大学生创新创业项目的应用实践

上传:colarabbit 2022-08-26 11:20:24 版权声明 举报文章

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[摘要]创新创业教育是高校人才培养的重要途径之一,针对大二学生处于基础课程学习阶段尚未进行专业课程学习的情况,在物理化学教学过程中强化学生对实验原理的掌握,加强实验设计的主观意识,严格要求实验报告的撰写规范等方面着手,培养学生创新创业技能,并设计一个物理化学知识衍生的创新训练模式,将物理化学基础课程学习与创新实践相结合,使得学生学有所用,也促进教师在后期的理论课程教学中提供生动的教学案例。

[关键词]创新创业;物理化学;实验教学;训练模式;案例

2021年10月12日国务院办公厅印发《关于进一步支持大学生创新创业的指导意见》,其中指出深化高校创新创业教育改革,将创新创业教育贯穿人才培养全过程,建立以创新创业为导向的新型人才培养模式。完善中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛可持续发展机制,鼓励各学段学生积极参赛[1]。在分析大学生创新创业项目实施过程中,不难发现部分项目与学科专业脱节、学生参与度低等问题[2-5]。造成如此局面的原因主要有两种,一方面很多学生申请或参与创新创业项目主要是为了获得学分,并非是源于兴趣,缺少了主动性。另一方面,对于大二的学生而言,仍处于基础课程学习阶段,缺乏专业知识储备,对研究背景、研究方法和技术路线、研究手段及拟解决的关键问题等一知半解,使得学生在创新项目选题、执行方面具有一定的挑战性,从而影响影响了参与度和申报参与项目的积极性[6-7]。在此背景下,依托中南大学化学化工学院教学和科研实验平台,在教学过程中强化学生创新创业能力的培养,引导本科生利用已学的物理化学理论知识和实验技能孵化创新创业项目,通过教师科研平台帮助学生将想法进行验证和探索,设计一个物理化学知识衍生的创新训练模式,将物理化学基础课程学习与创新实践相结合,促进学生对知识的学有所用,同时为教师在后期的理论课程教学中提供生动的教学案例。

1教学过程中强化学生创新创业能力的培养

如图1所示,在本科生创新创业项目中,需要团队具有项目选题-文献检索-实验方案设计-数据获取-数据分析处理-撰写调研报告及学术论文等能力[8],因此在物理化学实验教学中设计了实验目的-实验原理-仪器与试剂-实验步骤和现象-原始数据收集-数据处理分析-实验结果讨论几个部分进行相关的教学和能力培养。

1.1丰富的教学内容

物理化学实验课程旨在巩固和加深同学对物理化学原理的理解,提高学生对物理化学知识灵活应用的能力。课程主要涉及热化学实验、平衡实验、化学动力学实验、电化学实验、表面化学实验、胶体化学实验等。在接触常规实验仪器(移液管、搅拌器)的同时,学生们有机会使用多种恒温和加热装置(恒温水浴槽、管式电炉、马弗炉)、压力测定和真空装置(压力计、真空泵)和多种测试仪器(阿贝折射仪、电导率仪、差热分析仪、电位差综合测试仪)等。这些仪器的使用拓宽了学生的视野,同时掌握这些仪器的原理和操作有助于学生们在后期创新创业实践中部分实验的顺利进行。

1.2强化逻辑思维培养

大学生的创新创业项目一般都具有“目标导向”,因此在物理化学实验教学中强化学生对应实验目的的凝练和总结,在实验报告的“实验目的”部分,要求学生思考本次实验的意义,所能测得的热力学数据是什么,从而强化学生实验过程中的“目标导向”。在教学过程中,与全程灌输讲授的授课模式相比,目标问题导向式的教学方式围绕着各种问题展开,使学生从认识问题、分析问题、解决问题的角度出发,锻炼学生的理解、分析和实践能力。因此,在课堂讲授实验过程中,在已有的“目标导向”基础上,通过设计多个轮次的问答(“理论课上什么反应能实现目标?”“基于什么方程能求解得到?”、“需要测定哪个物理量”、“如何实现物理量的测定”等),促进学生思考,从设计实验的角度帮助学生理解实验原理-仪器和试剂的选择-实验步骤的顺序,从而培养设计实验的逻辑思维。以“二级反应—乙酸乙酯的皂化反应”为例,首先会确定此次实验的主要目标,即“求二级反应的速率常数及反应活化能”。然后进入问答环节,由第一个问题“凭什么证明我们这个是二级反应”,可以从学生的回答——“反应级数是二”使学生明确反应级数的定义。由第二个问题“反应级数的确定方法?”,可以引导学生回忆理论课中学习的“尝试法、图解法、半衰期法、微分法、孤立法”,并通过互相对比,体会本次实验选择图解法的理由,帮助学生建议筛选方法的思路。由第三个问题“图解法对应公式中的浓度如何测定?”,帮助学生了解化学法测定浓度的操作难度,以及如何将待测的“浓度”转移成可以即时读取的物理量—电导率,从而帮助学生建立仪器选择的概念。在此基础上,设立一个问题,即“如何将乙酸乙酯皂化反应设计成一级反应,并求得相应的反应速率常数和表观活化能?”,从而引导学生对于实验的关键环节的理解,也培养学生设计实验的能力。

1.3完善考核细则

课程考核是衡量学生学习效果的重要方式,通过完善考核细则,提高部分环节的分数占比,有助于提高学生对关键知识点和技能的重视和掌握。对于物理化学实验报告而言,各部分的分散占比分别为实验目的(8%)-实验原理(8%)-仪器与试剂(8%)-实验步骤和现象(8%)-实验操作+原始数据收集(8%)-数据处理分析(40%)-实验结果讨论(20%)。其中,实验原理部分严禁学生照搬书籍,需要同学们在预习的基础上,从“化学反应原理”、“物理化学原理”和“数据测量原理”三方面进行总结和凝练,用自己的话将原理进行陈述。从而促进学生在阅读书籍过程中的文献检索和整理能力。其次,通过对学生实验现象记录和原始数据卡的考核,培养学生及时记录室温和大气压等潜在的环境影响因素,以三线表形式规范化原始数据记录,从而锻炼学生严谨细心的态度,培养认真记录原始数据及现象的“获取数据”的习惯。与此同时,物理化学实验课程重点考查学生的数据处理分析能力,着重考查数据处理的准确性,并要求学生查阅文献参考值进行数据的误差计算,个别实验要求学生进行偏差计算。根据数据处理结果,学生需对误差的来源进行分析,并提出实验的主要结论。根据实验过程的心得及查阅相关文献,对实验的方法和注意事项提出自己的看法。其中,所有的误差分析要满足定向性原则,即不可以空泛的讨论,要根据自己提出的假设,自行推导对所引入的影响因素对结果造成的正、负向偏离。基于此,可以对学生的“数据处理分析”、“文献检索查阅”和“调研报告撰写”等方面进行培养,为后续的专业课程和创新创业实践做好基础知识和基本能力的储备。

2物理化学课程教学孵化大学生创新创业项目示例

2.1项目背景

化石能源占能源使用的比重最大,但其具有不可再生的性质,且使用过程会污染环境。因而迫切需要寻求新型绿色能源,以减少对化石能源的依赖[9]。其中,利用太阳能光电催化分解水制氢具有绿色、环保、反应条件温和、无副产物等优点。为促进氢气的产率,需要探究光电催化分解水的影响因素,并采取相关手段以提高光电分解水效率。其中,光电催化分解水一般的评价指标为1.23V(vs.RHE)电极电势下的电流密度。作为一个光阳极体系,不仅仅要考虑材料自身对光电催化分解水性能的影响因素(光吸收、体相载流子分离效率、表面载流子注入效率),还要保证测试体系中对电极的催化活性(氢的析出过电势)和外接电路及溶液串联电阻等。

2.2项目孵化

在物理化学的电化学实验教学中,提供了“分解电压”、“弱电解质电离平衡常数测定”、“阴极极化曲线的测定”等一系列实验。在理论课学习的基础上,学生总结发现四个规律:(1)温度升高离子的电导率增加;(2)水的分解电压中包含一定的过电势,而该过电势受到材料种类的影响;(3)温度升高金属电导率降低、半导体电导率增加;(4)随着温度的增加,水的分解反应吉布斯自由能是降低的,所需的分解电压也降低。在以上四个规律基础上,考虑到实际生活中光电分解水的反应温度难以保证实验室常规的25℃,因此学生提出通过提高反应温度促进光电催化分解水的思路。后经文献查阅,发现温度升高可能会影响材料稳定性,且许多半导体在分解水过程中由于光腐蚀或材料本身的不稳定性而不能长时间工作[10]。因此学生提出了研究温度对CuWO4基半导体光电催化分解水影响的思路,并将其作为研究内容的一部分申请大学生创新创业项目(S2021105330407)。在教师的科研实验室,学生参考“阴极极化曲线测定”实验中学习的三电极模式进行光电化学测试,通过“弱电解质电离平衡常数”和“表观摩尔体积和偏摩尔体积的测定”等实验中所掌握的恒温槽操作技能进行恒温,得到了不同温度下的光电流密度数据。在5℃、15℃、30℃、45℃和60℃时,电流密度分别为0.10mA/cm2、0.11mA/cm2、0.15mA/cm2、0.16mA/cm2和0.19mA/cm2。可以发现随着测试温度的升高,体系的光电流增加,即具有更好的光电催化性能。采用“弱电解质电离平衡常数”和“二级反应”实验中涉及的电导率测定方法,研究了不同温度下的电解质溶液电导率。在5℃、15℃、30℃、45℃和60℃时,0.2mol/L的磷酸氢钾缓冲溶液的电导率分别为20mS/cm、25mS/cm、32mS/cm、42mS/cm和52mS/cm,证明了之前的猜想,即温度升高可以提高电解质溶液的电导,降低电阻。最后,采用交流阻抗测试(电化学实验绪论部分涉及内容)研究了不同温度下的测试体系的外部电阻(溶液+电极导线等串联电阻)和半导体材料的内阻。在5℃、15℃、30℃、45℃和60℃时,测试体系的外部串联电阻为26.5Ω、23.6Ω、20.1Ω、18.5Ω和18.4Ω,半导体材料的内阻为4.13kΩ、3.26kΩ、2.39kΩ、2.02kΩ和1.32kΩ。从中可以得出结论,即温度在一定范围内可以减小溶液、电极线等构成的外部电阻,但主要的内阻还是由材料内部贡献,对此学生从物理化学理论课的统计热力学方面给予了自己的解释。同时,学生也期待通过后续的结构化学、半导体物理等课程的学校对其进一步的解释。作为教师,这也可以成为一个案例用以理论课的教学。

2.3孵化项目案例反思

实践证明,基于已学知识衍生的创新创业项目,对于学生而言难度适合,整个项目进行过程中学生总是可以找到自己熟悉的环节,除开疫情防控时期,基本保证了参与度。在执行项目的同时,学生进一步了解了光电催化体系的工作原理和主要的影响因素。由于在前期的实验过程中学生已分段式的已经将基础课中尚未接触的专业知识涉及到,使得学生可以独立的进行实验操作,并对CuWO4的光电催化性能进行进一步的优化,确保了创新创业项目中后期研究内容的顺利执行。

3结语

综上,基于物理化学课程教学孵化大学生创新创业项目,从强化教学过程中学生对实验原理的掌握,加强实验设计的主观意识,严格要求实验报告的撰写规范等方面着手,为学生进行大学生创新创业实践打好基础。同时,在课程教学中激发大学生主动思考的习惯以及通过参考文献给老师挑错的能力,促进其提出改进和升级实验的想法,从而孵化大学生创新创业项目。采取这种模式孵化的项目是基于学生掌握技能和一定文献阅读后自我思考的结果,具有较高的可执行性。测试手段大部分与物化实验涉及的原理和仪器相关,学生能独立承担的实验内容明显增加,避免了部分大学生创新创业项目中学生参与度低的问题。而且在充分参与实验的过程中,学生的实践操作技能得到进一步提高,对于一些现象激发其对后续专业课的兴趣,加强其对自身专业的兴趣和信心。另一方面,这种模式可以促进教师发现培养学生的着力点,所孵化的项目也帮助教师在理论课教学中提高生动接地气的案例,拉近学生与物理化学知识的距离。

作者:刘洋 丁治英 李文章 李洁 单位:中南大学化学化工学院