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[摘要]通過設計一個高效簡單的方法來制備不同尺寸金納米粒子的實驗，改變傳統的教學模式，來更好的將科研平臺融入到物理化學實驗教學中，讓學生能更加清晰的將課本中的理論知識具體化。從科研成果融入實驗教學方面入手，能更有效地提升了學生的實驗技能和科研思維能力。設計本實驗同時也讓學生熟悉溶膠的制備和性質以及納米尺度物質的特殊性質，并掌握實驗的方法思路及儀器的使用情況，提高學生的科研素養，充分調動起學生學習的主動性，積極參與到化學實驗教學中，培養學生的實踐能力和創新能力，為后期走向化學科研道路奠定基礎。

[關鍵詞]金納米粒子；納米材料；實驗教學；科學前言；教學改革

眾所周知，化學是一門以實驗為基礎的學科，相比于中學化學教育，大學本科化學教育無論在課程知識深度上還是廣度上都有了一定程度的延伸和提升，也更加注重于實踐教學。這同時也要求大學生在學習方法和學習思維方面要有所轉變，以更加快速的適應本科階段的學科要求，為后期學習其他專業課程或以后從事科研及教學工作奠定基礎。化學專業的學生大學本科階段主要學習四大化學，即無機化學、有機化學、分析化學和物理化學，同時還對應課程標準設置四大化學的實驗課程。在物理化學中，學習過溶膠的制備及性質，但是物理化學課程是一門理論性比較強的課程，同學們也只是在書本上學過理論知識，但是具體什么是溶膠，大家的印象可能也比較模糊。再比如，物理化學課程中都涉及的電化學內容，是科學研究當中比較重要的測試手段，什么是電極，電極的種類有哪些，電極是怎樣進行檢測工作的等等，這些內容也是學生們在物理化學實驗課程標準設置中很少能體現出來的?；瘜W這門課程雖然是一門理論性較強的課程，是學生們從初中階段就開始接觸的，但化學也是一門緊隨時代發展，與時俱進的一門課程。因為化學與我們的生活息息相關，現在我們的國家飛速發展，已經進入科技強國時代，從近幾年的諾貝爾化學獎也可以看出，科研方向更加偏向于交叉學科，而化學這一門學科和物理、生物、醫學、藥學、軍事等領域都有重要的關聯性，可見學習化學的重要性。同時為了順應時代的發展要求，各大高校也在大力培養科技人才，激發自主創新能力。這也就要求我們在培養高端型化學學科科技人才的前提一定要立足于基礎教學，培養學生的基本實驗能力，基礎專業技能和科研素養[1-2]。因此，在高校教學過程中，實驗教師在教學過程中不僅要讓學生順利完成課程設置的實驗，更應該注重大學本科學生科研思維的培養。目前，有些高校已經將科研實驗引入本科物理化學實驗教學中，使教學實驗內容與科學研究深度融合，這樣不僅可以很好地培養學生的科研實踐能力和創新意識，也開發了學生的思維，培養學生具備獨立思考、發現問題和解決問題的能力[3-4]。但在實際的實驗教學中，大多數高校由于實驗條件有限，不能有效地為本科生開展科研訓練[5]。本文以金納米粒子(金溶膠)的制備和應用實驗為例，將科研思維引入到物理化學實驗中，引發學生的科研興趣，對以后的學習和創新思維具有深遠的意義。

1實驗目的

納米粒子指的是粒度在1~100nm之間的粒子，屬于膠體粒子大小的范疇，處于宏觀體系和微觀體系之間，這也就使得納米尺度的粒子具備一些特殊的性質，就金納米粒子來說，它可以根據粒子尺寸的不同呈現出不同的顏色[3]。金納米粒子的制備方法也有很多，例如超聲自組裝法、氣相沉積法、沉淀法、水熱合成法、溶膠凝膠法等等。本實驗主要設計了一個簡單高效快速的制備金納米粒子的實驗方法，并將制備的金納米粒子進一步擴展應用，通過顏色的變化來判斷金納米粒子的合成情況，讓學生產生濃厚的科研興趣。還可以通過紫外分光光度法來將納米粒子的尺度大小進行比較，進一步讓學生了解納米尺度粒子的特殊性。本實驗的開發不僅能讓學生掌握基本的實驗操作方法，同時培養學生的納米材料合成能力以及化學儀器的掌握能力，提高學生的科學素養。

2實驗試劑與儀器

2.1實驗試劑

氯金酸(HAuCl4)購自北京化工廠。檸檬酸鈉(C6H5Na3O7)和氯化鉀(KCl)購自上海麥克林生化科技有限公司。鹽酸羥胺(H2NOHHCl)購自天津市福晨化學試劑廠。硼氫化鈉(NaBH4)購自天津市光復科技發展有限公司。銀導電膠和Apiezon蠟購買自天津多為萊博有限公司。所有實驗用水均來自水凈化系統(MilliporeS.A.S)的去離子水。

2.2實驗儀器

電化學工作站，磁力攪拌器，容量瓶，掃描電子顯微鏡(SEM)，紫外-可見光譜儀，激光拉制儀。

3實驗步驟

3.13.5nm金納米粒子的制備

取一只100mL的容量瓶中，在容量瓶中加入500μL的濃度為50mmol/L的HAuCl4(2.5×10-4mol/L)溶液和等濃度的檸檬酸鈉(2.5×10-4mol/L)溶液，隨后將溶液轉移到燒杯中并加入攪拌子，將燒杯放在磁力攪拌器中攪拌，大約5分鐘左右。當溶液混合均勻以后，向其攪拌的溶液中加入提前配置好的冰的1.2mL的濃度為0.1mol/L的NaBH4溶液，當NaBH4溶液進入混合溶液的瞬間，混合溶液立即由無色變成了淺酒紅色，此時這種現象已經證明了尺寸為3.5nm的金納米粒子制備成功了。但是為了保證納米粒子的穩定性，還需要繼續攪拌溶液，最少半個小時以后，制備成功的尺寸為3.5nm的金納米粒子放置在干凈且干燥的容器中，蓋緊蓋子，穩定2個小時后，就可以進行下一步的實驗了。

3.243nm金納米粒子的制備

取一只100mL的圓底燒瓶，加入50mL的濃度為0.25mmol/L的HAuCl4水溶液，搭好加熱裝置套，將溶液加熱至沸騰狀態，此時再加入0.5mL的濃度質量分數為1%檸檬酸鈉溶液繼續攪拌并持續加熱。此時可以觀察到沸騰的溶液先是變成了淺藍色溶液，而后藍色接著變成了較深的鮮紅色溶液，整個過程持續了大約1分鐘左右，這種現象就說明已經制備成功了尺寸為43nm的金納米粒子(GNPs)。通過這種方法制備的GNPs，至少應該先存放24小時之后，待納米粒子穩定以后，再進后續地實驗應用。

4實驗結果與討論

4.13.5nm金納米粒子的表征

這個尺寸的納米粒子粒徑比較小，一般情況下作為納米生長因子來備用。圖1(a)是制備成功的3.5nm的金納米生長因子的合成圖片，此種納米粒子外觀一般呈現淺酒紅色，可以通過紫外-可見光譜儀來測定其紫外吸收峰在510nm處，如圖1所示。這種小粒徑的納米粒子一般用于生長因子來使用，由于其粒徑較小，濃度較小，顏色也較淺。通過實驗可以看出納米尺度的金納米粒子不再是我們常規所認識的金的顏色了，也具備了一些金不具備的性質，由此實驗也開拓了學生的眼界，提高學生對科學實驗的探索欲。納米粒子的化學設計和合成推動了納米技術的發展，納米技術研究的基礎是結構的大小和形狀，在化學合成過程中可以調整不同的光學、電子或磁性特性，如果沒有合適的納米粒子設計，納米技術的許多重要應用也將無法實現。

4.243nm金納米粒子的表征

通過此種方法合成的尺寸為43nm的GNPs的掃描電子顯微鏡圖如圖2(a)所示。通過紫外-可見光譜儀測試其紫外吸收光譜在530nm處有吸收峰，如圖2(b)所示。如圖2(a所示)，是我們上述實驗制備的43nm尺寸的金納米顆粒的掃描電子顯微鏡圖，可以清晰的看出納米顆粒尺寸的均勻性以及穩定性。圖(b)是紫外吸收光譜圖，和上述實驗對比可知，納米粒子越大，散射效應越強，紫外吸收峰相對較大一些，因此金納米粒子的納米尺寸會影響紫外的最大吸收峰。隨著研究人員開始構建多功能納米結構，尺寸和形狀以及表面化學問題將變得很重要。由于納米粒子的大小與生物分子(例如蛋白質、DNA)和結構(例如病毒和細菌)的大小相似，因此在各種生物醫學應用中納米粒子的應用引起了極大的興趣。此外，可以將有用的特性結合到納米粒子的設計中，以操縱或檢測生物結構和系統。納米粒子目前用于成像、生物傳感、以及基因和藥物遞送等領域[6-7]。隨著生物醫學納米技術綜合領域的發展，將需要更系統的納米粒子和結構化學設計方法。

5教學建議與總結

5.1教學建議

本文以金溶膠的制備和性質實驗為例，將科學實驗融入到物理化學實驗當中，在課堂中，合理的融入一個實驗，不僅能幫助學生將書本上的知識具體化，更能啟發學生思考各種實驗對照、實驗的關鍵點，掌握實驗的設計及邏輯分析問題等基本實驗素質，培養創新的思維能力。比如在本實驗中，可以將全班30名學生分成2大組，每大組15名學生，一大組同學制備3.5nm的金納米粒子并進行紫外光譜的檢測，另外一大組同學制備43nm的金納米粒子并進行紫外光譜的檢測，這樣可以同時開始兩組不同的實驗，一大組同學還可以分成5小組，每小組3名同學，1名同學負責制備金溶膠，1名同學用紫外分光光度計檢測，另外1名同學處理數據。一組實驗結束以后，兩大組的同學再交叉做另外一類實驗，這樣可以保證每一位學生都參與在其中，且實驗完成以后同學們互相比較兩組實驗的差別以及兩組實驗結果的對比，這樣學生不僅可以更好的理解溶膠的定義，也更加清楚地認識到納米科學的深奧之處，還有更多的科學實驗有待探索，與此同時也需要更多的理論知識來支撐，這也是激勵學生們自主學習和勇于探索的方式?，F在是互聯網時代，老師們可以充分利用互聯網平臺幫助學生開展課前預習和課后復習，可以通過中國大學慕課上一些國家級精品課程作為輔助教育資源，里面可以看到一些學生們在本校實驗室沒有做過的實驗，這樣可以有效的彌補本校實驗課程上的知識盲區。同時老師們可以借助雨課堂的線上線下混合式教學模式來豐富授課的手段，激發學生的興趣[8]。例如課前在雨課堂平臺可以發布預習內容，讓學生提前預習實驗內容，發布的內容不僅可以是文字版本，還可以是視頻模式，可以更加直觀的讓學生理解本節課實驗的主要內容，同時撰寫好預習報告。在課堂上，對于學生在實驗預習報告中呈現的問題，或者是在實驗過程中遇到的問題，教師可以及時與學生溝通，糾正學生的錯誤。進一步提升學生的分析問題和解決問題的能力[9]。通過網絡平臺，教師可以不受時空限制給予學生指導，即使是實驗課也是一樣，實現了教學效果的最優化。

5.2總結

對于高校來說，進一步深化實驗教學的改革，提高實驗教學效果，其核心就是加強學生實踐能力和培養學生的創新精神[10-11]。因此，建立一套完整的實驗課程教學體系就顯得尤為重要。在本文設計的實驗中，不僅延續了常規性實驗教學手段，而且在此基礎上引入科研思維訓練，使得學生在實驗預習、實驗操作、數據處理、等方面有了很大的自主性和探索性，不僅提高了學生的實驗操作技能，還提高了他們獨立思考問題的能力和創新意識。對涉及到的物理化學內容進行了深度挖掘，讓學生更好的認識什么是溶膠及溶膠的性質以及納米材料的特殊性，借助科研實驗的優勢，培養學生的實踐能力和創新能力。在今后的教學工作中，我們還需要不斷地探索和思考，將科研平臺更加有效地融入大學本科化學實驗教學中，為提高學生的實驗操作能力和科研思維不懈努力，為培養高水平科研型人才貢獻微薄之力。

作者:柳傲雪 李楠 楊治學 單位:昌吉學院化學與化工學院