“溶膠制備及性質研究”精品實驗建設與探索

范海明， 耿 杰， 孫銘勤， 王增寶， 康萬利

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

創新是一個國家和民族發展的動力和源泉，高等院校在培養創新型人才方面起著重要的作用。現代社會對人才的需求，并非局限在對理論知識的掌握，而是更加注重人才的創新實踐能力[1-3]。實驗教學在培養大學生創新能力方面有著特殊的優勢，但是目前大多數實驗教學內容陳舊，重理論，偏驗證，缺乏對學生創新能力的培養。通過改革實驗教學，建設精品實驗項目，增設創新研究性實驗,激發學生對未知內容探索的興趣，掌握基本的研究方法，這是提升大學生創新研究能力的重要途徑[4-8]。創新研究性實驗教學，需要提供給大學生發揮創新能力的條件。“溶膠制備及性質研究”實驗教學內容涉及油田化學、油層物理和應用物理化學等多門課程的相關知識，并與油田污水處理以及采出液破乳等實際問題緊密相連，在現有實驗基礎上引入Zeta電位儀，增設創新研究性和拓展性實驗內容，改變傳統實驗教學模式和考核模式，將探索性和創新性的理念貫穿于整個實驗，對培養學生動手能力與創新研究能力都起到積極的促進作用，為學生今后從事石油工程以及化學工程專業相關工作奠定基礎。

1 創新研究性精品實驗內容建設

1.1 增設研究性實驗內容

精品實驗項目建設的關鍵在于對實驗內容的設置和改進，以達到在對知識傳承更新與擴充的同時培養學生創新研究能力的目的。這其中最為核心的是對實驗內容的設計[9]。“溶膠制備及性質研究”實驗原有的主要內容是制備AgI溶膠，通過電泳實驗觀察溶膠界面移動情況，計算溶膠的Zeta電位。實驗內容相對固定，缺乏創新性，因而增設研究性實驗內容，學生自己設計實驗方案，經與教師討論和審核后開始實驗。

(1) 增設無機電解質、有機聚電解質、帶相反電荷的溶膠等對所制備的溶膠穩定性的影響實驗。這是由于溶膠體系的Zeta電位影響溶膠穩定性，Zeta電位越大，粒子之間靜電斥力越強，體系越穩定。加入無機電解質會降低溶膠體系的Zeta電位，減弱粒子之間靜電斥力，進而削弱膠體的穩定性，引起溶膠的聚沉。相比于無機電解質，有機聚電解質的高分子鏈段還可以通過橋聯作用結合幾個膠體粒子，帶著多個膠體粒子同時運動，這會增強有機聚電解質的絮凝作用和聚沉效果。此外，帶有相反電荷的兩種溶膠體系會發生電性中和，引起聚沉[10]。因此，通過增設無機電解質、有機聚電解質、帶相反電荷的溶膠等對所制備的溶膠穩定性的影響實驗，可以引導學生分析無機電解質、有機聚電解質、帶相反電荷的溶膠等對溶膠穩定性的影響規律，并在實驗的基礎上分析溶膠的聚沉機制。

圖1所示為學生設計的加入無機電解質NaCl、有機聚電解質聚丙烯酰胺、反電性Fe(OH)3溶膠前后，黏土溶膠穩定性的對比實驗結果。學生們不僅能夠通過詳細觀察體系的聚沉量、聚沉速度、分層體積等表征黏土溶膠的穩定性，而且能夠設計實驗考察不同濃度的同一物質、相同濃度下不同物質對溶膠穩定性的影響規律。觀察實驗現象是科學研究的重要手段，通過仔細觀察才能進一步分析原因。因此，該實驗內容可以提高學生觀察能力和對比分析能力，掌握正確的觀察方法，確保觀察的全面性和準確性，為進一步分析實驗結果做好準備工作[11-12]。

a.加入NaCl無機電解質b.加入聚丙烯酰胺溶膠

c.加入不同濃度反電性Fe(OH)3溶膠

圖1 加入不同溶膠前后,黏土溶膠穩定性對比實驗

(2) 提供Zeta電位儀。原實驗中通過界面移動測量Zeta電位的方法非常費時，因此為學生提供了Zeta電位儀(見圖2)，這樣學生能夠非常方便地測量溶膠體系的Zeta電位。同時，增設無機電解質、有機聚電解質、帶相反電荷的溶膠等對溶膠Zeta電位影響的研究性實驗。①可引導學生測定加入不同濃度無機電解質、有機聚電解質、帶相反電荷的溶膠體系的Zeta電位，建立Zeta電位大小與溶膠穩定性的變化關系，分析靜電斥力對溶膠的穩定作用；②可引導學生通過查閱資料明確Zeta電位分析儀的測量原理，結合電泳實驗觀察溶膠界面移動計算Zeta電位的實驗方法和結果，分析不同測量Zeta電位方法的適用范圍、測量誤差來源，培養學生根據實驗目的選擇合適、簡便實驗方法的能力。

圖2 Zeta電位分析儀

(3) 增設溶膠制備和穩定性原理在油田化學中的應用相關實驗內容。這是由于溶膠制備和穩定性研究是解決油田污水處理、采出液破乳脫水、泡沫流體穩定性、鉆井液體系穩定性等石油與天然氣工程應用實際問題的理論和實驗基礎。例如，引導學生在黏土溶膠中加入原油，混合后得到均勻的油水乳狀液模擬油田污水，在其中加入無機電解質、有機聚電解質等污水處理劑，觀察油滴聚并上浮，黏土顆粒絮凝沉降，最終實現污水除油的過程。該部分實驗內容學生可以研究無機電解質、有機聚電解質等污水處理劑類型和濃度對模擬污水的凈化效果，更好地貫穿“溶膠制備及性質研究”的所有實驗內容。因此，通過增設與實驗主題相關的石油與天然氣工程實際應用實驗，可以培養石油工程專業學生將理論知識與油田應用實踐緊密結合，應用于解決現場實際問題的能力，有效提升學生的研究能力，激發學生的創造性思維[13-15]。

1.2 增設開放拓展實驗

因課堂時間有限，學生實驗能力有差異，設置拓展實驗，提供必要的實驗條件，讓學生根據個人情況，預約參與開放拓展實驗。例如，教師預先提供多種可選擇的無機電解質，如KCl，MgSO4，Al(NO3)3等，由學生設計相關實驗方案，經教師審核，研究不同電解質對溶膠體系Zeta電位的影響。由教師提供油田采出乳狀液以及多種電解質和常用破乳劑等，由學生設計相關實驗方案研究不同電解質和破乳劑對油田采出乳狀液的穩定性影響和破乳效果。只要學生預約的實驗內容與“溶膠制備與性質研究”的主題相關，教師應該盡可能提供相關實驗材料和理論指導，協助學生完成拓展實驗內容。通過開放拓展實驗的設置，可以進一步提高學生的創新研究意識，培養學生實踐操作、分析問題和解決問題的能力。

2 精品實驗教學模式和考核模式建設

2.1 以學生為中心的創新研究性實驗教學模式

傳統實驗教學模式，主要是教師講解實驗原理、操作步驟和注意事項，并進行相關步驟的演示之后，學生再按教師預設的實驗程序動手實驗。過程中學生缺乏主觀能動性，分析問題和解決問題的能力沒有得到有效的鍛煉。創新研究性實驗教學模式下，以學生為主，自主設計與完成實驗。為了自主設計出實驗方案，學生要學會使用圖書館、網絡和各種數據庫查閱文獻，理解實驗內容相關的理論知識，掌握溶膠制備的主要方法和相關性質及其影響因素。方案初步設計后，學生將自己設計的方案與教師進行交流。確定最終方案后,學生自主進行實驗,這就要求學生應積極參與實驗，對實驗數據和結果有一定的預判，提高實驗學習的熱情和主動性[16-18]。針對部分實驗儀器昂貴，臺套數較少的情況，采用分組合作方式，組間組內分工合作，有利于培養學生團結合作精神[19-20]。實驗結束后，通過小組討論，整理、分析數據，撰寫論文，增強學生自主學習、分析問題和解決問題的能力，使學生系統地學習到研究方法，提高創新能力。

2.2 課內實驗與開放實驗相結合

創新研究性實驗具有綜合性、設計性、探索性的特點，涉及到多門基礎和專業課程，需要對實際問題和未知問題進行深入探索， 需要學時較長。因而采用課內實驗與課外開放實驗相結合的方式，可以有效緩解有限課時與學生渴望拓展探索之間的矛盾。學生在課內時間進行溶膠的制備、溶膠Zeta電位的測量、溶膠穩定性的影響實驗。無機電解質、有機聚電解質、帶相反電荷的溶膠等對膠體Zeta電位影響的研究性實驗，以及溶膠穩定性原理在油田化學中的應用相關實驗內容通過開放實驗來實現，學生根據自己可分配的時間，通過實驗中心網絡平臺預約開放實驗，從而完成對該部分內容的探索研究[21-23]。

2.3 多元考核方式

傳統實驗教學多為驗證性實驗，考核方式主要以出勤和實驗報告為主，忽視了對前期準備、實驗過程及結果分析的考核。創新研究性實驗教學有別于傳統實驗教學，因而考核方式也應是全方位和多元化的，需要囊括出勤、前期預習、文獻資料查閱、實驗方案設計，以及實驗過程中對儀器的選擇能力、團結協作、分析和解決問題的能力。后期實驗總結也不能是簡單的記錄數據，而應按照科技論文的寫作，以體現出實驗者對理論知識的掌握水平，對實驗現象和實驗數據的分析，對研究過程的理解和思考。多元考核模式也避免了學生抄襲實驗報告，忽視預習、實驗過程和結果討論與分析等問題，進而改變學生被動學習的狀況。“溶膠制備及性質研究”的創新研究性實驗具體考核標準為：預習包括查閱文獻資料和設計實驗方案占20%，實驗過程中選擇儀器能力和團結協作占10%、分析和解決問題的能力占10%，實驗操作占30%，實驗論文占30%[24-26]。

3 結 語

在秉承原有實驗內容的前提下，增設研究性和拓展性實驗環節，更新實驗技術手段，改變傳統教學模式，健全考核方式，使得“溶膠的制備及性質”實驗通過精品實驗建設更好地貫穿探索性和創新性的教學理念，實驗項目也更具延展性和生命力，提高學生自主實驗興趣與科學研究積極性，利于培養科研素養和創新精神，符合當今社會發展對人才的發展需要。