注重实验教学,提升本科生科研素养——以分光光度法测定铁的含量为例

课程教学

Curriculum Teaching

注重实验教学，提升本科生科研素养

—以分光光度法测定铁的含量为例

王世革刘怡云

(上海理工大学理学院上海 200093)

摘要近年来，越来越多的本科生参与到了教师的科研实践中来。提升实验教学质量，可以有效地提高本科生的科

研素养，对于提升本科教育教学水平具有重要意义。本文以“分光光度法测定铁的含量”，教学实验和“Fe

(m

)@WS:-PVP

纳米胶囊降解”的科研案例结合为例，探讨了实验教学在本科生科研素养提升过程以及本科教育教学质量提高中的重

要作用。

关键词实验教学科研素养本科生邻菲罗啉

中图分类号:G

424 文献标识码:A

DOI

: 10.16400/j

.cnki

.kjdkx

.2020.11.045

Paying Attention to Experimental Teaching to Improve the Scientific

Literacy of Undergraduates

------Taking the determination of iron content by spectrophotometry as an example

WANG Shige, LIU Yiyun

(College

of

Science

, University

of

Shanghai

for

Science

and

Technology

, Shanghai

200093)

Abstract In

recent

years

, more

and

more

undergraduates

have

participated

in

scientific

research

practice

. Improving

the

quality

of

experimental

teaching

can

effectively

improve

their

scientific

literacy

, which

is

of

great

significance

to

the

improvement

of

undergraduate

education

and

teaching

level

. Taking

the

teaching

experiment

"determination

of

iron

content

by

spectrophotometry

"

and

"Fe

(III

)@WS2-PVP

nanocapsule

degradation

" as

examples

, this

paper

discusses

the

important

role

of

experimental

teaching

in

the

process

of

improving

undergraduate

scientific

literacy

and

improving

the

quality

of

undergraduate

education

and

teaching

.

Keywords experimental

teaching

; scientific

literacy

; undergraduate

; phenanthroline

〇前言

化学学科是建立在实验基础上的一门学科,实验教学是化

学教学过程中必不可少的一个环境。通过化学实验可以实现

理论与实践的有机结合，从而加深学生对理论知识的理解■■与

高中化学教育不同,大学的实验教学不仅停留在激发学生的学

习兴趣、锻炼学生动手能力等阶段，更是要有意识地培养学生

的科研能力，提高学生发现问题和解决问题的能力。与经过了

多次修订和完善的教学实验不同，科研工作所研宄的问题是多

样化的，它有赖于科研人员的思考能力与探索精神。在经济飞

速发展、国际竞争激烈的今天，科学技术是推动社会和国家发

展的一大动力。在这一大环境下,越来越多的本科生加入到教

师的科研工作中来。本科生虽未经历过研宄生入学考试的磨

砺，知识储备、自制力和意志力等可能要弱于研宄生，但本科生

有着较高的求知欲。M

本科生接受系统的科研训练，将收获更

多的课本上没有涉及的知识。在从事科学研究的过程中会遇

到多种问题，要求学生自行查阅文献，分析问题并提出解决问

题的途径。这一过程可以有效地锻炼本科生主动学习的能力，

开阔学生的视野。

科研实践建立在基础实验之上，基础实验是学生走上科研

之路的一块垫脚石。因此，老师们需要注重基础实验教学，认真对待每一个实验细节，通过基础实验启发学生的科研思维，

让学生从中找到更好的实验课程学习方法，为今后的科研实践

打下良好基础。在笔者的教学实践中，积累了一些实验教学中

所涉及到的知识与科学研究有机结合的案例。本文以本科实

验教学中“分光光度法测定铁的含量”与科研案例“Fe

(III

)@

WS

2-PVP

纳米胶囊降解”结合为例，探讨实验教学与科学研宄

之间的联系,论证注重实验教学与提升本科生科研素养和教育

教学质量的关系。

1分光光度法测定铁的含量

“分光光度法测定铁的含量”是我校《普通化学实验》开设

的实验之一。这一实验利用亚铁离子(Fe

2+)在pH

= 3-9之间时

与邻菲罗啉发生络合反应生成橙红色络合物，此络合物的吸光

度与浓度的关系符合朗伯比-尔定律。基于此，在测定水样中

铁含量时,首先用还原剂维生素C

将水样中的Fe

3i

还原为Fe

2+。

然后，用邻菲罗啉作为指示剂，通过紫外-可见分光光度计（或

紫外-可见光谱仪)测量吸光度，计算得到水样中的铁含量。邻

菲罗啉测定铁(亚铁）的含量的原理如下:在pH

= 3-9时，邻菲

罗啉与Fe

:+生成稳定的橙红色络合物。该橙红色络合物的吸

光度与浓度的关系符合Lambert

-Beer

定律A

=ECL

。改式中A

是吸光度值，E

为摩尔吸光系数，C

为待测液中Fe

2+浓度，L

为

2020 年 / 第 33 期/II (下）9

9课程教学

Curriculum Teaching

液层厚度。本部分的具体操作步骤如下：

1.1 Fe

2•浓度-吸光度标准曲线的绘制

本实验首先需要学生配制一系列浓度的铁标准溶液。然

后，将此标准溶液与过量的维生素C

混合均匀，再加入少量的

邻菲罗啉指示剂。静置一段时间，溶液颜色变为橙红色。以

蒸馏水作为参比溶液，用紫外-可见分光光度计测量该橙红色

物质的最大吸收波长(U

为505 nm

。最后，分别测定不同浓

度Fe

2

= 505 nm

处的吸光度，以吸光度为纵坐标，铁

的浓度为横坐标，绘制吸光度-浓度标准曲线。此标准曲线也

是分光光度法测定铁的含量的工作曲线。根据此标准曲线，

结合所测定未知样品在= 505 nm

处的吸光值，即可得到

Fe

>的度。

1.2试样中铁含量的测定

取一定量待测水样，加入足量维生素C

,按绘制标准曲线

的操作，测得水样在X

= 505 nm

处的吸光度值，由标准曲线计

算得到相应的铁含量。做三组平行实验,计算出水样中铁的浓

度(取三组平行实验的平均值）。

通过本实验的教学，让学生掌握邻菲罗啉分光光度法测定

微量铁的原理和方法，学会标准曲线的绘制及使用。近期，我

校本科生将该实验中测定铁（亚铁）含量的方法运用到科学实

践中，解决了实际操作中遇到的问题，并以第一作者身份在

《Advanced

Functional

Materials

》期刊上发表了学术论文。131在

这一研究论文中，首先通过水热法制备了 Fe

(III

)@WS

:-PVP(Fe

(III

):三价铁,PVP

:聚乙烯吡咯烷酮)纳米胶囊。在此纳米胶囊

中，WS

2会与Fe

(IIl

)发生氧化还原反应，生成？#和W

04\Fe

2‘

+可以和肿瘤微环境中过量的H

2〇2和H

+发生芬顿反应生成Fe

3+

和强氧化性物质（• OH

)。利用• OH

的细胞毒性，实现了纳

米胶囊对肿瘤的化学动力学治疗。新生成的Fe

3+再次与纳米

胶囊中WS

2反应，促成了纳米胶囊的降解。本研究中，一个关

键科学问题即验证Fe

(III

)@WS

:-PVP

降解产生了 Fe

:%以解释

Fe

(lII

)@WS

:-PVP

纳米胶囊的降解机制。在“分光光度法测定

铁的含量”实验中所学到的知识为解决上述关键科学问题提供

了借鉴。

2Fe

(IlI

)@WS2-PVP

纳米胶囊降解产物中Fe

>的确定

2.1 Fe>浓度-吸光度标准曲线

“Fe

(III

)@WS

2-PVP

纳米胶囊降解”实验中标准曲线的绘

制方法与“分光光度法测定铁的含量”实验一致。此标准曲线

也是Fe

2‘的含量测定的工作曲线。根据此标准曲线，结合降解

溶液在505 nm

处的吸光值，即可得到Fe

>的度。

2.2

维生素C

还原剂的应用

维生素C

作为一种还原剂可以有效地防止Fe

>的氧化。在

“分光光度法测定铁的含量”和“Fe

(III

)@WS

:-PVP

纳米胶囊降

解”实验中维生素C

都需过量，否则会存在着部分Fe

3+被氧化

为Fe

5'的现象。若维生素C

用量不足，虽然添加邻菲罗啉后溶

液仍可以呈现橙红色，但检测出的Fe

>浓度将低于实际值。此

外，Fe

2'浓度的测定还会受其他因素影响，如溶液的酸碱度会影

响组分的溶解度，溶液配制过程也会产生系统误差等。这启发

了学生必须以严谨的态度对待科研实践中的各种影响因素，需

要全面考虑问题，根据实际情况拟定最优的实验条件，以控制

误差。141通过控制误差，还可以培养学生严谨的科研态度，提高

学生分析和解决问题的能力。2.3

降解过程中产生Fe

>

的验证及其含量的测定方法

Fe

(II

1)@WS

:-PVP

降解的原理是通过用邻菲罗啉显色反

应监测FP

的产生来确定的。将邻菲罗啉与溶解于PBS

溶液

或弱酸性柠檬酸盐换成溶液（CBS

)中的FeUlI

)@WS

:-PVP

混

合，置于37 °C

恒温培养箱中持续培养12小时。隔一定时间用

紫外-可见光谱仪分别测定反应生成的橙红色络合物的吸光度。

结果表明：随着培养时间的增加，混合溶液的吸光度增大，证明

有Fe

2'持续不断地生成：培养时间相同，CBS

混合溶液的FP

的吸光度更高，证明弱酸性环境可以加速Fe

(lll

)和WS

2之间的

氧化还原反应。

课堂教学实验要求学生在规定时间内完成实验任务。与

课堂教学实验不同，科研实践更加考验学生考虑问题的细致程

度和全面程度，注重学生的过程培养，对实验操作速度要求不

高。科研实践对实验现象的要求较高，要求学生能对特定的实

验现象进行有效的论证。另外，还需要设置对照实验和平行实

验，提高实验数据的可信度并减小误差。科学研究是一个不断

发现问题和解决问题的过程，学生有更多的机会深入探究问题

的本质。这一过程不仅可以激发学生的科研兴趣，塑造学生的

科研能力，还能有效加深学生对理论知识的理解和应用，有效

地培养学生的发散思维和创新能力，提高本科教育教学质量。

3结论

通过将教学实验“分光光度法测定铁的含量”与“Fe

(III

)@

WSrPVP

纳米胶囊降解”科研案例结合，不仅有效地帮助学生

掌握了课堂所学的理论知识，还激发了学生对科学研究的兴

趣，塑造了学生的科研能力。本科生参与科研实践不仅需要他

们具有很高的时间管理能力，更需要学校和老师的重视和支

持。现阶段的高等教育依然以课堂教学为主，虽然很多高校都

设置了本科生创新创业训练项目，但依然难以让更多的本科生

参与到科研实践中去。因此，高校教育工作者应该重视实验教

学，让学生在实验教学中受到启发，通过实验教学提升学生的

科研素养，切实提高本科实验教学质量。

★基金项目：上海理工大学课程思政领航计划(领航课程

化工原理《化工原理》）

参考文献

[

丨]

朱必武,

成声亮，刘筱,

刘文辉.

浅谈本科生参与科研项目的意义及展望.教育

现代化,2017,4:95-96.

[2]

刘威，田玉冬,

王广勋，张嘉炜.

参与科研对本科生能力培养的分析与思考.高