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(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，西安 710062

習(xí)近平總書(shū)記 2016年在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上的講話(huà)中指出，高等學(xué)校要堅(jiān)持把立德樹(shù)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(guò)程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開(kāi)創(chuàng)我國(guó)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[1]。本科教育是高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)、提高和保證高等教育質(zhì)量的立本強(qiáng)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(zhǎng)期以來(lái)思想政治教育與專(zhuān)業(yè)教育相互隔絕的“孤島效應(yīng)”，將立德樹(shù)人貫徹到高校課堂教學(xué)的全過(guò)程、全方位、全員之中，推動(dòng)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(shí)代中國(guó)高校面臨的重要任務(wù)之一。在化學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)課具有舉足輕重的作用，能否充分利用實(shí)驗(yàn)課教學(xué)環(huán)節(jié)，將課程思政融于實(shí)驗(yàn)課教學(xué)是化學(xué)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)成敗的關(guān)鍵因素之一。

無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為化學(xué)專(zhuān)業(yè)以及相關(guān)專(zhuān)業(yè)大學(xué)一年級(jí)開(kāi)設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，肩負(fù)著強(qiáng)化學(xué)生對(duì)無(wú)機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練、元素性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，又要適度增添當(dāng)前科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)內(nèi)容。因而如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入思政元素，進(jìn)行思政教學(xué)改革，并始終貫穿于教學(xué)的整個(gè)過(guò)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(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課經(jīng)過(guò)調(diào)研和論證，開(kāi)設(shè)了與科學(xué)研究前沿相結(jié)合的系列制備實(shí)驗(yàn)，例如氧化型石墨烯制備實(shí)驗(yàn)[7,8]。通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)施此類(lèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)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(shí)是有史以來(lái)強(qiáng)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(jì)算機(jī)、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(guò)氧化石墨得到的親水層狀材料，隨著含氧官能團(tuán)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(shí)驗(yàn)為例，設(shè)計(jì)了可行的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中貫穿思政理念，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，堅(jiān)定中國(guó)特色社會(huì)主義道路自信、理論自信、制度自信和文化自信，增強(qiáng)使命擔(dān)當(dāng)，充分認(rèn)識(shí)科學(xué)研究在強(qiáng)國(guó)中的重要性，理解科學(xué)研究在曲折中前進(jìn)的基本屬性。

1 實(shí)驗(yàn)原理及步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)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(guò)強(qiáng)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(tuán)，從而在層間可以實(shí)現(xiàn)單層或多層剝離[11]。本制備實(shí)驗(yàn)中，加入強(qiáng)氧化劑濃H2SO4、NaNO3和KMnO4，通過(guò)控制反應(yīng)溫度以達(dá)到剝離、氧化的目的。反應(yīng)過(guò)程可分為低溫反應(yīng)、中溫反應(yīng)和高溫反應(yīng)三個(gè)階段：低溫反應(yīng)在20 °C以下進(jìn)行，石墨被強(qiáng)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(tuán)，使石墨層與層間的間距變大。中溫反應(yīng)在32-40 °C進(jìn)行，石墨被深度氧化，實(shí)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(shí)現(xiàn)氧化型石墨烯的片層剝離。加入H2O2還原過(guò)量的氧化劑KMnO4，結(jié)束整個(gè)反應(yīng)過(guò)程（圖2）。

圖2 反應(yīng)流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 剝離及氧化

本實(shí)驗(yàn)須在通風(fēng)廚中進(jìn)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(shí)，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(guò) 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(guò)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(shí)間約為20 min。

1.2.2 分離

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)

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(ài)國(guó)情懷。

2004年，英國(guó)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(gè)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(xiàn)，獲得了2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)（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(guó)科學(xué)家在石墨烯的制備和應(yīng)用方面都進(jìn)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(jī)械剝離法、氧化還原法、碳化硅外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法等。我國(guó)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(guó)際影響力，比如：采用剝離-再嵌入-擴(kuò)張的方法成功制備了高質(zhì)量的石墨烯[12]；通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)，石墨烯的理想強(qiáng)度可以達(dá)到110-121 GPa，是目前人類(lèi)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(yuǎn)程電感耦合等離子體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了石墨烯的各向異性刻蝕技術(shù)[15]；開(kāi)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(wú)支持石墨烯材料的新途徑；通過(guò)對(duì)原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以及氣氛的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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?xì)饽z”的固態(tài)材料，刷新了目前世界上最輕材料的紀(jì)錄[17,18]；啟動(dòng)了我國(guó)首條全自動(dòng)產(chǎn)石墨烯太陽(yáng)能光電子器件生產(chǎn)線(xiàn)[19]。

要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(guó)對(duì)此材料的發(fā)展歷程，了解我國(guó)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(huì)中國(guó)現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展對(duì)社會(huì)進(jìn)步的作用，增強(qiáng)民族自豪感、榮譽(yù)感，增強(qiáng)民族自信。對(duì)比百年來(lái)中國(guó)科技水平及其對(duì)世界科技的影響力，深切體會(huì)社會(huì)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(zhǎng)期堅(jiān)持不懈是取得成功的必由之路。

任何科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(kāi)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(rèn)為石墨烯是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在。盡管眾多研究機(jī)構(gòu)和科學(xué)研究人員長(zhǎng)期堅(jiān)持此方面的探索，但絕大多數(shù)都沒(méi)有取得進(jìn)展。直到2004年，首例二維材料石墨烯在實(shí)驗(yàn)室中被制備出來(lái)。以上事實(shí)充分說(shuō)明科學(xué)研究的道路是曲折的，需要長(zhǎng)期的堅(jiān)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(shuō)明科學(xué)研究的突破性進(jìn)展都是長(zhǎng)期堅(jiān)持不懈的結(jié)果。

圖4 新型碳材料的種類(lèi)和發(fā)現(xiàn)時(shí)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(jiǎng)授予了通過(guò)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(gè)信息——科學(xué)研究很簡(jiǎn)單。真的如此嗎？研究人員之所以能夠堅(jiān)持用如此基礎(chǔ)的機(jī)械方法對(duì)石墨進(jìn)行剝離，是源于對(duì)其結(jié)構(gòu)的深入理解和準(zhǔn)確把握，石墨烯材料的穩(wěn)定性是通過(guò)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(kāi)敦實(shí)的基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的積累。而簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)?zāi)z帶粘貼過(guò)程則說(shuō)明基本的實(shí)驗(yàn)技能是完成高難度實(shí)驗(yàn)的必備條件。由此引導(dǎo)學(xué)生重視基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)。

2.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)制備過(guò)程低溫和中溫反應(yīng)時(shí)間的探討，拓展學(xué)生的科學(xué)研究思維。本制備實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)對(duì)比，該教學(xué)過(guò)程中，將21名學(xué)生分為三組，控制低溫和中溫反應(yīng)時(shí)間，對(duì)比3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，組織學(xué)生討論反應(yīng)時(shí)間對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，進(jìn)而提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，引導(dǎo)學(xué)生大膽設(shè)想，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案予以驗(yàn)證。3組實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間分別為：1）原始反應(yīng)時(shí)間：低溫反應(yīng)60 min，中溫反應(yīng)30 min；2）低溫反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)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(shí)間延長(zhǎng)到60 min。

2.3 教學(xué)實(shí)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(gè)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(gè)載玻片上，烘干，用光學(xué)顯微鏡觀察三個(gè)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(shuō)明制備的氧化型石墨烯純度高。因此，在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，比較不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)石墨烯純度和產(chǎn)率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)蜏胤磻?yīng)時(shí)間為90 min、中溫反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(wú)機(jī)化學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容很好地配合，但考慮學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)中未涉及大型儀器，因而此實(shí)驗(yàn)效果的差異性?xún)H能讓學(xué)生通過(guò)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。此外在氧化型石墨烯的制備中，除反應(yīng)時(shí)間外，氧化劑用量、實(shí)驗(yàn)溫度、離心分離速度及超聲條件等都會(huì)影響氧化型石墨烯的純度和產(chǎn)率，盡管實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒(méi)有要求，課程教學(xué)仍然要求學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)提出改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案的思路，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的興趣，開(kāi)拓學(xué)生科學(xué)研究的創(chuàng)新性思維能力。

2）實(shí)驗(yàn)思維拓展：課余帶領(lǐng)學(xué)生參觀校內(nèi)外專(zhuān)業(yè)的石墨烯制備及應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生了解石墨烯的制備方法，以及實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(jìn)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(zhuān)業(yè)視野拓展：課后要求以小組為單位，查閱10篇國(guó)內(nèi)外關(guān)于石墨烯以及相關(guān)二維材料的文獻(xiàn)，特別強(qiáng)調(diào)國(guó)內(nèi)的研究狀況，一周后提交2000字左右的書(shū)面文獻(xiàn)綜述，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于國(guó)家進(jìn)步的自豪感和民族認(rèn)同感。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為化學(xué)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后的第一門(mén)必修實(shí)驗(yàn)課，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的探索精神，樹(shù)立國(guó)家科學(xué)研究迅猛發(fā)展的自豪感，強(qiáng)化民族自信具有非常重要的作用。在教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)方案以及具體操作，引導(dǎo)學(xué)生了解國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)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(huì)到中國(guó)科學(xué)家在石墨烯發(fā)展中的重要貢獻(xiàn)和全球性科技競(jìng)爭(zhēng)的普遍性，進(jìn)而達(dá)到實(shí)驗(yàn)課與專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課、思政教育相結(jié)合的全方位教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的全面提升。