“課程思政”視域下科研滲透式實驗教學(xué)模式初探

2023-01-10 05:26:10薛慶旺徐樹玲張遠馥黃德賓李愛峰李霞王懷生

大學(xué)化學(xué) 2022年12期

薛慶旺，徐樹玲，張遠馥，黃德賓，李愛峰，李霞,＊，王懷生

1聊城大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東聊城 252000

2聊城市第一中學(xué)，山東聊城 252000

2020年，教育部在《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》中指出，重點落實立德樹人根本任務(wù)，使各類課程與思政德育同向同行，將顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，形成協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)建全員全程全方位育人大格局[1]。在這一背景感召下，眾多高校教師開始積極探索“思政進課堂”的有效模式[2-5]。相對于教師講授為主的理論課，實驗教學(xué)是以學(xué)生操作為主的實踐性教學(xué)，如何精準提煉大學(xué)實驗課中蘊含的德育元素，并將其潛移默化轉(zhuǎn)化為學(xué)生精神層面的指引，實現(xiàn)課程思政“潤物無聲”融入實驗教學(xué)過程，是目前實驗教學(xué)教師面臨的嚴峻考驗和極大挑戰(zhàn)[6-10]。

盡管高校教師對“思政進實驗教學(xué)課堂”進行了大量的嘗試和探索，但仍存在許多瓶頸問題和挑戰(zhàn)[11,12]：(1) 實驗教學(xué)素材主要來自單一學(xué)科(有機化學(xué)、無機化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué))，不能有效體現(xiàn)化學(xué)各科之間的互相交叉滲透、相互交融的特點，容易造成化學(xué)知識的相互孤立，不利于培養(yǎng)復(fù)合型化學(xué)人才；(2) 本科實驗教學(xué)內(nèi)容缺乏新意和活力，與當(dāng)今科研的最新前沿銜接不夠充分，缺乏對于科研動態(tài)前沿相關(guān)思政教育的合理引入，難以引領(lǐng)學(xué)生與時俱進，造成社會責(zé)任感教育的缺失，導(dǎo)致人才培養(yǎng)模式不完整；(3) 思政理念架構(gòu)通常局限于教學(xué)大綱和全書框架，缺乏“解剖麻雀式”典型范例，無法精準實現(xiàn)專業(yè)教學(xué)和德育融入無縫銜接，不利于學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神和解決問題實踐能力的培養(yǎng)。

本文以“BiVO4納米纖維制備及電化學(xué)性能表征”綜合化學(xué)實驗為“渠道”，將靜電紡絲技術(shù)合成光電材料前沿學(xué)術(shù)知識融入于化學(xué)實驗教學(xué)中，拓寬學(xué)生的科學(xué)視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研能力。通過將科研前沿技術(shù)和應(yīng)用成果滲透在愛國教育和德育教育方面，提升自身的思想境界、道德情操和學(xué)習(xí)動力。通過“解剖麻雀式”典型范例剖析，提煉綜合化學(xué)實驗中蘊含的德育元素，實踐專業(yè)教學(xué)和德育融入無縫銜接，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索和創(chuàng)新的思辨精神，增加學(xué)生的社會責(zé)任感，實現(xiàn)全方位育人。

1 基于“雙向傳輸，科研滲透”式教學(xué)模式初探

本綜合性化學(xué)實驗擬以“BiVO4納米纖維的靜電紡絲制備及性能研究”為例，構(gòu)建一種新型的“師生間雙向傳輸知識-科研滲透式”綜合實驗教學(xué)模式。通過將靜電紡絲技術(shù)合成光電材料前沿研究領(lǐng)域引入到本科生化學(xué)實驗教學(xué)中，并與本科期間四大化學(xué)中相應(yīng)理論知識點相結(jié)合，實現(xiàn)課堂實驗教學(xué)向課堂外的無限延伸。此實驗過程中思政元素的提煉和融入，既要從宏觀上設(shè)計也要從具體實驗步驟細節(jié)上實施，具體如下：

從方案設(shè)計、實驗內(nèi)容和實驗過程中精準提煉思政元素。本綜合實驗涉及到BiVO4電紡溶液的制備模塊、形貌和結(jié)構(gòu)表征模塊(Scanning Electron Microscope (SEM)、Transmission Electron Microscope (TEM)和Diffraction of X-rays (XRD))、光電性能測試模塊等多個關(guān)鍵步驟，每個步驟都需要在前一步驟基礎(chǔ)上進行，其中每一步都有可能出現(xiàn)異常導(dǎo)致整個實驗失敗。因此，在實驗方案設(shè)計方面，順勢引導(dǎo)學(xué)生從整體考慮，小處著手，步步推進；在實驗內(nèi)容方面，引導(dǎo)學(xué)生從課本上講述的電解水反應(yīng)為起點，逐漸過渡到制備優(yōu)異的光電性能電極材料的緊迫性，最后總結(jié)光解水是當(dāng)前解決能源危機和環(huán)境污染的有效途徑。這部分順勢引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，緊跟科學(xué)前沿，增強社會責(zé)任感；在實驗過程方面，引導(dǎo)學(xué)生以嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度面對出現(xiàn)的實驗問題，學(xué)會抓住主要矛盾，透過問題現(xiàn)象挖掘本質(zhì)根源，深化學(xué)生認識事物規(guī)律的原理，注重學(xué)思結(jié)合，知行統(tǒng)一，增強學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實踐能力。

2 實驗組織運行方式和具體實施方案

(1) 本實驗是一個涉及到無機納米材料合成和表征、實驗條件探究和光電性能測試等內(nèi)容的綜合實驗，適用于面向已經(jīng)初步掌握無機化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué)的化學(xué)專業(yè)高年級本科生開設(shè)。由于本綜合實驗的特殊性，每一步的結(jié)果均能決定整個實驗的成功與否，前一步結(jié)果穩(wěn)妥才能進行下一步操作，因此，關(guān)于學(xué)習(xí)和分析問題能力的培養(yǎng)貫徹始終，但在不同的步驟思想政治工作融入的側(cè)重點有差別。總體來說可以從嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度、正確的人生觀和辯證的哲學(xué)思維等方面給予引導(dǎo)。

(2) 實驗學(xué)時為24學(xué)時，分3周完成，每周8個學(xué)時，每2人一組開展實驗。具體安排如下：第一周，建議教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧本科儀器分析化學(xué)電化學(xué)章節(jié)中關(guān)于控制電位電解分析方法原理，列舉在實際生產(chǎn)實際中運用該原理的實例。結(jié)合當(dāng)前科研前沿，帶領(lǐng)學(xué)生充分進行文獻調(diào)研和小組內(nèi)討論，由小組長將各組擬采用的實驗方案一一匯報指導(dǎo)教師，教師進行匯總并帶領(lǐng)學(xué)生對各個方案進行詳細剖析、論證方案可行性，經(jīng)過師生間多輪討論、篩選改進方案，最終選定最佳的實驗方案；第二周，講解BiVO4電紡溶液的制備模塊、形貌和結(jié)構(gòu)表征模塊(SEM，XRD)、光電性能測試模塊等多個關(guān)鍵步驟操作方法和注意事項，介紹用到的儀器(靜電紡絲儀器、掃描電鏡，光電化學(xué)工作站)的測定原理和使用方法。由小組長及時反饋其實驗進展，教師跟進順勢引導(dǎo)學(xué)生解決實驗中遇到的各種問題；第三周分組分析、討論和匯總實驗數(shù)據(jù)，將各實驗?zāi)K實施過程的操作視頻、實驗方案文獻調(diào)研、實驗步驟以及涉及到的本科理論知識點，以PPT形式闡述整個實驗過程和科研體會，以小組為單位進行考核。

2.1 實驗?zāi)康?/h3>
利用光解水制氫將太陽能直接轉(zhuǎn)化并儲存為氫和氧的化學(xué)能是解決能源危機和環(huán)境污染的有效途徑之一，因此，制備具有優(yōu)異的光電性能的新型納米材料作為電極材料，有望用于光解水制氫領(lǐng)域。結(jié)合本科儀器分析化學(xué)電化學(xué)章節(jié)電解水反應(yīng)控制電位電解分析方法原理，在pH = 7的中性溶液中，H+/H2的標準電位為-0.41 V，H2O/O2的標準電位為0.82 V。理論上將1個水分子分解成氫氣和氧氣最少需要1.23 eV。對于其半反應(yīng)氧析出反應(yīng)而言，動力學(xué)緩慢，反應(yīng)效率極低，需要較高的過電勢(約為1.8 V)，成為整個電解水中的速控步驟。
陽極反應(yīng)：H2O - 2e-= 1/2O2+ 2H+
陰極反應(yīng)：2H2O + 2e-= H2+ 2OH-
引導(dǎo)學(xué)生分析如何解決氧析出反應(yīng)過電位高的問題？能否通過已經(jīng)學(xué)過的化學(xué)理論提出解決方案，在較低電位下仍能實現(xiàn)氧析出反應(yīng)？組織學(xué)生分組討論，教師可以從能量守恒角度對學(xué)生進行啟發(fā)，例如電解水反應(yīng)是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能過程，能否借助其他形式能量參與電解水過程？比如借助光能與電能結(jié)合一起用于水分解反應(yīng)。若可以，如何針對電極材料進行設(shè)計，對電極材料有哪些具體要求？按照逐步遞進的引導(dǎo)思路，啟發(fā)學(xué)生加深對儀器分析中光學(xué)基礎(chǔ)知識和物理化學(xué)中氧化還原體系的理解應(yīng)用。具體安排如圖1所示。
圖1 “師生雙向輸送，科研滲透”模式的綜合化學(xué)實驗設(shè)計

2.2 實驗部分

儀器：高壓直流電源，注射泵，小型高溫?zé)Y(jié)爐，電熱鼓風(fēng)干燥箱，電子分析天平，磁力加熱攪拌器，透射電子顯微鏡(TEM，Talos F200S，美國FEI公司)。

實驗試劑：五水硝酸鉍(Bi(NO3)3·5H2O)，乙酰丙酮氧釩，聚乙烯吡咯烷酮(PVP，K-90,Mw=1300000)，乙酰丙酮(C5H8O2)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，以上試劑均為分析純。

2.3 結(jié)果討論

第一周的教學(xué)安排：帶領(lǐng)學(xué)生充分文獻調(diào)研和小組內(nèi)討論，收集各小組匯總上來的實驗方案進行比對和匯總，獲悉BiVO4納米纖維光吸收系數(shù)高，具有優(yōu)異光電轉(zhuǎn)換性能，若利用該材料作為三電極中工作電極，提升電極光電流密度，有望有效捕獲外界光能參與水分解過程。經(jīng)過師生間多輪討論、帶領(lǐng)學(xué)生剖析不同制備BiVO4方法的優(yōu)缺點，最終選定利用靜電紡絲技術(shù)合成粒徑均一的BiVO4納米纖維。具體實驗流程如圖2所示：該綜合化學(xué)實驗分為靜電紡絲制備BiVO4納米纖維、產(chǎn)物形貌表征、光電性能考查和數(shù)據(jù)回收匯總四個模塊。

圖2 綜合化學(xué)實驗操作流程示意圖

2.3.1 靜電紡絲制備BiVO4納米纖維

(1) 電紡溶液的制備：首先，移取12 mL DMF和2 mL乙酰丙酮于25 mL的燒杯中，用電子分析天平依次稱取1.454 g五水硝酸鉍和0.825 g乙酰丙酮釩，緩慢加入到上述溶液中，磁力攪拌5 h；然后，往上述溶液中加入1.2 g PVP，繼續(xù)攪拌1 h，得到澄清的藍色溶液。通過該部分實驗，讓學(xué)生回顧教材中涉及的分析天平的正確使用、攪拌溶解、加熱和過濾等基本操作。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，某組同學(xué)配制的溶液不澄清，前體溶液沉淀析出；還有同學(xué)出現(xiàn)配制溶液的氣泡較多等不正?，F(xiàn)象。經(jīng)過教師多次指導(dǎo)學(xué)生摸索條件和優(yōu)化，調(diào)整加入前體溶液的順序、延長陳化時間等策略，最終得到澄清的藍色溶液，如圖3B所示。在這個過程要順勢引導(dǎo)學(xué)生，實驗過程中遇到困難，仍要堅持不懈、迎難而上，不放棄，小組之間互幫互助，共同克服困難。

(2) 靜電紡絲設(shè)備搭建：指導(dǎo)學(xué)生利用實驗室現(xiàn)用的高壓電源、注射泵、紅外烤燈和鋁板搭建如圖3A所示的簡易靜電紡絲設(shè)備，鼓勵學(xué)生大膽動手。

(3) 靜電紡絲流程：將制備的溶液超聲2 h排除氣泡，裝入10 mL注射器并固定在注射泵上，用正高壓導(dǎo)線夾住針頭部分，在距針頭18.5 cm的正前方安裝一個連接地線的鋁板作為接收板，在針頭與接收板之間形成一個靜電場。設(shè)置注射泵的各項參數(shù)，將速度設(shè)定為0.4 mL·h-1，高壓電源的電壓設(shè)定為18 kV并做好接地處理。靜電紡絲結(jié)束后，將產(chǎn)物從鋁箔上收集，獲得白色絮狀產(chǎn)物，立即150 °C烘干3 h，得到顆粒狀產(chǎn)物(圖3B)。靜電紡絲過程中經(jīng)常出現(xiàn)從針頭噴出來的產(chǎn)物迅速成球，粘連在注射器針頭，導(dǎo)致針頭堵塞，無法獲得纖維狀產(chǎn)物。該階段應(yīng)提示學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)，克服困難，解決問題。最終，可用開啟紅外加熱燈，維持濕度在30%解決上述問題。同時順勢融入從細節(jié)決定成敗的科學(xué)做事態(tài)度，遇到困難積極剖析問題本質(zhì)、錘煉不畏困難的堅強意志品質(zhì)。

圖3 學(xué)生自制簡易式靜電紡絲設(shè)備(A)和產(chǎn)物外觀形貌(B)

2.3.2 BiVO4納米纖維的形貌表征和性能測試

第二周的教學(xué)安排：帶領(lǐng)學(xué)生對前一周得到的BiVO4納米材料分別進行形貌、結(jié)構(gòu)表征和性能測試。首先進行掃描電子顯微鏡(SEM)表征，得到圖4所示結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生直觀觀察所制備的BiVO4納米材料呈管狀多孔纖維結(jié)構(gòu)，直徑在150-300 nm之間，長度約2-4 μm。元素成分測試顯示所制備的納米纖維分別含有Bi、V和O元素，并通過X射線衍射儀(XRD)測定納米纖維的物相結(jié)構(gòu)。通過比對BiVO4的特征衍射峰，在28.5°、30.5°和34.5°的衍射峰，分別對應(yīng)單斜BiVO4的(121)、(040)和(200)晶面，進一步驗證各組已成功制備BiVO4納米纖維。之后，通過熱重和差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorimetry，DSC)掃描進一步表征納米纖維的結(jié)構(gòu)。各組將得到的表征結(jié)果匯總反饋指導(dǎo)教師，教師點評剖析納米纖維形貌過程中，提示他們回顧物理化學(xué)中設(shè)計到的熱重、DSC等熱力學(xué)知識和常用表征材料形貌的方法，讓學(xué)生體會如何將化學(xué)學(xué)科相關(guān)理論知識學(xué)以致用和深入拓展。

圖4 靜電紡絲產(chǎn)物的SEM表征

其次，根據(jù)三電極測試方案。如圖5所示，各組獲取的BiVO4的納米纖維修飾的FTO (Fluorinedoped tin oxide)導(dǎo)電玻璃作為工作電極，銀-氯化銀作為參比電極，鉑絲電極為對電極，利用光電工作站進行測試電流密度。通過圖5可以看出，開啟氙燈，光電流密度升高，關(guān)閉氙燈，光電流急劇下降。教師對測試過程中電極制備、電解液優(yōu)化、測量參數(shù)設(shè)置等細節(jié)進行指導(dǎo)和評估。該部分順勢結(jié)合當(dāng)前科研前沿，如果將該材料作為三電極中的工作電極，能提升電極光電流密度，有望有效捕獲外界光能，將太陽能直接轉(zhuǎn)化并儲存為氫和氧的化學(xué)能，有望解決能源危機和環(huán)境污染等社會民生問題。從而，讓學(xué)生增強社會責(zé)任感，將社會主義核心價值觀內(nèi)化為精神追求、外化為自覺行動，激發(fā)創(chuàng)造創(chuàng)新活力。

圖5 基于BiVO4納米纖維的光電性能測試

2.3.3 基于“雙向傳輸，科研滲透”式綜合化學(xué)實驗教學(xué)效果反饋

第三周教學(xué)安排：以小組為單位對上述綜合化學(xué)實驗進行考核?？己藘?nèi)容有各實驗?zāi)K實施過程的操作視頻、實驗方案、文獻調(diào)研、實驗步驟以及涉及到的大學(xué)本科理論知識點，以PPT形式闡述整個實驗過程和科研體會。由各組長代表講述本小組的具體工作。評判標準包括以下幾個部分：PPT講解占40% (實驗操作視頻，設(shè)計方案和實驗步驟)、實驗報告占20% (數(shù)據(jù)處理)、實驗結(jié)果分析和科研心得占40%。為考核標準更加客觀公正，讓每個學(xué)生都參與打分，教師只是評分者中的一份子。評分方式為小組成績(百分制) = (小組自評分(百分制)+組間評分(百分制)+教師評分(百分制))/3，即小組最終成績等于小組自評分與組間互評加教師評分的平均分。按照上述評分標準，分別給出各組成績。指導(dǎo)教師對每個組的成績和存在的問題進行點評，例如，某小組文獻調(diào)研不夠全面，實驗操作不夠規(guī)范；某小組準備的電鏡樣品濃度太大和數(shù)據(jù)分析不詳盡；某小組在工作電極制備中，電極面積未能固定，F(xiàn)TO基底玻璃未實行固定面積。針對存在問題，教師給予改正意見。最后，教師針對每一個實驗?zāi)K中涉及到的本科期間所學(xué)的理論知識點進行梳理，重點點評學(xué)生的動手能力、團結(jié)協(xié)作能力、分析和解決問題的能力。做到將“學(xué)有所依”與“學(xué)以致用”充分融合，引導(dǎo)學(xué)生開拓思維和培養(yǎng)學(xué)生善于思辨的科研品格，激發(fā)學(xué)生的科研熱情。最終實現(xiàn)課堂實驗教學(xué)向課堂外的無限延伸，使學(xué)生在潛移默化中對其人生觀、價值觀以及做事的態(tài)度和分析問題能力諸多方面進行提升，從而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

3 結(jié)語