備活性炭,均依照上述3步驟進(jìn)行,只是不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,所選擇的活化劑類(lèi)型、活化劑濃度、浸漬比、浸漬時(shí)間、活化時(shí)間和燒制溫度不同。

2.3.3 活性炭表征

(1) 紅外光譜的表征。采用FT-IR8400 型傅立葉變換紅外光譜儀掃描背景,溴化鉀薄膜片為空白樣。稱(chēng)取0.01 g 活性炭粉末,0.2 g溴化鉀(活性炭粉末與溴化鉀晶體質(zhì)量比為1:20),將兩者充分混合研磨后加入壓模器,在液壓機(jī)上壓制成薄膜片,放入FT-IR8400型傅立葉變換紅外光譜儀中,在500～4000 cm-1掃描,得到紅外譜圖[16]。

(2) 孔結(jié)構(gòu)。在77.3 K液氮溫度下,通過(guò)N2吸附/解吸附(Micromeritics,ASAP 2020M)測(cè)定。

(3) 掃描電子顯微鏡。將活性炭粉末置于黑色導(dǎo)電膠上,在掃描電子顯微鏡(Hitachi,S-3400N)上進(jìn)行表征分析,觀察形貌。

2.3.4 活性炭吸附性能測(cè)試

(1) 繪制標(biāo)線。分別取20 mg/L的亞甲基藍(lán)0.00、1.00、3.00、5.00、7.00、9.00 mL于25 mL比色管中,用蒸餾水定容至刻度線,蒸餾水作為參比,用石英比色皿在565 nm處測(cè)吸光度值。繪制吸光度與亞甲基藍(lán)濃度(mg/L)的關(guān)系曲線,即標(biāo)準(zhǔn)曲線。

(2) 吸附脫色。稱(chēng)取樣品0.1 g(精確到0.001 g)于250 mL三角瓶中,加入25 mg/L的亞甲基藍(lán)試液100 mL,于恒溫振蕩機(jī)上(25 ℃,110 r/min)振蕩30 min,過(guò)濾。(此組實(shí)驗(yàn)平行做5個(gè))

(3) 測(cè)定。收集濾液,在分光光度計(jì)上于565 nm處測(cè)吸光度值,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線上獲得亞甲基藍(lán)的剩余濃度來(lái)計(jì)算吸附容量。

(4) 吸附量計(jì)算。吸附容量是指在一定溫度和壓力下,用活性炭吸附溶液中的溶質(zhì)時(shí),單位重量的活性炭吸附溶質(zhì)的數(shù)量。按下式計(jì)算:

式中:q—吸附容量,mg/g；V—溶液體積,L；C0—亞甲基藍(lán)溶液初始濃度,mg/L；Ce—吸附平衡濃度,即剩余濃度,mg/L；m—吸附劑用量,g；x—被吸附的溶質(zhì)的質(zhì)量,g。

2.3.5 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,針對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行討論:

(1) 磷酸、氯化鋅和氫氧化鉀的作用是什么？它們有什么不同？

(2) 浸漬前驅(qū)體為什么要攪拌？

(3) 紅外KBr壓片時(shí),樣品量和KBr的質(zhì)量比應(yīng)為多少？

(4) 孔結(jié)構(gòu)測(cè)試時(shí),氮?dú)獾淖饔檬鞘裁矗?/p>

(5) 吸附量的大小和活性炭孔結(jié)構(gòu)有無(wú)關(guān)聯(lián),為什么？

3 實(shí)踐成果

該探究型實(shí)驗(yàn),針對(duì)環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)本科生,在研究與創(chuàng)新實(shí)踐課程中已經(jīng)順利開(kāi)展兩學(xué)期,學(xué)生作為主體參與了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證分析。在兩年實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,取得了一些實(shí)踐成果,主要體現(xiàn)在如下方面:第一,學(xué)生掌握了中外文獻(xiàn)查閱方法,為后續(xù)課程提供便利。經(jīng)統(tǒng)計(jì),在文獻(xiàn)檢閱課程期末成績(jī)中,參加過(guò)研究與創(chuàng)新實(shí)踐課的學(xué)生成績(jī)?nèi)渴莾?yōu)秀,而未參加過(guò)此實(shí)驗(yàn)的學(xué)生,獲優(yōu)秀成績(jī)的不到15%。第二,學(xué)生了解了材料表征的分析技術(shù)、大型儀器的操作方法及制樣要求,意識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的重要性。經(jīng)過(guò)對(duì)制備的活性炭進(jìn)行紅外、SEM、BET、吸光度等表征測(cè)試,學(xué)生意識(shí)到大型儀器操作并不是簡(jiǎn)單的傻瓜式操作,而是需要對(duì)所測(cè)樣品進(jìn)行精準(zhǔn)的前處理,而且制樣方法隨著表征技術(shù)的不同而不同。第三,學(xué)生以本實(shí)驗(yàn)涉及的內(nèi)容為基礎(chǔ),積極申報(bào)各種項(xiàng)目。不到兩年時(shí)間,學(xué)生基于本實(shí)驗(yàn)申報(bào)成功2項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目,其中一項(xiàng)為省級(jí)立項(xiàng)。第四,制備出吸附效果更好,有商業(yè)化可能的活性炭值得期待。學(xué)生目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,菠蘿皮碳源在50%磷酸中浸漬12 h,700 ℃活化2 h制備的活性炭,在亞甲基藍(lán)溶液濃度為25 mg/L,活性炭用量為0.1 g條件下,活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量達(dá)到73.75 mg/g,吸附水平超過(guò)諸多市售活性炭。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該探究型實(shí)驗(yàn)實(shí)踐,本科生掌握了活性炭多種制備方法及原理,將理論知識(shí)與實(shí)踐研究相結(jié)合,獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)了獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力,提高了學(xué)習(xí)獲得感和成就感,激發(fā)出對(duì)科學(xué)研究的興趣,提升了本科生的科研創(chuàng)新能力。