纳米酶作为新一代人工模拟酶,既能“模拟”天然酶的活性,又能在结合纳米材料特性的基础上赋予人工酶“超越”天然酶的机能,是多学科交叉融合的产物。介绍了纳米酶的发现背景及独特性能,从对天然酶的“模拟”和“超越”2个方面梳理了纳米酶的多种设计制备思路,并总结了纳米酶在生物医药、农业与食品安全、环境、能源和化工领域的应用现状及未来研究方向。

新工科背景下,随着教育理念的变革和教学方法的不断创新,传统应试考核方式已不能反映新工科人才的培养质量。无机化学作为工科专业的基础课程,需要创新考核方式,以适应教育理念和教学方法的更新。通过构建多元化考核体系、实施阶段式考核、利用信息技术手段考核、实施个性化考核、建立反馈机制、基于OBE教育理念进行评价等方式的创新,可为社会培养高素质工程人才。

化工原理课程是大化类专业的专业基础课,是解决化学工业生产问题的基石。面对新工科内涵发展对大学工科课程教学提出的新要求,课程教学提出了“立工夯基,筑梯赋能”的教学创新理念,针对“工科知识难学习、工程思维难建立和工程问题难解决”的教学问题,创设“学思用进阶三促”教学模式,通过进阶式融合构建促学知识链、促思问题链和促用实践链教学资源,实现学生学习知识从“知道是什么”向“知其为什么”转变、学习能力从“应试解题”向“解决工程问题”转变,工程应用从“模仿解决问题”到“创新提出方案”转变。教学实践证明,学生学习成效和解决复杂工程问题能力明显提升。课程创新实践广受同行好评,课程的教改实践可为同类专业课程教学改革提供借鉴与参考。

实现课程教学的“两性一度”,其核心是培养学生的科学思维能力。课程教学应主要聚焦于教会学生如何思考,培养学生逻辑思维、创新思维和批判性思维等科学思维能力。介绍了在充分发挥教师主导、学生主体作用的基础上,笔者在有机化学课程教学中从遵循课程特点、充分挖掘教材、科研反哺教学等方面培养学生科学思维能力的一些案例。

在“三新”背景下,大学化学与高中化学的教学衔接对一流本科专业和课程建设以及高质量本科人才培养具有重要意义。通过对比高中化学教材与大学化学教材内容,确定大学化学教学采取学习任务单引领式、线上线下混合教学模式,教学质量得到有效提升,并促进了学生自主学习能力的培养。

针对新工科背景下新能源材料与器件专业应用型人才培养中物理化学课程改革面临的难题,提出了基于产出导向教育(OBE)理念的教学设计思路,并结合知识图谱技术开展教学内容的重构与资源的整合实践。通过探索产教融合在课程资源建设中的连接作用,展示了如何利用知识图谱关联教学资源,以产教融合PBL(问题导向学习)推进教学模式更新的路径,旨在强化“两性一度”特色、建立一种新型的教学模式,培养学生解决复杂问题的能力和创新能力。

为了加强学生对新大学化学课程理论教学中氢键和配位键等抽象概念的理解,完善理工科学生在基础理论课上的科学思维训练,以成果导向教育理念设计了利用氢键和配位键作用调控水凝胶材料性能的综合创新实验。本实验教学采用了对比实验的方式,通过控制实验原料的种类及用量,制备了一系列内部作用力不同的水凝胶材料,并测试了材料的力学、导电以及本征自修复性能。氢键和配位键存在与否引起的水凝胶材料性能的差异,不仅可以加深学生对抽象概念的理解,还能激发学生的科研兴趣,培养他们将理论知识应用于实际环境的能力。本实验的设计是新工科教学基于成果导向教育理念为新质生产力培养新型人才的一次有益尝试。

当前普遍开设的化工类学生实验多为微小量级,不能很好地训练学生解决实际问题的能力。为此,结合笔者科研工作,着重贴近实际生产和应用,综合考虑安全易控、绿色环保及经济高效等因素,以“水处理用表面活性剂(3-氯-2-羟丙基十二烷基二甲基氯化铵)合成及应用的放大”为主题,设计放大型化工综合实验。通过组织学生筛选优化,成功实施了3 kg(最大)量级合成放大和处理90 L(约90 kg)量级染料废水的应用放大实验。实施该放大型化工综合实验,可以培养学生操控实际生产反应和常规设备以及解决实际问题和融合应用的综合能力。

物理化学实验“双液系气液平衡相图”的传统方法是采用阿贝折光仪测定样品组成,该方法存在实验时间长、有机试剂使用量大、实验误差较大等突出问题,导致实验效果欠佳。本研究尝试将气相色谱仪引入该实验,并对实验方案进行了改进。由于气相色谱仪具有进样量少、灵敏度高、分辨效率高等特点,既缩短了实验时间,减少了试剂用量,还能够降低实验的误差,达到良好的实验效果。实践证明,气相色谱法不仅具有操作简单、数据结果较好等优点,还能够提高学生的综合实验能力,培养学生的创新精神和专业素养。通过2种方法的对比发现,气相色谱法应用于该实验是符合实验改进和发展方向的,适合在高等院校进行推广和使用。

固体酒精因其无烟、无污染、燃烧值高、生产简单、使用方便,广泛应用于餐厅用餐和旅游野餐。焰色反应是化学教材中的一项重要实验,但存在展示不方便、效果不明显等问题。研究了硬脂酸钠和醋酸钙制作固体酒精的条件,比较了2种固化剂对固体酒精外观、燃烧时间、燃烧气味和燃烧后残留物的影响;探索添加不同金属阳离子对制备的固体酒精外观的影响及其燃烧时的焰色反应,提高了固体酒精的观赏性。该科普实验操作方便、便于展示、互动性强,可面向不同群体进行化学科学素养的提升。

以固体废弃物的资源化再利用处理有机染料废水搭建教学情境,让学生亲身收集各种自发热暖贴废渣,研究其活化过一硫酸盐降解亚甲基蓝的性能,引导学生设计实验方案,体会反应速率与温度、浓度、催化剂的关系,探寻反应活性物种、分析反应机理,最后使用现代表征技术探究废渣的结构特点。整个实验过程从反应速率到反应机理再到构效分析逐层递进,实验模式以学生为中心结合教师引导,实验内容融合科教、产教和生态文明思政理念,构建了物理化学实验项目式教学体系,提升学生创新能力。

基于心流理论框架,采用准实验对照法,对某大学68名化学师范生进行教学干预,通过定量与定性相结合的研究方法系统探究沉浸式虚拟环境(IVE)对师德学习的影响机制。研究结果显示:实验组师范生在IVE中的心流体验水平(M=4.614)显著高于对照组(M=2.687,p=0.003),其师德知识后测成绩提升9.8分(p=0.001)。质性分析进一步揭示IVE组在化学伦理决策情境代入(40%)、职业责任情感共鸣(36%)等维度形成显著优势。本研究表明,沉浸式技术通过构建“具身体验-情感联结-认知深化”三维联动机制,为化学师范生师德培育提供了技术赋能方案,为智能教育时代下师范生师德教育模式革新提供了实证支撑。

基于多通道逻辑判断设计的智慧仿真基础化学实验,具备容错度高、互动性强、反馈及时的特点。依托虚拟实验平台和实体实验室,融合OBE理念构建基础化学实验课程线上线下、虚实结合、理实一体立体化教学新模式,采用平行班对照教学实践,教学效果提升明显。智慧仿真基础化学实验的建设及实验课程教学新模式的应用,激发了学生学习兴趣、培养了学生实验创新思维、提升了基础化学实验课程教学质量,为基础化学实验教学改革探索了新方向。

介绍了一种普通分光光度计加装数据输出和简易波长扫描功能的简单方法。无需厂家配套数据线和软件,只使用一根USB转串口线即可成功连接分光光度计与电脑,使电脑端可以接收分光光度计发送的测量数据;再结合红外循迹传感器控制分光光度计的PRINT键,即可自动连续发送各个波长的吸光度数据到电脑端,从而实现简易的波长扫描功能。改装方法取材方便,成本低廉,简单易行,适合广大实验室对普通手动式的紫外-可见分光光度计、荧光分光光度计进行升级改装。

在高分子物理的教学中,选取日常生活中耳熟能详的蒸馒头、材料的粘接及修复等实例,融入高分子相容性的教学过程,让学生通过这些熟悉的生活实例去直观地学习高分子相容性的抽象概念和知识点,并进一步了解高分子化学结构、性能、应用之间的关系,使其达到了学以致用的目的,也提高了学习兴趣,收到了很好的教学效果。

依据产出为导向的教育理念,针对目前油田化学实验项目内容老旧、种类单一、综合创新性不足的缺点,将教师的科研成果引入本科实验教学环节中,设计了煤层气井界面增强剂的制备及性能评价综合创新型实验。在教学设计与实施过程中,完全以学生为中心为主导,采用分工协作自主实施实验、翻转课堂式汇报研讨以及双师双能型教师融入式指导的教学设计方法,提出“3+1+2”型教学实施模式,突出学生综合应用能力的培养。基于4轮教学实践,结果表明:学生的积极性、自主性、创新性、综合分析以及协作表达能力均得到了明显的提高,为培养油田企业所需的综合应用创新型人才提供了指导思路。

酸催化的丙酮碘化反应是一个经典的复杂反应,物理化学实验教材将其作为模型反应,设计为研究化学反应动力学性质的综合实验。为帮助学生加深对该反应性能的理解,用计算化学方法研究了该反应的分子机理及其动力学性质。结果表明,酸性环境是丙酮碘化反应的必要条件,它一方面促进丙酮异构化为烯醇(反应的速控步骤),另一方面为烯醇碘化提供有效的活性组分(H₂OI⁺)。计算结果提供了理解丙酮碘化反应的直观物理图像和定量信息。所用研究方法有益于学生充分认识计算化学是研究化学反应机理和性能的重要手段。

丙纶,作为20世纪70—80年代中国化纤领域的自主创新成果,标志着我国在化纤高技术领域的重大突破。从1974—1987年,我国历经应用基础研究和2次联合攻关,成功实现丙纶工业化生产,使之成为我国五大化纤中唯一完全自主研发的品种。丙纶研发不仅成为我国科研与生产紧密结合、科技成果转化生产力的典范,也是该时期我国科技工作转型的缩影。在此工程中,中国科学院化学研究所通过深入纺丝物理研究、首创降温母粒技术、研制新型树脂及开发稳定纺丝工艺,为丙纶研发提供了坚实的理论和技术支撑。以化学所的工作为核心,通过对档案和文献资料的挖掘,系统考察了化学所纺丝物理研究及其参与丙纶攻关的全过程,客观分析了各单位所扮演的角色与互动关系,并探讨20世纪70—80年代背景下我国科技创新与攻关工作的转型面貌和特征,以及中国科学院所发挥的作用。研究成果可为新时代实现高水平科技自立自强提供借鉴。