“溶胶制备及性质研究”精品实验建设与探索

范海明， 耿 杰， 孙铭勤， 王增宝， 康万利

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

创新是一个国家和民族发展的动力和源泉，高等院校在培养创新型人才方面起着重要的作用。现代社会对人才的需求，并非局限在对理论知识的掌握，而是更加注重人才的创新实践能力[1-3]。实验教学在培养大学生创新能力方面有着特殊的优势，但是目前大多数实验教学内容陈旧，重理论，偏验证，缺乏对学生创新能力的培养。通过改革实验教学，建设精品实验项目，增设创新研究性实验,激发学生对未知内容探索的兴趣，掌握基本的研究方法，这是提升大学生创新研究能力的重要途径[4-8]。创新研究性实验教学，需要提供给大学生发挥创新能力的条件。“溶胶制备及性质研究”实验教学内容涉及油田化学、油层物理和应用物理化学等多门课程的相关知识，并与油田污水处理以及采出液破乳等实际问题紧密相连，在现有实验基础上引入Zeta电位仪，增设创新研究性和拓展性实验内容，改变传统实验教学模式和考核模式，将探索性和创新性的理念贯穿于整个实验，对培养学生动手能力与创新研究能力都起到积极的促进作用，为学生今后从事石油工程以及化学工程专业相关工作奠定基础。

1 创新研究性精品实验内容建设

1.1 增设研究性实验内容

精品实验项目建设的关键在于对实验内容的设置和改进，以达到在对知识传承更新与扩充的同时培养学生创新研究能力的目的。这其中最为核心的是对实验内容的设计[9]。“溶胶制备及性质研究”实验原有的主要内容是制备AgI溶胶，通过电泳实验观察溶胶界面移动情况，计算溶胶的Zeta电位。实验内容相对固定，缺乏创新性，因而增设研究性实验内容，学生自己设计实验方案，经与教师讨论和审核后开始实验。

(1) 增设无机电解质、有机聚电解质、带相反电荷的溶胶等对所制备的溶胶稳定性的影响实验。这是由于溶胶体系的Zeta电位影响溶胶稳定性，Zeta电位越大，粒子之间静电斥力越强，体系越稳定。加入无机电解质会降低溶胶体系的Zeta电位，减弱粒子之间静电斥力，进而削弱胶体的稳定性，引起溶胶的聚沉。相比于无机电解质，有机聚电解质的高分子链段还可以通过桥联作用结合几个胶体粒子，带着多个胶体粒子同时运动，这会增强有机聚电解质的絮凝作用和聚沉效果。此外，带有相反电荷的两种溶胶体系会发生电性中和，引起聚沉[10]。因此，通过增设无机电解质、有机聚电解质、带相反电荷的溶胶等对所制备的溶胶稳定性的影响实验，可以引导学生分析无机电解质、有机聚电解质、带相反电荷的溶胶等对溶胶稳定性的影响规律，并在实验的基础上分析溶胶的聚沉机制。

图1所示为学生设计的加入无机电解质NaCl、有机聚电解质聚丙烯酰胺、反电性Fe(OH)3溶胶前后，黏土溶胶稳定性的对比实验结果。学生们不仅能够通过详细观察体系的聚沉量、聚沉速度、分层体积等表征黏土溶胶的稳定性，而且能够设计实验考察不同浓度的同一物质、相同浓度下不同物质对溶胶稳定性的影响规律。观察实验现象是科学研究的重要手段，通过仔细观察才能进一步分析原因。因此，该实验内容可以提高学生观察能力和对比分析能力，掌握正确的观察方法，确保观察的全面性和准确性，为进一步分析实验结果做好准备工作[11-12]。

a.加入NaCl无机电解质b.加入聚丙烯酰胺溶胶

c.加入不同浓度反电性Fe(OH)3溶胶

图1 加入不同溶胶前后,黏土溶胶稳定性对比实验

(2) 提供Zeta电位仪。原实验中通过界面移动测量Zeta电位的方法非常费时，因此为学生提供了Zeta电位仪(见图2)，这样学生能够非常方便地测量溶胶体系的Zeta电位。同时，增设无机电解质、有机聚电解质、带相反电荷的溶胶等对溶胶Zeta电位影响的研究性实验。①可引导学生测定加入不同浓度无机电解质、有机聚电解质、带相反电荷的溶胶体系的Zeta电位，建立Zeta电位大小与溶胶稳定性的变化关系，分析静电斥力对溶胶的稳定作用；②可引导学生通过查阅资料明确Zeta电位分析仪的测量原理，结合电泳实验观察溶胶界面移动计算Zeta电位的实验方法和结果，分析不同测量Zeta电位方法的适用范围、测量误差来源，培养学生根据实验目的选择合适、简便实验方法的能力。

图2 Zeta电位分析仪

(3) 增设溶胶制备和稳定性原理在油田化学中的应用相关实验内容。这是由于溶胶制备和稳定性研究是解决油田污水处理、采出液破乳脱水、泡沫流体稳定性、钻井液体系稳定性等石油与天然气工程应用实际问题的理论和实验基础。例如，引导学生在黏土溶胶中加入原油，混合后得到均匀的油水乳状液模拟油田污水，在其中加入无机电解质、有机聚电解质等污水处理剂，观察油滴聚并上浮，黏土颗粒絮凝沉降，最终实现污水除油的过程。该部分实验内容学生可以研究无机电解质、有机聚电解质等污水处理剂类型和浓度对模拟污水的净化效果，更好地贯穿“溶胶制备及性质研究”的所有实验内容。因此，通过增设与实验主题相关的石油与天然气工程实际应用实验，可以培养石油工程专业学生将理论知识与油田应用实践紧密结合，应用于解决现场实际问题的能力，有效提升学生的研究能力，激发学生的创造性思维[13-15]。

1.2 增设开放拓展实验

因课堂时间有限，学生实验能力有差异，设置拓展实验，提供必要的实验条件，让学生根据个人情况，预约参与开放拓展实验。例如，教师预先提供多种可选择的无机电解质，如KCl，MgSO4，Al(NO3)3等，由学生设计相关实验方案，经教师审核，研究不同电解质对溶胶体系Zeta电位的影响。由教师提供油田采出乳状液以及多种电解质和常用破乳剂等，由学生设计相关实验方案研究不同电解质和破乳剂对油田采出乳状液的稳定性影响和破乳效果。只要学生预约的实验内容与“溶胶制备与性质研究”的主题相关，教师应该尽可能提供相关实验材料和理论指导，协助学生完成拓展实验内容。通过开放拓展实验的设置，可以进一步提高学生的创新研究意识，培养学生实践操作、分析问题和解决问题的能力。

2 精品实验教学模式和考核模式建设

2.1 以学生为中心的创新研究性实验教学模式

传统实验教学模式，主要是教师讲解实验原理、操作步骤和注意事项，并进行相关步骤的演示之后，学生再按教师预设的实验程序动手实验。过程中学生缺乏主观能动性，分析问题和解决问题的能力没有得到有效的锻炼。创新研究性实验教学模式下，以学生为主，自主设计与完成实验。为了自主设计出实验方案，学生要学会使用图书馆、网络和各种数据库查阅文献，理解实验内容相关的理论知识，掌握溶胶制备的主要方法和相关性质及其影响因素。方案初步设计后，学生将自己设计的方案与教师进行交流。确定最终方案后,学生自主进行实验,这就要求学生应积极参与实验，对实验数据和结果有一定的预判，提高实验学习的热情和主动性[16-18]。针对部分实验仪器昂贵，台套数较少的情况，采用分组合作方式，组间组内分工合作，有利于培养学生团结合作精神[19-20]。实验结束后，通过小组讨论，整理、分析数据，撰写论文，增强学生自主学习、分析问题和解决问题的能力，使学生系统地学习到研究方法，提高创新能力。

2.2 课内实验与开放实验相结合

创新研究性实验具有综合性、设计性、探索性的特点，涉及到多门基础和专业课程，需要对实际问题和未知问题进行深入探索， 需要学时较长。因而采用课内实验与课外开放实验相结合的方式，可以有效缓解有限课时与学生渴望拓展探索之间的矛盾。学生在课内时间进行溶胶的制备、溶胶Zeta电位的测量、溶胶稳定性的影响实验。无机电解质、有机聚电解质、带相反电荷的溶胶等对胶体Zeta电位影响的研究性实验，以及溶胶稳定性原理在油田化学中的应用相关实验内容通过开放实验来实现，学生根据自己可分配的时间，通过实验中心网络平台预约开放实验，从而完成对该部分内容的探索研究[21-23]。

2.3 多元考核方式

传统实验教学多为验证性实验，考核方式主要以出勤和实验报告为主，忽视了对前期准备、实验过程及结果分析的考核。创新研究性实验教学有别于传统实验教学，因而考核方式也应是全方位和多元化的，需要囊括出勤、前期预习、文献资料查阅、实验方案设计，以及实验过程中对仪器的选择能力、团结协作、分析和解决问题的能力。后期实验总结也不能是简单的记录数据，而应按照科技论文的写作，以体现出实验者对理论知识的掌握水平，对实验现象和实验数据的分析，对研究过程的理解和思考。多元考核模式也避免了学生抄袭实验报告，忽视预习、实验过程和结果讨论与分析等问题，进而改变学生被动学习的状况。“溶胶制备及性质研究”的创新研究性实验具体考核标准为：预习包括查阅文献资料和设计实验方案占20%，实验过程中选择仪器能力和团结协作占10%、分析和解决问题的能力占10%，实验操作占30%，实验论文占30%[24-26]。

3 结 语

在秉承原有实验内容的前提下，增设研究性和拓展性实验环节，更新实验技术手段，改变传统教学模式，健全考核方式，使得“溶胶的制备及性质”实验通过精品实验建设更好地贯穿探索性和创新性的教学理念，实验项目也更具延展性和生命力，提高学生自主实验兴趣与科学研究积极性，利于培养科研素养和创新精神，符合当今社会发展对人才的发展需要。