基礎(chǔ)無機化學(xué)實驗課程思政的探索與實踐
——以氧化型石墨烯制備實驗為例

徐玲，魏恒偉，魏靈靈，馬藝，王曉明，焦桓,＊

1陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，西安 710119

2陜西師范大學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心，西安 710062

習(xí)近平總書記 2016年在全國高校思想政治工作會議上的講話中指出，高等學(xué)校要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[1]。本科教育是高等教育強國建設(shè)、提高和保證高等教育質(zhì)量的立本強基工程，為本科生提供一流的學(xué)習(xí)環(huán)境和條件是建設(shè)一流本科的基本保障[2]。打破長期以來思想政治教育與專業(yè)教育相互隔絕的“孤島效應(yīng)”，將立德樹人貫徹到高校課堂教學(xué)的全過程、全方位、全員之中，推動思政課程與課程思政協(xié)同前行、相得益彰，構(gòu)筑育人大格局，是新時代中國高校面臨的重要任務(wù)之一。在化學(xué)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)過程中，實驗課具有舉足輕重的作用，能否充分利用實驗課教學(xué)環(huán)節(jié)，將課程思政融于實驗課教學(xué)是化學(xué)專業(yè)課程教學(xué)成敗的關(guān)鍵因素之一。

無機化學(xué)實驗作為化學(xué)專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)大學(xué)一年級開設(shè)的基礎(chǔ)實驗課程，肩負著強化學(xué)生對無機化學(xué)基礎(chǔ)知識的理解，訓(xùn)練學(xué)生基本科研技能，養(yǎng)成科學(xué)思維方式的任務(wù)，教學(xué)內(nèi)容既要保持基本的單元，如實驗操作訓(xùn)練、元素性質(zhì)實驗，又要適度增添當(dāng)前科學(xué)研究的前沿和熱點內(nèi)容。因而如何在實驗教學(xué)中融入思政元素，進行思政教學(xué)改革，并始終貫穿于教學(xué)的整個過程[3-6]，是值得嘗試和努力的教學(xué)改革方向之一。在此背景下陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院無機化學(xué)實驗課經(jīng)過調(diào)研和論證，開設(shè)了與科學(xué)研究前沿相結(jié)合的系列制備實驗，例如氧化型石墨烯制備實驗[7,8]。通過設(shè)計和實施此類實驗，實現(xiàn)學(xué)生思維方式從廣度思維延伸至深度思維（圖1）。

圖1 氧化型石墨烯制備實驗教學(xué)設(shè)計框架圖

理想狀態(tài)下石墨烯是一層碳原子構(gòu)成的薄片，是石墨的單層結(jié)構(gòu)，被證實是有史以來強度最大的材料，透光性、優(yōu)良的導(dǎo)電性能使其在材料學(xué)、計算機、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[9,10]。氧化型石墨烯（graphene oxide，GO）是通過氧化石墨得到的親水層狀材料，隨著含氧官能團的增多使其性質(zhì)比石墨烯更加活潑。本文以氧化型石墨烯的制備實驗為例，設(shè)計了可行的實驗環(huán)節(jié)，使學(xué)生在了解學(xué)術(shù)前沿的基礎(chǔ)上，嘗試實驗教學(xué)中貫穿思政理念，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，堅定中國特色社會主義道路自信、理論自信、制度自信和文化自信，增強使命擔(dān)當(dāng)，充分認識科學(xué)研究在強國中的重要性，理解科學(xué)研究在曲折中前進的基本屬性。

1 實驗原理及步驟

1.1 實驗原理

石墨具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，盡管理論上單層結(jié)構(gòu)難以穩(wěn)定存在，但研究結(jié)果表明可以通過強氧化劑將石墨邊緣氧化，破壞片層間的作用力，在石墨層間生成氧化基團，從而在層間可以實現(xiàn)單層或多層剝離[11]。本制備實驗中，加入強氧化劑濃H2SO4、NaNO3和KMnO4，通過控制反應(yīng)溫度以達到剝離、氧化的目的。反應(yīng)過程可分為低溫反應(yīng)、中溫反應(yīng)和高溫反應(yīng)三個階段：低溫反應(yīng)在20 °C以下進行，石墨被強氧化劑濃 H2SO4、NaNO3和KMnO4吸附氧化后，產(chǎn)生羥基、環(huán)氧基等氧化基團，使石墨層與層間的間距變大。中溫反應(yīng)在32-40 °C進行，石墨被深度氧化，實現(xiàn)單層石墨烯的剝離。高溫反應(yīng)溫度保持在70-80 °C，隨著大量去離子水的加入，濃H2SO4大量發(fā)熱，徹底破壞片層中的殘留作用力，完全實現(xiàn)氧化型石墨烯的片層剝離。加入H2O2還原過量的氧化劑KMnO4，結(jié)束整個反應(yīng)過程（圖2）。

圖2 反應(yīng)流程圖

1.2 實驗步驟

1.2.1 剝離及氧化

本實驗須在通風(fēng)廚中進行。（1）低溫反應(yīng)：在冰水浴中放入洗凈烘干的100 mL燒杯，向其中加入6 mL濃H2SO4，待其溫度低于4 °C時，一邊攪拌，一邊加入0.25 g石墨粉和0.13 g NaNO3。然后緩慢加入0.75 g KMnO4，注意調(diào)整加入 KMnO4速率，以控制混合溶液溫度不超過 20 °C。加完KMnO4后，將混合溶液在磁力攪拌器上繼續(xù)反應(yīng)60 min。（2）中溫反應(yīng)：將冰水浴換成溫度范圍為32-40 °C的溫水浴，在磁力攪拌器攪拌下，反應(yīng)30 min。（3）高溫反應(yīng)：在上述溶液的燒杯中，緩慢滴加30 mL去離子水，注意控制滴加速率，防止反應(yīng)過于劇烈、溶液濺出，保持反應(yīng)溫度在70-80 °C范圍，緩慢滴加30% H2O2約2 mL，此步反應(yīng)時間約為20 min。

1.2.2 分離

2 實驗教學(xué)改進

2.1 思政環(huán)節(jié)

1）學(xué)習(xí)石墨烯發(fā)展史，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用膠帶粘貼的方法，制備出穩(wěn)定的石墨烯，推翻了經(jīng)典的“熱力學(xué)漲落不允許二維晶體在有限溫度下自由存在”的理論，震撼了整個物理界，引發(fā)了石墨烯的研究熱潮。由于安德烈蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在石墨烯材料方面的重大貢獻，獲得了2010年諾貝爾物理獎（圖3）。

圖3 安德烈蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（左）和膠帶粘帖法（右）

為了更好地使用具有非凡性能的石墨烯材料，世界各國科學(xué)家在石墨烯的制備和應(yīng)用方面都進行了大量嘗試，并取得了非凡的成果。目前石墨烯的制備方法主要有機械剝離法、氧化還原法、碳化硅外延生長法、化學(xué)氣相沉積法等。我國科學(xué)家在該領(lǐng)域的研究工作也取得了引人注目的成果，具有了一定的國際影響力，比如：采用剝離-再嵌入-擴張的方法成功制備了高質(zhì)量的石墨烯[12]；通過計算預(yù)測，石墨烯的理想強度可以達到110-121 GPa，是目前人類已知的最為牢固的材料[13]；發(fā)明了以圖案化的金屬層作為催化劑，制備圖案化石墨烯的方法[14]；利用自制的遠程電感耦合等離子體系統(tǒng)，實現(xiàn)了石墨烯的各向異性刻蝕技術(shù)[15]；開發(fā)了以商品化碳化硅顆粒為原料規(guī)模制備高品質(zhì)無支持石墨烯材料的新途徑；通過對原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以及氣氛的控制，實現(xiàn)了對石墨烯結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)控[16]；制備了密度僅為空氣密度1/6的超輕氣凝膠“全碳氣凝膠”的固態(tài)材料，刷新了目前世界上最輕材料的紀錄[17,18]；啟動了我國首條全自動產(chǎn)石墨烯太陽能光電子器件生產(chǎn)線[19]。

要求學(xué)生實驗前充分預(yù)習(xí)石墨烯的發(fā)展歷程，帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)氧化型石墨烯，特別是我國對此材料的發(fā)展歷程，了解我國在世界新材料、新技術(shù)發(fā)展中所發(fā)揮的重要作用，體會中國現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展對社會進步的作用，增強民族自豪感、榮譽感，增強民族自信。對比百年來中國科技水平及其對世界科技的影響力，深切體會社會主義制度的優(yōu)越性。

2）科學(xué)研究的道路是曲折而迂回的，長期堅持不懈是取得成功的必由之路。

任何科學(xué)技術(shù)的進步都經(jīng)歷了曲折和苦難，石墨烯的發(fā)展也不例外。1947年，菲利普·華萊士開始研究石墨烯的電子結(jié)構(gòu)[20]，由于二維碳晶體熱力學(xué)的不穩(wěn)定性，此前學(xué)術(shù)界一直認為石墨烯是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在。盡管眾多研究機構(gòu)和科學(xué)研究人員長期堅持此方面的探索，但絕大多數(shù)都沒有取得進展。直到2004年，首例二維材料石墨烯在實驗室中被制備出來。以上事實充分說明科學(xué)研究的道路是曲折的，需要長期的堅持努力。在石墨烯發(fā)展史的基礎(chǔ)上（圖4），要求學(xué)生查找其他科學(xué)研究的例子，說明科學(xué)研究的突破性進展都是長期堅持不懈的結(jié)果。

圖4 新型碳材料的種類和發(fā)現(xiàn)時間

3）科學(xué)發(fā)現(xiàn)是必然中的偶然。

石墨烯近 60年的曲折發(fā)展歷程啟示學(xué)生們應(yīng)該注重基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)。諾貝爾獎授予了通過膠帶粘貼方法制備出石墨烯的安德烈蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，似乎傳遞了一個信息——科學(xué)研究很簡單。真的如此嗎？研究人員之所以能夠堅持用如此基礎(chǔ)的機械方法對石墨進行剝離，是源于對其結(jié)構(gòu)的深入理解和準確把握，石墨烯材料的穩(wěn)定性是通過在其表面形成褶皺或吸附其他分子得以保持。因此任何科學(xué)成果的取得，都離不開敦實的基礎(chǔ)專業(yè)知識的積累。而簡單的實驗?zāi)z帶粘貼過程則說明基本的實驗技能是完成高難度實驗的必備條件。由此引導(dǎo)學(xué)生重視基礎(chǔ)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和實驗技能的培養(yǎng)。

2.2 教學(xué)設(shè)計

通過對制備過程低溫和中溫反應(yīng)時間的探討，拓展學(xué)生的科學(xué)研究思維。本制備實驗中，低溫反應(yīng)的目的是使石墨層與層的間距變大，保證插層充分，有利于中溫的氧化反應(yīng)和剝離的充分進行。因而低溫反應(yīng)是否充分，直接決定著中溫氧化反應(yīng)的效果。中溫反應(yīng)的目的是使石墨深度氧化完全，因此中溫反應(yīng)決定著氧化型石墨烯的產(chǎn)量。為了加強對比，該教學(xué)過程中，將21名學(xué)生分為三組，控制低溫和中溫反應(yīng)時間，對比3組實驗結(jié)果，組織學(xué)生討論反應(yīng)時間對于實驗結(jié)果的影響，進而提升學(xué)生的實驗興趣，引導(dǎo)學(xué)生大膽設(shè)想，并進一步設(shè)計實驗方案予以驗證。3組實驗反應(yīng)時間分別為：1）原始反應(yīng)時間：低溫反應(yīng)60 min，中溫反應(yīng)30 min；2）低溫反應(yīng)時間延長到90 min，中溫反應(yīng)保持30 min；3）低溫反應(yīng)保持60 min，中溫反應(yīng)時間延長到60 min。

2.3 教學(xué)實踐

1）教學(xué)效果：超聲分散氧化型石墨烯并利用光學(xué)顯微鏡觀察石墨烯形態(tài)。

分別取所制備三組氧化型石墨烯的少量樣品于3個50 mL燒杯中，加入約30 mL去離子水，超聲分散20 min。分別取一滴分散好的氧化型石墨烯溶液滴于三個載玻片上，烘干，用光學(xué)顯微鏡觀察三個氧化型石墨烯樣品（表1）的形態(tài)，根據(jù)樣品呈現(xiàn)的顏色和透光性確定所制備氧化型石墨烯的品質(zhì)。若樣品呈淡黃色、透光性好，則說明制備的氧化型石墨烯純度高。因此，在本文的實驗條件下，比較不同反應(yīng)時間對石墨烯純度和產(chǎn)率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)蜏胤磻?yīng)時間為90 min、中溫反應(yīng)時間為30 min時，所獲得的氧化型石墨烯的純度和產(chǎn)率都較高。

表1 不同反應(yīng)條件下所獲得3組氧化型石墨烯樣品的照片

氧化型石墨烯實驗內(nèi)容能夠讓學(xué)生了解石墨烯的結(jié)構(gòu)、制備方法等，與無機化學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容很好地配合，但考慮學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識，實驗中未涉及大型儀器，因而此實驗效果的差異性僅能讓學(xué)生通過光學(xué)顯微鏡進行觀察。此外在氧化型石墨烯的制備中，除反應(yīng)時間外，氧化劑用量、實驗溫度、離心分離速度及超聲條件等都會影響氧化型石墨烯的純度和產(chǎn)率，盡管實驗內(nèi)容沒有要求，課程教學(xué)仍然要求學(xué)生通過查閱文獻提出改進實驗方案的思路，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的興趣，開拓學(xué)生科學(xué)研究的創(chuàng)新性思維能力。

2）實驗思維拓展：課余帶領(lǐng)學(xué)生參觀校內(nèi)外專業(yè)的石墨烯制備及應(yīng)用的實驗室，讓學(xué)生了解石墨烯的制備方法，以及實際應(yīng)用的過程與基礎(chǔ)實驗課內(nèi)容的差異，比如制備方法有化學(xué)氣相沉積法、碳化硅外延生長法等，表征方法包括掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描隧道電子顯微鏡等。組織討論石墨烯用途與其結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，進一步延伸到其他材料體系，幫助學(xué)生掌握科學(xué)的推理思維方法。

3）專業(yè)視野拓展：課后要求以小組為單位，查閱10篇國內(nèi)外關(guān)于石墨烯以及相關(guān)二維材料的文獻，特別強調(diào)國內(nèi)的研究狀況，一周后提交2000字左右的書面文獻綜述，以增強學(xué)生對于國家進步的自豪感和民族認同感。

3 結(jié)語

無機化學(xué)實驗作為化學(xué)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生進入大學(xué)后的第一門必修實驗課，對于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的探索精神，樹立國家科學(xué)研究迅猛發(fā)展的自豪感，強化民族自信具有非常重要的作用。在教學(xué)過程中，結(jié)合實驗方案以及具體操作，引導(dǎo)學(xué)生了解國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷、科研自信、勤于思考、勇于探索的精神，使學(xué)生深刻體會到中國科學(xué)家在石墨烯發(fā)展中的重要貢獻和全球性科技競爭的普遍性，進而達到實驗課與專業(yè)基礎(chǔ)課、思政教育相結(jié)合的全方位教學(xué)，促進學(xué)生綜合素質(zhì)的全面提升。