引入前沿科学 培养化学核心素养——以“碳量子点的制备”综合实验设计为例

为培养化学核心素养,让中学生了解前沿科学领域明星材料纳米材料的性质和用途,设计开发了一个基于中学生认知水平的研究型综合实验--碳量子点的制备。以含碳量丰富的生物质材料为原料,通过碳化反应以及多次过滤处理方法制备了一种新型的碳量子点,克服了碳量子点制备所需的高温高压等条件限制,使碳量子点这一新型纳米材料的制备能够在中学化学实验中得以实现,利用荧光灯对碳量子点的荧光性质进行定性表征,并将碳量子点制作成隐形荧光墨水,增加了实验的趣味性和实用性。学生实验证明该综合实验适用于中学化学实验教学和实验能力培养,有助于培养学生的科学探究精神、创新意识和社会责任感。     

川木香水热法一步合成荧光碳量子点及光学性能研究

以中药材川木香原药为碳源，采用水热法一步合成了荧光碳量子点。通过水热法实验条件优化，获得制备荧光碳量子点的最佳实验参数，通过透射电镜(TEM)对荧光碳量子点进行形貌表征，通过X射线光电子能谱分仪(XPS)对荧光碳量子点进行元素组成分析，通过荧光光谱和紫外-可见吸收光谱对荧光碳量子点进行了光学性能研究。结果表明：川木香用量1.00 g,水热反应温度180℃,水热反应时间2.0 h时，制备得到的荧光碳量子点光学性能最佳。荧光碳量子点平均粒径为5 nm,主要含有C元素和O元素，最大激发波长为360 nm,对应的发射波长为420 nm,特征吸收峰为280 nm,量子产率为12.9%。     

基于天冬氨酸与纤维素碳点材料的合成与性能研究

以羟乙基纤维素为碳源,L-天冬氨酸为氮源,通过一步水热合成法制备氮掺杂碳量子点(CDs)材料.利用红外光谱(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、荧光分光光谱仪(FS)和紫外-可见吸收光谱仪(UV-Vis)对产物进行表征分析,研究了不同氮掺杂含量和氧气对CDs的光致发光性能的影响.结果表明:制备得到的CDs材料表面富含O和N原子;掺杂N原子有效提高了CDs的荧光强度,且荧光强度随着激发波长的增大,呈现先增强后减弱的趋势;其中荧光量子产率最高达到27.5%;CDs材料在无氧环境下的荧光强度要比有氧环境下的大,表明氧气的存在对碳量子点材料表面荧光有猝灭作用.     

以太西煤为碳源合成碳量子点用于铁离子检测的研究

以太西煤为碳源,采用硝酸氧化法辅助水热合成了具有绿色荧光的碳量子点(CDs)。该量子点具有良好的稳定性和水分散性,平均尺寸为3.64 nm。通过透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、傅立叶红外光谱仪(FTIR)、紫外-可见吸收光谱仪(UV-Vis)、荧光光谱仪等对碳量子点的结构和光学性能进行表征。基于荧光猝灭原理,在最优检测条件下,Fe3+在0.6×10-6~2.5×10-6mol/L及3.0×10-6~21.0×10-6mol/L浓度范围内与CDs的荧光猝灭效率呈良好的线性关系,Fe3+的检出限为6.7×10-7mol/L。     

石墨相氮化碳量子点的简易水热制备和荧光性能

本文以线状石墨相氮化碳(Lg-CN)为原料,在无需强酸加入的情况下,利用简单的纯水中的水热反应成功制得了氮化碳量子点(CN QDs),并利用傅里叶变换红外光谱、X射线粉末衍射、透射电镜、X射线光电子能谱等对所得量子点的形貌和结构进行了表征,进而解释了量子点的形成机理;利用紫外-可见吸收光谱和荧光光谱对其光学性质进行了研究。结果发现,所制备的CN QDs具有良好的光学性能,其荧光光谱不仅与激发波长有关,荧光发射位置和强度还受溶液pH的影响,在pH为7时,荧光强度最大。此外,Fe~(3+)对CN QDs的荧光具有良好的猝灭效果,可用于Fe~(3+)的选择性测定。该工作为CN QDs的制备提供了一种新的方法,既可避免繁琐的操作,也可避免强酸等的使用带来的危害。     

对溶剂具有自旋交叉响应金属-有机框架材料的制备及性能研究综合性实验

推荐一个综合性化学实验——对溶剂具有自旋交叉响应金属-有机框架材料的制备及性能研究综合性实验,实验内容包括金属-有机框架材料的扩散法制备、单晶结构的测定、粉末X射线衍射的表征、磁学性能测试。该实验内容丰富,包含具体合成、仪器操作、数据处理等基本科学研究核心内容,可以作为载体使学生进行自主学习并提升相关学习积极性。     

枫树叶荧光碳量子点的合成及其传感性能研究

以枫树叶为原料,硼氢化钠为还原剂,利用水热法合成了一种新型的荧光碳量子点CQDs-fsy。利用XRD,TEM和FT-IR对碳量子点的结构进行了表征,利用紫外和荧光光谱仪研究了该碳量子点的光学性质,该荧光碳点的荧光量子产率为5.60%,最大激发波长为348nm,最大发射波长为428 nm。该碳点具有规则的球形分散结构;平均粒径为5~10 nm;表面富含羧基,氨基和羟基官能团;该碳点在水溶液中对Hg~(2+)具有专一识别能力,线性范围为5.00×10~(-7)~1.55×10~(-5)mol/L,线性方程为y=-10.37 x+337.24,R~2=0.996,检出限为2.01×10~(-8)mol/L。     

农业院校研究创新性化学实验的设计——绿色水热法快速制备荧光碳点

结合农业院校特色和应用化学类专业特点,将科研成果转化为实验教学内容,设计"绿色水热法快速制备荧光碳点"的创新性化学实验。通过本实验项目,学生可了解水热法和碳点相关制备方法及表征技术,掌握透射电镜、荧光光谱仪等大型仪器的结构、原理及操作技能,增强学生的基础知识和实验技能;同时将当前的研究热点引入到实验教学中,激发了学生的探究心理与学习热情,开阔了学生视野,有利于培养学生发掘身边可用资源的科研思维和创新实践能力,提高了学生解决实际问题的能力,开启了农业院校研究型创新化学实验教学模式的新思路。     

石墨烯量子点荧光开关综合实验的设计

以柠檬酸为原料通过脱水缩合的方法合成荧光石墨烯量子点,结合透射电镜、红外及荧光光谱仪对其结构、组成及性能进行表征,并利用过渡金属离子与石墨烯量子点之间的电子转移作用、乙二胺四乙酸与金属离子之间的络合作用使其发生荧光淬灭与恢复,实现石墨烯量子点荧光“关”与“开”的设计,并总结出过渡金属离子电子结构与荧光开关之间的作用规律。将实验教学与前沿研究紧密结合,涵盖了材料合成、表征和性能研究等3方面的内容,内容丰富、综合性强,有利于培养学生的科研素养与实验技能,并提高其分析问题、解决问题的能力。     

研究型综合化学实验设计:碳量子点的制备及其在叶酸检测中的应用

以高校创新型人才培养为目标,设计了一个研究型综合化学实验。以柠檬酸和尿素为原料,通过水热法制备了发射强烈蓝色荧光的碳量子点,表征了其紫外-可见吸收光谱和荧光光谱,进一步研究了该碳量子点在叶酸的检测中的应用。本实验涉及纳米材料制备、表征及应用相关知识,适合作为高年级本科生的研究型综合化学实验,有助于激发学生的研究兴趣和培养学生的科研思维。     

医学专业学生中开展医用化学设计性实验的探索

为适应学科发展和培养应用型人才的需要,探索了在医学生中开展医用化学设计性实验“底物的合成及NAG酶的含量测定”。实验内容包含尿中NAG酶的临床应用、底物的合成及检测方法的建立等,涵盖酶学、有机化学、无机化学、分析化学等多个学科的基本理论知识与实验技能。实验内容又与医学专业紧密联系,把理论知识与临床检验相结合,综合培养了学生的科学素养、思维方法、技术应用能力和综合能力。     

高分子化学实验教学的初步探索

主要从四个方面介绍了我校在高分子化学实验教学过程中所做的初步探索:第一,加强实验教学环节,对验证性实验进行改进,设法提高学生对于实验的兴趣和实验教学效果;第二,改革传统的高分子化学实验教学的模式和教学内容,将高分子化学、高分子物理和成型加工所学知识有机结合起来,开设综合性高分子实验课程;第三,紧密结合本校教师科研情况,开设研究创新性实验,并开设第二课程,鼓励学生利用课余时间参与教师的科研,以培养学生独立分析问题、解决问题的能力;第四,结合本校实际情况,适量开设微量、半微量实验。     

本科化学专业实验教学模式的改革与实践

以培养学生的创新思维和实践能力为目标,对本科化学专业实验课程体系与内容进行了全面改革。将化学学科中传统的无机化学实验、有机化学实验、分析化学实验、物理化学实验4大实验的内容设计优化成基础实验、综合设计实验、研究创新实验3个实验模块,搭建了基础型、提高型、创新型3个能力训练层次和1条毕业设计/专业实习能力训练主线,构建了具有地方本科院校特色的化学专业 “331”实验课程新体系,实现了课程结构的模块化,实验内容的层次化和教学科研的一体化。实践证明,通过改革与实践激发了学生的学习兴趣和主动性,动手能力、分析问题和解决问题的能力都有一定程度的提高。     

有机化学实验教学内容的绿色化改进

绿色实验教学由于其低能耗、低污染和低毒害等特点而日益受到重视。分析了目前有机实验教材和实验课程的现状,指出绿色化研究应该集中于制备实验的改进,建议教学中的制备反应不仅要符合绿色化学的12项原则,还必须具备试剂绿色廉价、反应时间较短和体现有机合成新技术等3个特征,推荐了几类代表性的绿色有机制备反应。     

化学化工虚拟仿真实验教学中心建设与实践

为了有效解决化学化工类实验教学无法或者难以实现的教学过程问题,组建了黑龙江大学化学化工虚拟仿真实验教学中心,搭建了辅助虚拟实验教学和管理于一体的开放共享的虚拟仿真信息化网络平台,设计开发了系列化工、制药、仪器类虚拟仿真实验教学项目,开展理论课+线下实验课+虚拟仿真实验+慕课四维课程体系建设,期望提升本科一流专业和拔尖人才试验班建设以及本科人才培养,为提高学校本科教学质量提供有力的保障。     

思想实验及其对化学仿真实验教学的启示

思想实验作为一种研究方法和阐明科学理论的表述方法,广泛应用于各个学科。其基本特征为:思想实验是在头脑中进行的实验,具有非实际的可操作性;思想实验,全凭思维中的抽象形式和抽象运动展开,具有严密的逻辑性;思想实验是人们在长期实验的经验基础上的产物,具有实践性。在化学教学中,随着信息技术的发展,仿真实验逐渐被教学一线所接受。考察仿真实验的相关研究和思想实验的特征可见:仿真实验具有思想实验的特质,仿真实验可视为思想实验在化学实验教学领域的特定表现。有限度地使用仿真实验,有利于促进化学教学手段的现代化和化学实验观念的更新。但仿真实验不能承载所有的实验教学功能,搞好仿真实验教学需以真实场景的实验教学为基础。     

二氧化碳系列实验的创新改进

在复习课中,设计了综合实验装置,能够完成二氧化碳的制取,二氧化碳与水反应生成碳酸,碳酸具有不稳定性,二氧化碳一般情况下不可燃、不助燃及密度比空气大,二氧化碳与澄清石灰水反应的系列实验。实验器材普通,操作简单,现象明显,可用于多个平行班的实验演示和探究。     

无机化学实验教学中的几点尝试

针对无机化学实验教学中存在的学生实验操作不规范、理论联系实际能力不足、学习兴趣不大等问题,提出了在实验教学过程中,以强化规范实验操作、培养良好实验习惯为教学目标,同时通过实验设计、趣味化学实验、举办优秀作品展示等活动,提高学生理论联系实际的能力及对无机化学实验课程的学习兴趣。     

氨气喷泉实验的一体化设计

改进了氨气的喷泉实验装置设计,优化了试剂用量,将氨气生成与喷泉实验融为一体,使其操作简单,实验成功率高,而且能在3 min内完成。     

铝热反应实验的微型化设计

分析了教科书中铝热反应演示实验设计存在的问题,基于微型实验设计理念,对铝热反应实验装置和引燃剂进行了改进,实现了实验药品用量少、成功率高、绿色环保的目的。