基于OBE理論的高分子專業(yè)科研基本訓(xùn)練的培養(yǎng)實踐

黃新華,楊繼年,張 雷

（安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南 232001）

隨著新一輪科教興國、人才強國、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展等一系列國家戰(zhàn)略的實施，我國與世界各個國家交往日趨頻繁，科技交流也不斷加強[1]。高分子材料與工程專業(yè)（以下簡稱高分子專業(yè)）是高分子材料設(shè)計、合成、加工等技術(shù)開發(fā)、工程實踐和科學(xué)研究等領(lǐng)域的交叉性學(xué)科，具有很強的理論系統(tǒng)性、專業(yè)實踐性等特點。在現(xiàn)階段新工科建設(shè)的背景下，高分子專業(yè)學(xué)生應(yīng)該具有很強的專業(yè)理論功底和創(chuàng)新思維能力，能夠?qū)⒗碚撝R融合到實踐能力當(dāng)中[2]。對于一部分想升學(xué)做學(xué)術(shù)研究的學(xué)生來說，如果不具備一定的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新思維，求職一些好的大學(xué)和科研院所，復(fù)試很難過關(guān)，學(xué)術(shù)生涯必然充滿坎坷。因此，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研素養(yǎng)是專業(yè)教師的教學(xué)任務(wù)之一，也是“雙非”高校學(xué)生進入更高檔次院?；蜓芯克那瞄T磚和墊腳石。高分子專業(yè)師生們的教與學(xué)不應(yīng)該只停留在書本教學(xué)方面，理論實踐與創(chuàng)新思維的培養(yǎng)應(yīng)該是重中之重[3]。高分子專業(yè)的培養(yǎng)方案中包括基礎(chǔ)實驗、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、高分子合成加工實驗、綜合創(chuàng)新實驗、課程設(shè)計、工廠實習(xí)等，需要實踐與理論相結(jié)合。但現(xiàn)實中理論實踐往往脫節(jié)，實驗操作的課程許多學(xué)生也是照本宣科，不知所以；另外，實習(xí)工廠出于安全和規(guī)范方面的考慮，限制了學(xué)生們的實際操作，采用走馬觀花式的實習(xí)過程，是無法取得實踐效果的[4]。

科研素養(yǎng)和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)不是一蹴而就的，也不是僅靠開設(shè)幾門實驗課程就能實現(xiàn)的，需要打破傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法和意識束縛，加強訓(xùn)練學(xué)生文獻查閱、實驗技能、數(shù)據(jù)分析以及科研報告寫作等能力。然而，受到時間、場地和課程設(shè)置等因素的限制，無法長期有效地對本科學(xué)生進行科研培養(yǎng)，部分實驗課程與理論知識脫節(jié)，學(xué)生完全是照葫蘆畫瓢，更談不上創(chuàng)新。

目前高校開展的本科生導(dǎo)師制是一種有益的嘗試，可以對一些有科研興趣和意向的學(xué)生進行規(guī)劃性的科研培訓(xùn)。通常來說科學(xué)素養(yǎng)體現(xiàn)在科研意識、科研方法和科研精神上，三者相互依存，相互促進[5]。這對教學(xué)管理和實施者提出了更高的要求，而這其中，結(jié)合課程理論的科研創(chuàng)新培養(yǎng)不可忽視。我們制定綜合培養(yǎng)方案，結(jié)合有機化學(xué)、高分子物理、現(xiàn)代儀器表征、功能高分子、文獻檢索、科技論文寫作、綜合實驗以及畢業(yè)設(shè)計等多門課程進行教學(xué)，具有培養(yǎng)綜合、連貫等特點，取得了一定的成果。

1 綜合科研訓(xùn)練培養(yǎng)設(shè)計

結(jié)構(gòu)性導(dǎo)電高分子又稱本征導(dǎo)電高分子，是基于分子中含有各種π-π、p-π 或σ-π 等共軛的長鏈結(jié)構(gòu)，雙鍵上離域電子可以在分子鏈上遷移形成電流，使得高分子本身具有導(dǎo)電性，在儲能、顯示材料、導(dǎo)體、傳感器、電催化等方面有潛在的應(yīng)用。并且共軛類型的導(dǎo)電高分子具備可控設(shè)計、制備簡單、價格低廉等優(yōu)勢。結(jié)合高分子化學(xué)課程縮聚反應(yīng)這一章內(nèi)容[6]，設(shè)計了稠環(huán)化合物（萘、芘）和氯甲基甲基醚（CMME）為單體，通過傅-克烷基化方法，合成制備出一系列σ-π 超共軛的聚萘和聚芘多孔導(dǎo)電聚合物，并對其結(jié)構(gòu)與光催化性能進行表征[7]。

由于課題的實驗周期較長，將實驗方案分解成若干小課題，分解到課程設(shè)計、綜合實驗以及畢業(yè)設(shè)計等階段中，并結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目安排相關(guān)的研究。通過指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻了解導(dǎo)電高分子光催化原理和國內(nèi)外發(fā)展動向；學(xué)習(xí)縮聚反應(yīng)及其反應(yīng)動力學(xué)，參與實驗方案設(shè)計（圖1）；樣品表征技術(shù)可以學(xué)習(xí)到掃描、紅外和X-射線粉末衍射（XRD）的實際操作，確定此類聚合物優(yōu)異的可見光催化降解染料的性能。本實驗的合成路線基于多官能度單體之間的縮聚反應(yīng)，產(chǎn)物是熱固性聚合物，通過洗滌、干燥后就可制得聚萘（或聚芘）。為了更好地提高其光催化性能，調(diào)節(jié)兩種單體之間的比例，控制聚合物比表面積和孔徑結(jié)構(gòu)，進而理性調(diào)控導(dǎo)電聚合物的禁帶寬度?？偨Y(jié)光催化性能結(jié)構(gòu)和降解動力學(xué)，并撰寫英文科技論文和申請專利。

圖1 綜合實驗流程圖

2 綜合科研實驗的實施

2.1 稠環(huán)聚合物粉末的合成

以聚萘合成為例，萘單體環(huán)上有8個活性氫，都可以與CMME 發(fā)生傅克烷基化反應(yīng)，它與CMME 組成的8-2官能度縮聚體系。實驗中設(shè)計了兩種聚合物合成：①稱取一定量的萘與CMME(物質(zhì)的量之比是1∶4和1∶8)加入適量的路易斯酸ZnCl2作為催化劑，在二氯乙烷中40 ℃攪拌反應(yīng)6 h（圖2）。完成后粗品過濾，乙醇洗滌3 次后用甲醇索氏提取48 h，再在70 ℃下干燥，可得到PNT-1和PNT-2黃色粉末。②將方案①中的單體改為芘，重復(fù)方案1的步驟，制得PPy-1和PPy-2。上述實驗過程作為學(xué)生學(xué)習(xí)縮聚反應(yīng)溶液聚合的典型操作，在綜合實驗中，每3人一組，互相協(xié)作，按要求保質(zhì)保量完成樣品前期的制備，并利用XRD、紅外初步表征樣品，以供后期性能測試。

圖2 合成路線圖

2.2 光催化劑降解測試

用紫外氙燈和紫外分光光度計來測試制得的PNT 和PPy 粉末的光催化降解性能。由參與綜合科研訓(xùn)練的學(xué)生參與性能測試。包括活性因子捕捉、光降解催化循環(huán)性能測試。耗時周期比較長，需要在課外以及畢業(yè)設(shè)計階段進行。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)表征

實驗前期是一個均相的溶液聚合反應(yīng)，后期有沉淀析出，說明反應(yīng)產(chǎn)生了不溶的熱固性聚合物。以萘和CMME 物質(zhì)的量比1∶4 為例，反應(yīng)體系的平均官能度=3.2，也進一步證明了產(chǎn)物為體型聚合物。為了便于讓學(xué)生了解縮聚產(chǎn)物的形貌，利用掃描電鏡技術(shù)對PNT-1粉末的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察（圖3），顯示聚合物粉末形貌是由5 nm大小的顆粒聚集而成的納米球，表面結(jié)構(gòu)分析可知其比表面積大小接近131.4 m/g，是具有分級的孔徑結(jié)構(gòu)。固體紫外測試分析表明PNT-1 具有窄的禁帶寬度（1.83 eV），小于常見的光催化劑如納米二氧化鈦或石墨氮化碳g-C3N4。上述表征證實了該材料適合用于光催化劑。

圖3 聚萘PNT粉末的掃描(A)和場發(fā)射掃描(B)電鏡照片

3.2 光催化降解測試

可見光催化染料降解測試利用紫外氙燈模擬太陽光。在光照下，加入催化量的PNT-1粉末于10 mg/L染料如羅丹明B（RhB）以及亞甲基藍（MB）的水溶液中形成懸濁液，磁力攪拌形成均勻的降解環(huán)境。定時取樣用液體紫外觀察染料的吸收強度變化并記錄，通過朗伯比爾定律計算染料的濃度變化，并繪制濃度-時間的曲線（圖4A、B）。另外，由于實際染料廢水都具有一定的酸堿度，進一步觀察不同酸、堿條件下染料的光降解程度（圖4C、D）。實驗結(jié)果表明了制備的共軛聚合物具有良好的可見光催化降解染料的能力。最終的樣品性能測試后，可以指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)樣品的合成、表征以及性能測試撰寫科技論文。

圖4 PNT-1在不同條件下催化降解染料的動力學(xué)曲線

4 考核與評價

基于OBE（outcome based education，成果導(dǎo)向）理念的高分子專業(yè)綜合科研培養(yǎng)，能夠融合多項技能，在考核方式上應(yīng)靈活運用多種形式，因地制宜、因人而異并及時調(diào)整培養(yǎng)方案?；趯I(yè)認證的目標(biāo)達成度要求，綜合科研培養(yǎng)的考核內(nèi)容對應(yīng)了支撐度高的5 個畢業(yè)要求指標(biāo)點，采用成績累加的方式，總成績?yōu)?00分（表1）。其中課題分析部分，對應(yīng)“問題分析”能力達成指標(biāo)，主要考察學(xué)生就一個具體的實驗給出解決方案的能力，包括實驗思路，收集并分析國內(nèi)外文獻資料；“設(shè)計方案”考察學(xué)生提出的實驗方案的合理性和可行性等；“研究”主要考察學(xué)生實驗操作技能以及數(shù)據(jù)收集、處理能力；“專業(yè)道德”主要考察學(xué)生的環(huán)保意識和職業(yè)道德修養(yǎng)；“溝通”強調(diào)科研過程與人溝通，表述科研心得和成果的能力。

表1 科研基本訓(xùn)練綜合培養(yǎng)考核內(nèi)容

科研培訓(xùn)是促使本科生掌握科研基本方法，包括查閱文獻、凝練科研思路、設(shè)計實驗方案、數(shù)據(jù)處理以及撰寫科技論文等一系列環(huán)節(jié)，這需要在導(dǎo)師指導(dǎo)下通過一個較為完整的科研課題來實現(xiàn)。因此，對于本科生科研培養(yǎng)應(yīng)該依據(jù)上面各個環(huán)節(jié)的特點，強調(diào)基于OBE 理論的“結(jié)果為導(dǎo)向”[8]，通過串聯(lián)各個培養(yǎng)環(huán)節(jié)，依托考核細則，獲得1+1＞2的效果。

5 結(jié)語

設(shè)計的科研基本訓(xùn)練綜合培養(yǎng)方案結(jié)合了文獻查閱、實驗方案設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)處理、實驗報告撰寫等一系列串聯(lián)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生建立了從教材到科研成果連貫的實驗OBE 導(dǎo)向，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。通過對我校高分子專業(yè)本科生的科研綜合培養(yǎng)效果反饋，證實了此方案可以大大調(diào)動學(xué)生科研興趣和科研能力，更大程度上培養(yǎng)了學(xué)生的科研綜合能力，消除了單一實驗課程考核的片面性，彌補了培養(yǎng)方案課程設(shè)置的不足，滿足高等教育對不同人才培養(yǎng)模式的需求。培養(yǎng)過程導(dǎo)師及時發(fā)現(xiàn)并糾正學(xué)生反映出的問題，提高了學(xué)生的自信心和綜合技能。學(xué)生可以以專利或論文的形式發(fā)表自己的科研成果，為今后評獎學(xué)金、考研等方面積累重要的砝碼。同時，貫穿始終的科研基本培訓(xùn)也在一定程度上減小了師生之間的隔閡感，拉近師生距離，也消除了學(xué)生后期對科研的恐懼感。