王世革 劉怡云

（上海理工大學(xué)理學(xué)院 上海 200093）

0 前言

化學(xué)學(xué)科是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一門學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化學(xué)教學(xué)過程中必不可少的一個(gè)環(huán)境。通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，從而加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。與高中化學(xué)教育不同，大學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅停留在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力等階段，更是要有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。與經(jīng)過了多次修訂和完善的教學(xué)實(shí)驗(yàn)不同，科研工作所研究的問題是多樣化的，它有賴于科研人員的思考能力與探索精神。在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、國際競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天，科學(xué)技術(shù)是推動(dòng)社會(huì)和國家發(fā)展的一大動(dòng)力。在這一大環(huán)境下，越來越多的本科生加入到教師的科研工作中來。本科生雖未經(jīng)歷過研究生入學(xué)考試的磨礪，知識(shí)儲(chǔ)備、自制力和意志力等可能要弱于研究生，但本科生有著較高的求知欲。[1,2]本科生接受系統(tǒng)的科研訓(xùn)練，將收獲更多的課本上沒有涉及的知識(shí)。在從事科學(xué)研究的過程中會(huì)遇到多種問題，要求學(xué)生自行查閱文獻(xiàn)，分析問題并提出解決問題的途徑。這一過程可以有效地鍛煉本科生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，開闊學(xué)生的視野。

科研實(shí)踐建立在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之上，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生走上科研之路的一塊墊腳石。因此，老師們需要注重基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)啟發(fā)學(xué)生的科研思維，讓學(xué)生從中找到更好的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)方法，為今后的科研實(shí)踐打下良好基礎(chǔ)。在筆者的教學(xué)實(shí)踐中，積累了一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所涉及到的知識(shí)與科學(xué)研究有機(jī)結(jié)合的案例。本文以本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“分光光度法測(cè)定鐵的含量”與科研案例“Fe(III)@WS2-PVP納米膠囊降解”結(jié)合為例，探討實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)研究之間的聯(lián)系，論證注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)與提升本科生科研素養(yǎng)和教育教學(xué)質(zhì)量的關(guān)系。

1 分光光度法測(cè)定鐵的含量

“分光光度法測(cè)定鐵的含量”是我?！镀胀ɑ瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)》開設(shè)的實(shí)驗(yàn)之一。這一實(shí)驗(yàn)利用亞鐵離子（Fe2+）在pH=3-9 之間時(shí)與鄰菲羅啉發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)生成橙紅色絡(luò)合物，此絡(luò)合物的吸光度與濃度的關(guān)系符合朗伯比-爾定律?；诖?，在測(cè)定水樣中鐵含量時(shí)，首先用還原劑維生素C將水樣中的Fe3+還原為Fe2+。然后，用鄰菲羅啉作為指示劑，通過紫外-可見分光光度計(jì)（或紫外-可見光譜儀）測(cè)量吸光度，計(jì)算得到水樣中的鐵含量。鄰菲羅啉測(cè)定鐵（亞鐵）的含量的原理如下：在pH=3-9 時(shí)，鄰菲羅啉與 Fe2+生成穩(wěn)定的橙紅色絡(luò)合物。該橙紅色絡(luò)合物的吸光度與濃度的關(guān)系符合Lambert-Beer 定律A=ECL。改式中A是吸光度值，E 為摩爾吸光系數(shù)，C 為待測(cè)液中Fe2+濃度，L 為液層厚度。本部分的具體操作步驟如下：

1.1 Fe2+濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

本實(shí)驗(yàn)首先需要學(xué)生配制一系列濃度的鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液。然后，將此標(biāo)準(zhǔn)溶液與過量的維生素C 混合均勻，再加入少量的鄰菲羅啉指示劑。靜置一段時(shí)間，溶液顏色變?yōu)槌燃t色。以蒸餾水作為參比溶液，用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)量該橙紅色物質(zhì)的最大吸收波長(zhǎng)（max）為505 nm。最后，分別測(cè)定不同濃度Fe2+溶液在 = 505 nm 處的吸光度，以吸光度為縱坐標(biāo)，鐵的濃度為橫坐標(biāo)，繪制吸光度-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線。此標(biāo)準(zhǔn)曲線也是分光光度法測(cè)定鐵的含量的工作曲線。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)合所測(cè)定未知樣品在max= 505 nm 處的吸光值，即可得到Fe2+的度。

1.2 試樣中鐵含量的測(cè)定

取一定量待測(cè)水樣，加入足量維生素C，按繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線的操作，測(cè)得水樣在 = 505 nm 處的吸光度值，由標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到相應(yīng)的鐵含量。做三組平行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出水樣中鐵的濃度（取三組平行實(shí)驗(yàn)的平均值）。

通過本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，讓學(xué)生掌握鄰菲羅啉分光光度法測(cè)定微量鐵的原理和方法，學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制及使用。近期，我校本科生將該實(shí)驗(yàn)中測(cè)定鐵（亞鐵）含量的方法運(yùn)用到科學(xué)實(shí)踐中，解決了實(shí)際操作中遇到的問題，并以第一作者身份在《Advanced Functional Materials》期刊上發(fā)表了學(xué)術(shù)論文。[3]在這一研究論文中，首先通過水熱法制備了Fe(III)@WS2-PVP（Fe(III)：三價(jià)鐵，PVP：聚乙烯吡咯烷酮）納米膠囊。在此納米膠囊中，WS2會(huì)與 Fe(III)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成 Fe2+和 WO42-。Fe2++可以和腫瘤微環(huán)境中過量的H2O2和H+發(fā)生芬頓反應(yīng)生成Fe3+和強(qiáng)氧化性物質(zhì)（·OH）。利用·OH 的細(xì)胞毒性，實(shí)現(xiàn)了納米膠囊對(duì)腫瘤的化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療。新生成的 Fe3+再次與納米膠囊中WS2反應(yīng)，促成了納米膠囊的降解。本研究中，一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題即驗(yàn)證Fe(III)@WS2-PVP 降解產(chǎn)生了Fe2+，以解釋Fe(III)@WS2-PVP 納米膠囊的降解機(jī)制。在“分光光度法測(cè)定鐵的含量”實(shí)驗(yàn)中所學(xué)到的知識(shí)為解決上述關(guān)鍵科學(xué)問題提供了借鑒。

2 Fe(III)@WS2-PVP 納米膠囊降解產(chǎn)物中Fe2+的確定

2.1 Fe2+濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線

“Fe(III)@WS2-PVP 納米膠囊降解”實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制方法與“分光光度法測(cè)定鐵的含量”實(shí)驗(yàn)一致。此標(biāo)準(zhǔn)曲線也是Fe2+的含量測(cè)定的工作曲線。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)合降解溶液在max=505 nm 處的吸光值，即可得到Fe2+的度。

2.2 維生素C 還原劑的應(yīng)用

維生素C 作為一種還原劑可以有效地防止Fe2+的氧化。在“分光光度法測(cè)定鐵的含量”和“Fe(III)@WS2-PVP 納米膠囊降解”實(shí)驗(yàn)中維生素C 都需過量，否則會(huì)存在著部分Fe2+被氧化為Fe3+的現(xiàn)象。若維生素C 用量不足，雖然添加鄰菲羅啉后溶液仍可以呈現(xiàn)橙紅色，但檢測(cè)出的Fe2+濃度將低于實(shí)際值。此外，F(xiàn)e2+濃度的測(cè)定還會(huì)受其他因素影響，如溶液的酸堿度會(huì)影響組分的溶解度，溶液配制過程也會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差等。這啟發(fā)了學(xué)生必須以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待科研實(shí)踐中的各種影響因素，需要全面考慮問題，根據(jù)實(shí)際情況擬定最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件，以控制誤差。[4]通過控制誤差，還可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。

2.3 降解過程中產(chǎn)生Fe2+的驗(yàn)證及其含量的測(cè)定方法

Fe (III)@WS2-PVP 降解的原理是通過用鄰菲羅啉顯色反應(yīng)監(jiān)測(cè)Fe2+的產(chǎn)生來確定的。將鄰菲羅啉與溶解于PBS 溶液或弱酸性檸檬酸鹽換成溶液（CBS）中的Fe(III)@WS2-PVP 混合，置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中持續(xù)培養(yǎng)12 小時(shí)。隔一定時(shí)間用紫外-可見光譜儀分別測(cè)定反應(yīng)生成的橙紅色絡(luò)合物的吸光度。結(jié)果表明：隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，混合溶液的吸光度增大，證明有Fe2+持續(xù)不斷地生成；培養(yǎng)時(shí)間相同，CBS 混合溶液的Fe2+的吸光度更高，證明弱酸性環(huán)境可以加速Fe(III)和WS2之間的氧化還原反應(yīng)。

課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。與課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)不同，科研實(shí)踐更加考驗(yàn)學(xué)生考慮問題的細(xì)致程度和全面程度，注重學(xué)生的過程培養(yǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作速度要求不高?？蒲袑?shí)踐對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的要求較高，要求學(xué)生能對(duì)特定的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行有效的論證。另外，還需要設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)和平行實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度并減小誤差?？茖W(xué)研究是一個(gè)不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程，學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)深入探究問題的本質(zhì)。這一過程不僅可以激發(fā)學(xué)生的科研興趣，塑造學(xué)生的科研能力，還能有效加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，有效地培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力，提高本科教育教學(xué)質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過將教學(xué)實(shí)驗(yàn)“分光光度法測(cè)定鐵的含量”與“Fe(III)@WS2-PVP 納米膠囊降解”科研案例結(jié)合，不僅有效地幫助學(xué)生掌握了課堂所學(xué)的理論知識(shí)，還激發(fā)了學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣，塑造了學(xué)生的科研能力。本科生參與科研實(shí)踐不僅需要他們具有很高的時(shí)間管理能力，更需要學(xué)校和老師的重視和支持?，F(xiàn)階段的高等教育依然以課堂教學(xué)為主，雖然很多高校都設(shè)置了本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，但依然難以讓更多的本科生參與到科研實(shí)踐中去。因此，高校教育工作者應(yīng)該重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中受到啟發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升學(xué)生的科研素養(yǎng)，切實(shí)提高本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。