新工科背景下创新人才培养的课程改革探索—以高分子专业实验设计为例

＊吴亚东 王芳 刘丽

（哈尔滨工业大学 黑龙江 150001）

新工科背景下，进一步推进实验教学改革，是对工程教育新理念、人才培养新模式的探索。实验教学作为高校教学工作中的重要模块，是培养高素质复合人才重要的实践环节。实验课程的教学内容与专业课程相比，不仅覆盖课前预习、课堂教学等传统方式，还有学生实验动手实操、课后实验报告等环节，更好地诠释了学生是中心、师生齐参与的核心。高分子科学与工程专业是一门专业性强、系统性强、实验性强的工科专业，专业性质决定了实验技术在本专业教学及科研中的重要地位。《高分子专业实验》是一门工程实践课程，旨在加强理论知识的运用，锻炼实验操作技能、培养解决实际问题的能力。因此结合实际需求，调整教学实验项目，进而提升应用型本科专业教学水平，培养出紧跟时代步伐的创新型人才是高校实验教学的改革方向之一。

随着工业化进程及生态环境的变化，有机污染物造成的水污染已经成为亟待解决的问题[1-2]。目前常用的水处理方法主要有化学法、物理法及生物法[3-4]。其中最常用的物理法主要包括膜分离和吸附剂等分离方法，膜分离方法主要存在成本高、操作复杂等缺点，使其在实际应用过程中存在困难。而吸附法则会克服这些缺点，同时又具备经济环保、操作简便、种类多、可再生等优点，因此被认为是最合适的处理水中污染物的方法[5]。

本文以上述需求背景为切入点，对《高分子专业实验》教学项目进行全新设计。该实验内容新颖，知识点覆盖高分子化学、结构化学、仪器分析、光谱学等诸多课程，涉及文献查阅、产品制备、结构表征、性能测试等化工专业基本操作，帮助学生掌握多种现代化仪器设备操作及数据分析。将此实验引入高分子化学专业综合实验教学体系将有力增强学生的专业知识与实际运用能力，提高学生动手操作能力、科研能力及环保意识。

1.课程简介及设计目标

《高分子专业实验》是高分子材料与工程专业的一门工程实践课程，通过本课程的学习，可使学生掌握高聚物的合成原理、实验操作方法和实验控制方法；学会将理论教学内容与实际应用相结合，加强实际操作能力。目前该门实验课程的基本情况如图1所示。

图1 《高分子专业实验》简介

综合考虑原有课程架构，对其进行课程改革，将图1圈中课程更新成崭新的《轻质气凝胶制备及吸附性能研究》（24学时）。设计实验，通过实操验证所学知识、理论的可靠性及正确性；掌握实际影响因素对实验的作用，更好地理解专业课程中材料加工、改性与性能的关系，加工过程对结构及性能的影响。基于实验的辅助教学，使学生对理论知识的掌握有所提高，加强动手能力的培养，掌握实验技巧和规范操作；使学生在实验和亲自设计、制造中逐渐学会把理论知识运用于生产实践中，培养学生的工程意识，为今后的科学研究和工作打下基础。

2.试验部分

(1)试验试剂

Kevlar 29纤维，杜邦公司；二甲基亚砜、氢氧化钾、无水乙醇、孔雀石绿等分析纯试剂，阿拉丁试剂（上海）有限公司。

(2)试验仪器

干燥箱（BGG-9055A，上海一恒）；电子天平（AR 153CN，奥豪斯仪器）；磁力搅拌器（DF-101S，予华仪器）；循环水式真空泵（SHZ-D(Ⅲ)，邦西仪器）；冷冻干燥机（FD-1A-50，上海比朗）；恒温振荡器（SHZ-82，智博瑞仪器）。

(3)芳纶纳米纤维气凝胶制备

①芳纶纳米纤维溶液制备。称量1g纤维，KOH 1.5g置于圆底烧瓶，加入500mL DMSO，搅拌48h，得到ANFs/DMSO溶液，如图2所示。

图2 芳纶纤维制备纳米纤维溶液过程图

②ANFs气凝胶制备。取200mL溶液于500mL烧杯中，边搅拌边加入去离子水，随后抽滤，收集凝胶冷冻干燥后即得ANFs凝胶。

③气凝胶性能测试。以有机染料孔雀石绿（Malachite Green，MG）为吸附质进行吸附实验。吸附实验包括标准曲线测定、吸附率及吸附量的测定等。

3.结果与讨论

（1）气凝胶形貌与结构分析。观察ANFs凝胶的形貌，如图3所示。

图3 ANFs凝胶的照片及SEM图像

向ANFs溶液中缓慢加入去离子水作为絮凝剂，纳米纤维迅速凝聚成团形成黄色凝胶，得如图3（a）所示的浅黄色凝胶产物，冷冻干燥可得如图3（b）所示气凝胶。其SEM图像如图3（c）所示，可看出ANFs凝胶由大量纳米纤维组成，无序排列并构成贯通的三维多孔网络结构。

对Kevlar纤维和ANFs气凝胶进行红外测试，如图4所示。两种谱图主要特征峰位置基本相似。ANFs光谱中没有出现新特征峰，说明纳米纤维的化学结构与宏观纤维一致。

图4 Kevlar纤维及ANFs气凝胶的FTIR谱图

对Kevlar纤维和ANFs气凝胶的结晶结构进行表征，图5为两者的XRD谱图。纳米纤维膜结晶峰位置主要在2θ角为20.54°、22.98°、28.13°，与Kevlar纤维XRD谱图的峰位一致。

图5 ANFs气凝胶的XRD谱图(插图为Kevlar纤维的XRD谱图)

（2）气凝胶吸附性能分析。以孔雀石绿为吸附质，ANFs凝胶为吸附剂，利用紫外-可见分光光度计在不同的吸附条件下，进行吸附性能的测试。确定MG溶液的最大吸收波长后，先拟合并绘制MG溶液的标准曲线，再测试吸附完成后的溶液的吸光度，即可计算得出吸附实验后溶液中残留MG的浓度。

①吸附标准曲线测定。配置不同浓度MG溶液各50mL，置于100mL锥形瓶中，称量8份ANFs凝胶样品，每份50mg，置于不同浓度的MG溶液中，25℃下避光振荡2h后，用去离子水为参比物，在选定的618nm处的工作波长下，测试MG最大吸收波长下各溶液的吸光度A。以浓度C为横坐标，吸光度A为纵坐标，作图得到拟合直线，即为MG溶液的标准曲线，如图6所示。

图6 孔雀石绿溶液的标准曲线

得到浓度方程如式1所示，线性相关系数R2=0.9969。

y=0.09448x-0.1102 （1）

②吸附率及吸附量测定。稀释一系列不同浓度的MG标准溶液各50mL并分别置于锥形瓶中，分别加入50mg ANFs凝胶样品，25℃恒温振荡1h至平衡后，计算残余浓度，比较吸附量及吸附率。

吸附实验中，吸附率（R）按式（2）进行计算：

式中：R—吸附率，%；C0—各溶液的初始浓度，mg/L；Ce—吸附达平衡后溶液中MG的浓度，mg/L。

当吸附实验达到平衡后，吸附剂的平衡吸附量（Qe）如式（3）进行计算：

式中：V—溶液的体积，L；m—吸附剂的用量，g。

测试结果表明，ANFs凝胶吸附剂对MG染料有较好的吸附效果。随着溶液初始浓度的提高，吸附量逐渐变大，但吸附率有所下降。

4.结论

在新工科背景下，锻炼学生动手操作能力是培养高素质人才的重要环节。基于环境污染水处理应用，本实验设计制备了一种对孔雀石绿有良好吸附性能的芳纶纳米纤维基气凝胶，对其微观形貌、结构组成及吸附性能设计实验并进行了分析与评价。该实验涉及课程类目丰富，实验基本操作全面，多种现代分析仪器的操作与数据处理可帮助学生掌握仪器使用，极适于列入实验教学。通过本实验可加强学生了解材料科学在实际生活中的应用，有助于学生对专业知识的理解，锻炼解决实际问题的综合能力。