科研训练在化学海洋学实验中的应用和实践
发布时间：2021-05-17
摘要实验教学在创新性人才培养中占有重要地位。本文以海水络合容量实验为例，介绍了科研训练在化学海洋学实验中的应用和实践过程。学生在掌握实验基本原理和方法的基础上，结合实际应用，拓展出几个感兴趣的科学问题进行探究性研究。在实验过程中，学生自行设计实验方案，通过实验结果及文献资料，解决科学问题。这些融入教学的科研训练，增强了学生的科研兴趣，锻炼了学生解决问题的能力，为学生以后从事科研工作打下了基础。
关键词科研技能;实验教学;化学海洋学实验;海水络合容量
近年来，社会对创新人才的需求推动着高校在培养模式上的转变，使高校对大学生综合能力和科研素养的培养越来越重视。2018年6月，习近平在青岛海洋科学与技术(试点)国家实验室考察时强调:“发展海洋经济、海洋科研是推动我们强国战略很重要的一个方面，一定要抓好”。科技部、国土资源部和国家海洋局联合印发的《“十三五”海洋领域科技创新专项规划》指出，要“建立‘以人为本’的海洋创新人才培养，……注重培养多层次、跨行业、跨专业的人才培养，加大涉海企业创新人才培养力度”[1]。一系列政策的出台和国家领导的高度重视，表明国家非常重视海洋人才的培养，并且已经将大学生创新创业教育和训练置于重要的地位。
创新性高水平海洋人才的培养离不开教学，而实验教学在人才培养体系中占有重要的地位，不但可以培养学生扎实的实践能力，在科研技能的培养方面也有很大的潜力可挖[2-4]。在高年级的实验课程中增设科研训练实验内容，发散学生思路，锻炼科学思维，促进教学与科研的相互融合已经成为实现素质教育和人才培养的重要环节[5-7]。海洋化学及相关专业的化学海洋学实验课程在本科高年级中开设，属于综合性实验课程，有利于学生直观认识海洋中的化学现象与过程，在锻炼学生动手能力、培养创新思维和提高综合素质方面，起着重要的作用[7]14-17。同其他实验课程一样，以往该实验的开展模式为:课前预习，教师检查预习效果并进行讲解，按照实验步骤操作，获得测定数据，计算最终结果，并完成实验报告。这样的教学模式以完成教学任务为目标，学生处于被动接受状态，虽锻炼了实验技能，完成了教学目标，但限制了学生的思路，在提高学生的实验改造与设计能力、认识并解决科学问题的能力等方面略显不足，不利用培养学生的科研思维和研究技能。
新时期，顺应人才培养的需要，在教学实践过程中，化学海洋学实验教学团队对课程的授课模式和内容进行了调整。主要思路是在学生掌握教材提供的原理与方法的基础上，通过教师引导和课程编排，开展探究性实验教学，培养学生的研究技能。教师根据科学问题向学生提出要求，以问题为导向引导学生的思维。针对所探究的问题，学生设计实验方案，并与其他实验项目结合，提高综合设计能力;在实验课中将方案付诸实践，获取实验结果，通过结果分析解决提出的问题或找到答案，提高分析科学问题的能力。通过这些措施，不仅让学生完成了基本技能的训练，还可以通过开展探究性学习与实践，培养学生与专业相关科研问题的解决能力，从而提高了学生的综合能力，取得了良好的教学效果。本文以化学海洋学实验课程中的“海水络合容量”教学实践为例，介绍探究性实验应用于本科专业实验的探索，为培养学生提出问题、解决问题的能力，提高科学思维能力提供借鉴。
一、实验背景
天然水体中种类繁多的配位体能与金属离子形成稳定的络合物，能改变金属在水体中的存在形式，还能减轻或消除金属离子对水生生物的毒性。因此，在评估水体中金属离子的迁移转化和环境效应时，其存在形式是必须要考虑的[8-11]。由于海水中金属的总浓度极低，且其中配位体的种类又极其复杂，进行具体的形式分析存在很大的困难。因此，从实用角度出发，通常用络合容量(Complexcapacity，C.C.)来研究金属的存在形式。C.C.是海水中的无机和有机配位体络合金属离子能力的一种量度，规定了天然水体所能络合金属的最大限度。C.C.可以反映水环境中金属的自净能力，对于研究金属的生物地球化学行为有重要的意义[8]37-44。C.C.不考虑水体中络合剂的种类，而只考虑对金属所能产生络合作用的配位体总量，因测试方法、所选金属种类的不同而有一定的差异。一般选取与有机配体有较强络合能力的Cu2+作为参考金属离子，测得表观铜络合容量，记为C.CCu[12]。在实验教学中通常采用阳极溶出伏安法进行测定[8]37-44。
海水成分复杂，水体的pH、有机配位体浓度以及与其他金属阳离子的竞争都会影响络合容量[13-14]。例如，海水中的富里酸、腐殖酸等配位体的官能团非常丰富，当pH低时，H+会与金属离子竞争配位体上的络合位，从而促使金属从络合物中离解出来;有机物浓度参数(化学需氧量(COD)及溶解有机碳(DOC))与络合容量有一定的相关性。针对这些问题，在原有实验的基础上，在教学实践过程中开展了一系列的科研技能训练。
二、科研技能训练的实验教学思路
(一)尊重基础训练，鼓励学生发散思维的教学设计思路
在提高实验教学质量的过程中，基本知识和研究能力的训练应该是相辅相成的，一味地追求创新研究技能，而忽略基本能力的培养是行不通的，在过去十几年开设的海水络合容量实验中，笔者始终坚持基本概念和原理充分学习和理解，学生在深刻领悟基本概念之后，就会自发地产生研究的动力。
将经典的实验内容为背景，通过启发引导调动学生的科研积极性，不追求复杂操作的训练，而是通过实验过程解决一些科学问题，给学生更广阔的自主探究的空间。引导学生根据络合容量的定义、测定方法及研究意义，针对海洋成分的复杂性，并考虑到络合容量跟其他参数的关系等进行探究性研究，去思考可能影响海水络合容量的因素，发散学生思维。根据这一思路，在实验教学中开发了一些相关的科学实验训练方向，如:(1)络合容量与海水有机物种类的关系;(2)络合容量与海水有机物含量参数的关系;(3)水体pH对络合容量的影响;(4)海水陈化过程中络合容量的变化;(5)颗粒物对络合容量的影响;等等。
(二)加强实践训练，充分调动自主学习的实施过程
培养学生的研究技能，需要学生有一定的知识储备，否则就会陷入茫然并无所适从。该课程在高年级开设，虽然学生的先修课程和知识结构已经可以满足基本实验要求，但对于科学探索还需要让学生学会从文献中提取有用知识和信息，引导他们根据这些信息挖掘有价值的科学问题。学生根据自己感兴趣的方向分成小组，选择不同的研究方向进行探究性实验，然后按照自主制定的实验方案，准备所需要的海水样品、实验仪器等，按照教材[8]37-44或其他文献资料[15-17]中提供的方法、步骤和计算方法，完成不同体系络合容量的测定，并根据需要测定其他参数(如pH、盐度和有机物的浓度等)，得到实验结果。实验结束后，分别进行组内与不同组间讨论、对比、交流，分析可能影响实验结果的原因，最终形成规范的研究报告。
(三)充分利用资源，为学生搭建高水平科研实验平台
化学海洋学实验是一门综合性较强的实验课程，学生在实验中遇到的问题，通常不是孤立的，不能用单一的知识来解决。培养学生的研究技能更是要让学生结合多种专业知识、技术、方法解决问题，因此要充分利用实验室软硬件资源，不断开放教学和科研实验室的仪器设备，搭建高水平实验平台。例如，在以“海水络合容量”开展探究性实验时，学生需要用到多种实验手段和仪器设备，通常测定参数包括DOC(采用高温燃烧法测定)、COD(碱性高锰酸钾法)、pH(采用电位法测定)、盐度(根据实用盐度标度，用实验室盐度计测定)。对于这些实验项目，所需要的仪器设备教学实验室完全可以提供，如果学生需要的条件教学实验室不能满足，则由授课教师负责协调科研实验室的管理人员加以解决。
三、实验教学实施成果
(一)基础性知识和能力的锻炼
学生首先按照课程要求完成实验，达到教学基本目标的要求。本文统计10组学生测定的同一胶州湾样品数据(见表1)，发现C.CCu的范围为473～497nmol/L，平均值为486nmol/L，标准平均偏差为9。lgK'的范围为7.2～7.5，平均值为7.3，标准平均偏差为0.1。查阅文献可知[12，18-21]，天然海水络合容量的大致范围为135～673nmol/L(见表2)，学生测定结果与相同海域相近[21]134-137。
学生的实验过程和结果表明，在培养过程中，他们掌握了实验的基础实验能力和实验概念，这些是综合能力的基本要求，忽视基本知识点的课程体系革新，会导致本末倒置，达不到综合性探究实验的效果。因此，在学生掌握了实验的基本原理和概念后进行适当的引导，提供探究性实验的实验条件，才会让学生自发地进行探究性学习，培养发散思维。
(二)研究技能训练的实施成果
经过多年的教学实践，以海水络合容量为例的探究性实验实施顺利，形成了以教材内容为支撑，学生自我兴趣为导向，多种创新方向多元发散的探究性实验教学模式。通过这样的探究性实验，学生不仅能对络合容量的原理和定义有深刻的理解，同时还培养了学生敏锐的观察力和思考能力，学会了科学研究的思路和技能，取得了较好的教学成果。
1.络合容量与海水有机物种类的关系
络合容量不考虑配位体的种类，只计对金属能产生络合作用的配位体总量。我们首先根据络合容量的原始定义和基本概念，引导学生设计探究性实验，使学生较深刻地认识络合容量的含义，用简单的科学问题唤起学生对科学研究的兴趣。根据这一出发点，学生自主设计“络合容量与海水有机物种类的关系”实验，制定了如下实验方案:在三份相同的海水中加入腐殖酸、EDTA以及蔗糖，使他们的摩尔浓度相同，测定海水络合容量。实验结果显示，加入三种物质的海水溶液的络合容量相差不大，但是条件稳定常数K'不同，其中EDTA以及蔗糖的K'略微大于腐殖酸，学生总结原因:有机物的种类不会影响络合容量，但条件稳定常数K'可能受到有机物不同官能团对金属离子的亲和力大小的影响。
2.络合容量与海水有机物含量参数的关系
海水中含有大量的有机配位体，虽然络合容量不受配位体种类影响，但与有机物含量会有一定的关系，因此学生进一步设计“络合容量与海水有机物参数的关系”实验。根据设定的题目，学生自主制订实验方案如下:在络合容量很低的海水中加入不同浓度的腐殖酸，测定他们的络合容量以及有机物参数DOC和COD的值，然后测定天然大洋水体(有机物含量低)和近岸水体(有机物含量高)的络合容量以及有机物参数。结果发现人工配制的水样DOC及COD与络合容量有非常好的相关性，而天然大洋海水的络合容量却大于近岸海水，进一步观察极谱峰电流图发现，在近岸水体中有较高浓度的其他金属离子(Zn2+、Cd2+等)，通过查阅相关结果的文献，并通过认真分析总结出:有机物浓度与络合容量有一定的相关性，但近岸海水中的有机配位体除了会与铜离子络合，也会有一部分与其他金属离子络合，因此虽然近岸海水有机物浓度高，络合容量却较低。该问题需考虑其他金属离子与有机物的络合能力，做进一步实验进行验证和讨论。前两个设计实验思路是学生根据课前的文献调研，立足络合容量的基本原理，通过合理的实验设计分工合作，学习了实验研究的基本方法，能够规范科学地总结分析数据。
3.水体pH对络合容量的影响
学生在探究“络合容量与海水有机物种类的关系”的实验中，加入了腐殖酸。一些学生查阅文献发现水中的有机配位体主要是腐殖酸和富里酸，他们的羧基和酚基表面的电荷与金属离子有较好的亲和力，这些官能团多数都有可被离子化的质子，能影响腐殖质分子表面的电荷，从而也影响有机质对金属的亲和力。学生将思路延伸到pH对海水络合容量的影响上，通过调整pH改变H+对配位体的竞争。他们利用配制的加入腐殖酸的海水，调节该海水的pH，测定溶液的络合容量，结果发现pH对络合容量有一定的影响。学生通过文献讨论得出:当pH低时，氢离子会与配位体竞争，会导致金属从络合物中解离出来，使得络合容量偏小;当pH高时，金属离子会发生水解反应产生沉淀，同样干扰络合反应的进行。这一研究方向是学生掌握实验基本原理之外，依据个人兴趣点进行拓展性的自主探究，说明课程设计为学生预留出了充分的自由发挥空间，可激发学生进行科学研究的积极性。
4.海水陈化过程中络合容量的变化
启发式教学激发了学生的科研兴趣，上述几个方向的实验结果向他们展示了科学研究的魅力。因此，学生进一步拓展思维，依据上述实验发现的pH和有机物种类及含量对络合容量影响的结果，设计了“海水陈化过程中络合容量的变化”实验。陈化海水在放置过程中，其有机物种类和含量以及pH都会发生变化，学生在实验过程中测定了新鲜海水和陈化海水的络合容量，以及两种水体的pH和DOC的含量，实验结果显示陈化海水pH低，DOC含量低，络合容量也低。学生通过讨论得出:在海水陈化过程，小分子的有机物被氧化，配位体浓度减小;易与铜离子络合的有机配位体的官能团(-COOH、-OH等)，容易发生分解，变成不易于络合的有机物，使得海水络合能力减少;陈化海水pH减小，也会导致金属离子从络合物中解离出来。这个探索实验，是在前几个实验的基础上发展起来的，是前面几个实验的升华，对于学生思维的开拓有很大的帮助。
5.颗粒物对络合容量的影响
络合容量测定的水体可以是过滤后的海水，也可以是天然海水，两者之间存在是否有颗粒物的区别，通过这一概念，可以设计“颗粒物对络合容量的影响”的实验。根据过滤海水和非过滤海水的不同，学生准备了这两种海水样品，测定了两者的络合容量，结果表明，不过滤的海水络合容量比较高，学生分析可能的原因是水体中的颗粒物表面可以络合和吸附金属离子，使得表观络合容量增大[13]。这一结果让学生意识到海水是一个复杂的体系，对金属离子存在形态的研究需要考虑多方面的影响，提高了他们对海洋科学的兴趣。
四、总结
上述这些探究性实验的设计及实施，是以“海水络合容量的测定”为基础，扩展了不同的思维方向。这些实验没有现成的实验方案，学生根据兴趣自由分组，分工合作，在实验进行前自主查阅文献资料并进行小组讨论，根据已有知识自行设计实验方案，实验依据事实结果，进行分析讨论，有理有据。
科学问题从来都是相互联系的，需要通过综合的专业知识和方法去认知和解决，在现有的实验条件下，让学生充分利用实验资源，拓展思维空间，为学生专业知识的学习提供更好的平台。在探究性实验的过程中，不仅掌握了专业知识，通过实验结果为理论知识做支撑，对理论知识的认识更加透彻，并且通过实验的设计，使学生对实验的科学性和系统性有所认识，培养了学生的学习积极性，锻炼了学生的发散性思维，在无形中慢慢培养了学生分析问题、解决问题的综合研究能力，同时还提高了他们对海洋科学专业的认识和热爱。
总之，以海水络合容量为基础的探究性实验达到了对学生科学技能培训的效果，对实验教学创新有启示意义和推广价值。在海洋学科迅速发展和国家需求的双重背景下，不断改革实验课程的教学内容，训练具有扎实动手能力和较高科研素养的高素质研发人才，是未来课程建设的指挥棒和努力方向。——论文作者：葛田田李铁谭丽菊**林锟
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