教師科研項(xiàng)目融入高分子專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

陳世良，黃亦軍，黃嘉馳

（杭州師范大學(xué) 錢江學(xué)院，浙江 杭州 310018）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)工作的重要組成部分，是高校培養(yǎng)學(xué)生動手能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以驗(yàn)證型教學(xué)項(xiàng)目為主，能使學(xué)生的基礎(chǔ)操作技能得到較好訓(xùn)練，但在提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面則有欠缺。如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中突出創(chuàng)新思維培養(yǎng)，切實(shí)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，是新時期高校教育教學(xué)改革研究的重要內(nèi)容[1-3]。相較于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，探索型實(shí)驗(yàn)屬于較高層次認(rèn)知水平的實(shí)驗(yàn)[4-5]，在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、提高創(chuàng)新能力等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢[6]，目前，諸多高校積極嘗試在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入探索型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才打下良好基礎(chǔ)[7-8]。

我校高分子材料與工程專業(yè)是浙江省一流學(xué)科特色專業(yè)，培養(yǎng)目標(biāo)是“為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供具備較強(qiáng)創(chuàng)新應(yīng)用能力的高分子專業(yè)人才”。為了切實(shí)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，近年來，我們積極嘗試將科研與教學(xué)相結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中融入教師科研成果，以探索型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的形式開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生近距離接觸高分子專業(yè)發(fā)展前沿知識，在激發(fā)學(xué)生專業(yè)興趣的同時，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。本文以來源于教師科研項(xiàng)目的“功能化細(xì)菌纖維素的制備、表征與性能研究”為例，探討如何從教師科研項(xiàng)目中提取適于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。

1 教師科研項(xiàng)目內(nèi)容簡介

本文所設(shè)計的探索型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依托國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“細(xì)菌纖維素-石墨烯協(xié)同增強(qiáng)金屬酞菁催化活性的增效機(jī)制研究”（項(xiàng)目號 51803044，在研）和浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“細(xì)菌纖維素納米纖維耦合金屬酞菁增強(qiáng)染料廢水脫色及其機(jī)理研究”（項(xiàng)目號LQ15E030005，已結(jié)題）兩個教師科研項(xiàng)目。其中，“細(xì)菌纖維素納米纖維耦合金屬酞菁增強(qiáng)染料廢水脫色及其機(jī)理研究”項(xiàng)目選用細(xì)菌纖維素作為金屬酞菁催化劑的載體，將金屬酞菁固定于經(jīng)化學(xué)改性的細(xì)菌纖維素上，制備得到金屬酞菁功能化細(xì)菌纖維素異相催化材料，并以染料有機(jī)污染物為目標(biāo)，考察異相催化材料的催化反應(yīng)活性?！凹?xì)菌纖維素-石墨烯協(xié)同增強(qiáng)金屬酞菁催化活性的增效機(jī)制研究”則在以上研究基礎(chǔ)上，將電子傳輸性能優(yōu)異的石墨烯引入催化反應(yīng)體系，提高金屬酞菁的電子轉(zhuǎn)移效率，從而達(dá)到提升異相催化材料催化反應(yīng)活性的目的。這兩個教師科研項(xiàng)目主要涉及如下三方面研究內(nèi)容。

（1）通過生物法合成細(xì)菌纖維素，經(jīng)過化學(xué)或物理改性后與金屬酞菁相互作用，制備得到系列金屬酞菁功能化細(xì)菌纖維素異相催化材料，并通過各種測試技術(shù)對改性前后的材料進(jìn)行表征。

（2）將系列細(xì)菌纖維素基異相催化材料用于有機(jī)污染物的催化氧化降解，考察各實(shí)驗(yàn)因素對催化效率的影響，并探索異相催化材料結(jié)構(gòu)與催化性能之間的構(gòu)-效關(guān)系。

（3）通過各種技術(shù)手段研究反應(yīng)過程中溶液的組成變化、活性種的形成和異相催化材料的形貌與結(jié)構(gòu)情況，深入揭示該高分子功能材料的催化作用機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容設(shè)計

考慮到學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知水平和教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件等因素，將教師科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為適于教學(xué)的探索型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時，在經(jīng)過充分的思考與研究后，首先從中提取出難度適中且具有探索性的“功能化細(xì)菌纖維素的制備、表征與性能研究”作為研究主題，再圍繞該研究主題精心設(shè)計核心實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并將系統(tǒng)化后的各個獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)用于高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)、高分子材料性能與表征等課程的教學(xué)，旨在使學(xué)生在掌握相應(yīng)專業(yè)知識點(diǎn)的基礎(chǔ)上，獲得必要的創(chuàng)新思維訓(xùn)練，從而達(dá)到提高學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。探索型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容的具體設(shè)計如下。

2.1 細(xì)菌纖維素的生物合成

細(xì)菌纖維素是一類由培養(yǎng)基通過特定的細(xì)菌或真菌在適宜的條件下生物合成的具有納米尺寸的纖維素，其化學(xué)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)纖維素相同。與常規(guī)化學(xué)聚合過程類似，細(xì)菌纖維素的生物合成也需要經(jīng)歷一個由單體轉(zhuǎn)化為高分子的過程（見圖1）。培養(yǎng)基組成、菌株和培養(yǎng)條件等均影響最終細(xì)菌纖維素的形成與產(chǎn)率。

圖1 細(xì)菌纖維素的生物合成過程

為了適于課堂教學(xué)，同時考慮此實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)是使學(xué)生掌握一種新型的高分子合成方法，我們將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行簡化。以前期教師科研成果為基礎(chǔ)，選定木醋桿菌（acetobacter xylinum）作為菌株，培養(yǎng)基組分為葡萄糖、酵母浸膏和乙醇，培養(yǎng)溫度為 30 ℃。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中需配制系列不同培養(yǎng)基組分含量的溶液，在給定條件下培養(yǎng)一定時間后測定所得產(chǎn)物的含量。

2.2 細(xì)菌纖維素的化學(xué)或物理改性及金屬酞菁固定化反應(yīng)

在獲得細(xì)菌纖維素后，對其進(jìn)行化學(xué)或物理改性，并作為金屬酞菁固定化的載體，制備金屬酞菁功能化細(xì)菌纖維素異相催化劑，即細(xì)菌纖維素基高分子功能材料。

以細(xì)菌纖維素的化學(xué)改性過程為例，為了實(shí)現(xiàn)金屬酞菁（本實(shí)驗(yàn)選用的是四氨基鈷酞菁CoPc）的共價固定化，需預(yù)先對其進(jìn)行氧化處理，使細(xì)菌纖維素上形成易與氨基反應(yīng)的醛基，典型反應(yīng)步驟如圖2 所示。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及高分子反應(yīng)、氧化劑選擇和氧化條件控制等。在前期研究中，已篩選出合適的氧化劑，并實(shí)現(xiàn)了金屬酞菁的定量固定化[9]。將此研究成果進(jìn)行簡化，將其中的基礎(chǔ)部分作為教學(xué)內(nèi)容。在課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，建議學(xué)生選擇高碘酸鈉作為參考氧化劑，通過調(diào)節(jié)氧化劑濃度、氧化溫度和氧化時間來控制氧化程度，通過鹽酸羥胺滴定分析法確定形成的醛基含量。

圖2 典型細(xì)菌纖維素化學(xué)改性及金屬酞菁固定化過程

2.3 細(xì)菌纖維素基高分子功能材料的結(jié)構(gòu)與性能表征

為了使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)較好地掌握高分子材料的常用表征技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件，我們選擇如下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

（1）傅立葉紅外光譜（FT-IR）測試。紅外光譜是一種常見的鑒定高分子材料組分的分析方法。為了研究金屬酞菁功能化過程的實(shí)施情況，我們指導(dǎo)學(xué)生將改性前后的樣品（細(xì)菌纖維素、氧化細(xì)菌纖維素和金屬酞菁功能化細(xì)菌纖維素）用于 FT-IR 測試（見圖3）。通過學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可使學(xué)生掌握紅外光譜儀的使用方法，直觀地觀察羥基和醛基等特征基團(tuán)的變化，并初步了解紅外光譜譜圖中常見基團(tuán)的分析方法。

圖3 改性前后樣品的典型紅外光譜譜圖

（2）原子吸收光譜（AAS）測試。金屬酞菁固定量顯著影響制得的異相催化材料的催化性能，本實(shí)驗(yàn)通過AAS 技術(shù)研究CoPc 的相對含量。為了使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容適于課堂教學(xué)，我們預(yù)先將樣品消解，使鈷酞菁被分解且以鈷離子的形式釋放出來，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時只需測試溶液中鈷離子的含量，即可間接計算出異相催化材料上鈷酞菁的含量。通過該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可掌握原子吸收光譜儀的使用、標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制及金屬含量測定的方法。

（3）場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）測試。載體材料的結(jié)構(gòu)對于功能材料的性能具有重要影響。本實(shí)驗(yàn)通過 FESEM 觀察改性前后細(xì)菌纖維素的形貌與結(jié)構(gòu)變化。通過該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可使學(xué)生初步接觸電子顯微鏡的使用，并結(jié)合后續(xù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更好地理解高分子材料結(jié)構(gòu)與性能之間的聯(lián)系這一知識點(diǎn)。

（4）X-射線光電子能譜（XPS）測試。XPS 是一種常見的分析材料表面元素組成、結(jié)合狀態(tài)及含量的測試技術(shù)。通過 XPS 技術(shù)研究細(xì)菌纖維素的改性過程，可使學(xué)生進(jìn)一步掌握各官能團(tuán)的反應(yīng)情況和功能化的實(shí)施程度。

考慮課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的硬件條件和實(shí)驗(yàn)課時的限制，將上述（1）、（2）兩個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置為必做內(nèi)容，而將（3）、（4）設(shè)置為選做內(nèi)容，鼓勵學(xué)有余力且具有濃厚科研興趣的學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成。

2.4 細(xì)菌纖維素基高分子功能材料的催化降解性能

功能材料催化降解性能部分的研究對學(xué)生的綜合能力要求較高，我們將其作為選做項(xiàng)目，鼓勵學(xué)生在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上自行選擇感興趣的催化底物，以教師前期研究成果為基礎(chǔ)給出參考實(shí)驗(yàn)條件，同時在教師的指導(dǎo)下建立合適的底物濃度監(jiān)測方法。學(xué)生在完成這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，可進(jìn)一步加深對材料結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的理解，并熟悉功能高分子材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 探索型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施與成效

為了突出我?！皠?chuàng)新應(yīng)用型人才”的培養(yǎng)目標(biāo)，依照高分子材料與工程專業(yè)課程培養(yǎng)方案，對“高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)”和“高分子材料性能與表征”等實(shí)踐性要求較高的課程均配套了不少于理論課時量的實(shí)驗(yàn)課時，同時鼓勵開展一定比例具有探索性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。因探索型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對學(xué)生要求較高，在具體實(shí)施過程中，我們將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為如下實(shí)施階段。

（1）第一階段，教師提前公布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并提供2—4 篇相關(guān)領(lǐng)域的經(jīng)典參考文獻(xiàn)或教師已發(fā)表的相應(yīng)研究內(nèi)容的科研論文，使學(xué)生在閱讀后初步熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生組隊(duì)設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案。以“細(xì)菌纖維素的氧化改性”為例，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹皇鞘箤W(xué)生掌握如何將纖維素鏈上的羥基氧化為醛基。依據(jù)教師前期的研究結(jié)果，建議學(xué)生選擇高碘酸鈉作為參考氧化劑，學(xué)生需查閱文獻(xiàn)并自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)條件來控制氧化程度。同時，積極鼓勵學(xué)生嘗試通過其他技術(shù)路線完成該實(shí)驗(yàn)。學(xué)生經(jīng)組內(nèi)討論后形成實(shí)驗(yàn)方案并提交，待教師修正不合理之處后敲定具體實(shí)驗(yàn)方案。通過該環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，使學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力得到有效提高。

（2）第二階段，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案開展實(shí)驗(yàn)。由于在第一階段已初步熟悉了實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作步驟，學(xué)生在本階段將有更充足的課堂實(shí)驗(yàn)時間，教師也能更具有針對性地對學(xué)生展開一對一的指導(dǎo)。例如，在完成“細(xì)菌纖維素的氧化改性”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過程中，部分學(xué)生對于形成醛基的含量與金屬酞菁固定量之間的關(guān)系存在疑問。針對該問題，教師指導(dǎo)他們再次有針對性地查閱文獻(xiàn)，幫助他們完善高分子材料檢測技術(shù)知識體系，并鼓勵他們在完成課堂實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用課余時間開展深入研究。通過該環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，能夠提高學(xué)生的實(shí)踐能力和解決問題的能力，能夠激發(fā)學(xué)生的科研興趣和創(chuàng)新思維。

（3）第三階段，學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報告、評估研究結(jié)果。除了常規(guī)的整理、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等工作外，學(xué)生還需通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果反思探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方案設(shè)計的合理性及存在的不足之處。對于具有一定創(chuàng)新性的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生通過申請學(xué)生科研立項(xiàng)做進(jìn)一步深入探索，并撰寫科研論文。例如，在完成“金屬酞菁功能化細(xì)菌纖維素功能材料的催化降解性能”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的過程中，有學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)獲知改善電導(dǎo)率可提升異相催化材料的反應(yīng)效率，因此主動請求深入研究這一問題。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生以課題組前期研究工作為基礎(chǔ)，將石墨烯引入反應(yīng)體系制得系列新型異相催化材料，顯著改進(jìn)了金屬酞菁的催化活性，這一研究成果已以SCI 論文的形式發(fā)表。

筆者自2016 年開始嘗試將科研與教學(xué)相結(jié)合，從教師科研項(xiàng)目中提取出具有科學(xué)意義且適于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究內(nèi)容，通過精心設(shè)計，將各個獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)化并應(yīng)用于學(xué)生探索型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)。目前已形成以“功能化細(xì)菌纖維素的制備、表征與性能研究”為主題的系列核心教學(xué)內(nèi)容，顯著提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和專業(yè)綜合能力。近年來，相關(guān)研究內(nèi)容共獲國家級學(xué)生競賽獎項(xiàng)2 項(xiàng)、省部級學(xué)生競賽獎項(xiàng)4 項(xiàng)、立項(xiàng)學(xué)生科研項(xiàng)目10 余項(xiàng)，學(xué)生參與發(fā)表科研論文 6 篇，其中 SCI 論文 4 篇[9-13]，典型成果詳見表 1。

表1 本科生參與競賽獲獎、承擔(dān)科研項(xiàng)目和發(fā)表論文情況

4 結(jié)語

本文探討了將教師科研項(xiàng)目融入本科生課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計形成新型探索型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的具體作法。以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“細(xì)菌纖維素-石墨烯協(xié)同增強(qiáng)金屬酞菁催化活性的增效機(jī)制研究”和浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“細(xì)菌纖維素納米纖維耦合金屬酞菁增強(qiáng)染料廢水脫色及其機(jī)理研究”為基礎(chǔ)，從中提取“功能化細(xì)菌纖維素的制備、表征與性能研究”作為研究主題，并立足教學(xué)實(shí)際精心設(shè)計了“細(xì)菌纖維素的化學(xué)改性”等系列核心實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將其應(yīng)用于高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)和高分子材料性能與表征等課程的教學(xué)。實(shí)踐結(jié)果表明，基于教師科研項(xiàng)目的探索型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目既能使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技能和專業(yè)知識點(diǎn)，又能鍛煉其查閱文獻(xiàn)和獨(dú)立思考的能力，有效提高了其創(chuàng)新能力和科研能力。