构建“微型挑战杯”模式的化学创新实验课程

许伟钦， 邱燕璇， 江 涛， 柳晓俊， 关高明， 钱扬义

(1. 广东第二师范学院 化学系， 广东 广州 510303；2. 华南师范大学 化学与环境学院 ， 广东 广州 510006)

近几年来，高校普遍开展了大学生创新创业训练、挑战杯创新项目等实践活动，学生的创新思维从中得到较大的提高，自首届挑战杯赛事以来，很多参与者都已经成为此类赛事的受益者，成为社会发展的贡献者。但受限于资金和项目指标，只有少部分的大学生有机会参与到挑战杯等创新科技项目中，得到思维和技能方面的锻炼[1-4]。而本科生毕业论文是在学生面临考研复习、找工作的巨大压力下进行的，学生在创新和批判性思维方面并没有真正得到深入锻炼[5-6]。因此，对于没有经历科技创新项目训练的本科毕业生，往往在文献检索技巧、文献信息整合归纳、挖掘创新点、解决复杂工程问题等方面存在着不容忽视的就职劣势。

作者结合多年来指导大学生创新创业训练项目及挑战杯等创新项目的经验，深入考察了德国卡尔斯鲁厄理工学院化学系的本科生实践Project(小项目式)课程模式，结合当前广东第二师范学院化学系实验课程的现状，开发了“微型挑战杯”模式的化学创新实验课程，使挑战杯类科技活动从精英化向大众化过渡，旨在让学生参与度大、受益面广。此类实践课程易于操作，能更深入地培养学生的创新思维和批判性思维，把校园文化向学习型、应用型、创新型方向潜移默化地转变。

为了使更多本科生的创新思维在实践中得到锻炼，“微型挑战杯”模式化学创新实验课程将突破传统的实验教学模式，以培养学生创新思维、批判性思维为导向，借鉴大学生挑战杯的开展模式，设计出具有创新价值的孵化开放课题。每个孵化开放课题都是经过导师精心设计、具备适度工作量和难度适中的“微型挑战杯”子项目，着重培养学生解决复杂工程问题的能力[7]。该课程项目时限为1学期。参与本课程学习的学生可以根据自己的兴趣参与相应的研究项目。

1 课程设置目标、指导思想、设计思路

1.1 课程设置目标

改革常规实验模式，独立设置一门创新创业类实验课程。深入挖掘各学科专业知识、理论、实践的创新型特质，引导学生在实践中勤于动手、敢于创新，在潜移默化中激发学生的创新创业意识。注重实验的综合性、创新性、设计性，将创新创业实践活动与专业实验教学有机融合、有效衔接。

1.2 课程设置的指导思想

(1) 培养团队协作精神。参照传统大学生挑战杯的模式，参与本课程学习的学生将成立各自的研究团队并确定项目负责人，项目组员分工明确，环环相扣，有利于培养团队的协作精神以及统筹领导能力。

(2) 培养创新精神和主观能动性。化学创新实验课程导师组的职责是提供智力支持、资金支持、技术指导、安全顾问以及项目监督，前期的文献调研和具体实施的研究方案必须由学生团队自主设计。

(3) 培养学生的知识产权保护意识及竞争意识。课程结束后，每个研究团队必须将项目成果进行规范化整理(论文形式或发明专利)，设立成果展示和汇报环节。

1.3 课程设置思路

借鉴大学生挑战杯的开展模式，各指导教师确定研究方向，学生选择感兴趣的方向并进行实验方案设计，通过查阅相关文献资料并与指导教师讨论后实施方案，学生在此过程中掌握了自主权，能达到训练学生科学创新的能力。在项目后期将对学生在实验安全、独立分析思考能力、批判能力、创新设计能力等方面与同级学生的能力进行对比分析，以实验设计和实验操作等方式对学生的能力进行考核，并设计好相对应的评分标准。因此参与此课程学习的学生在创新能力训练方面能够得到更充分锻炼。其流程见图1。

图1 “微型挑战杯”模式的化学创新实验课程流程

2 课程性质、内容、考核方式

2.1 课程性质

“微型挑战杯”模式的化学创新实验课程属于选修课，总学时为48学时，1.5学分，是完全独立设置的开放式实践课程，在第五学期开设。

2.2 课程内容

“微型挑战杯”模式的化学创新实验课程选择研究项目时，下列课题方向可供参考。

2.2.1 功能性配合物多孔材料制备与应用

功能性配合物材料是一类具有特殊光、电、磁、热、化学及生物的新型功能材料[8]。磁性功能配合物在信息存储、分子器件、生物和医药等方面展现了其诱人的前景。发光功能配合物能呈现不同效率和寿命的各色发光，在信息存储材料、感光防伪材料、光电转化器件、生物活性分子的光调控和光致变色染料等方面具有很多实际或潜在的应用。多孔功能配合物具有高度规整的框架和孔道结构，在催化、分离、吸附、气体储存、传感等领域有着很好的应用前景。导电性功能配合物的种类繁多，性能各异，已广泛应用于修饰电极、光电二极管、L-B膜、导电涂料等。

印染废水是排放量巨大的工业废水，研究快速、高效地处理染料废水的方法具有重要的实用价值。与诸多常用处理方法相比，生物酶法降解染料对环境更友好。一些特定结构的功能配合物材料具有潜在的酶学特性，但是比生物酶更稳定，更容易保存。该课题要求学生设计功能配合物材料用来模拟漆酶及一些含金属氧化酶催化氧化染料的降解，为处理含染料废水的处理提供新材料[9]。学生需要完成以下任务:(1)前期文献调研以及与导师的讨论，熟练使用磁力搅拌器和旋转蒸发仪等合成有机配体的仪器，并进行红外光谱、核磁波谱等表征配体结构；(2)通过水热法、界面扩散法等不同方式进行单晶培养并完成分子精细结构表征，通过UV等手段进行该配合物在催化氧化染料的降解方面性能的表征；(3)成果整理并汇报展示。

2.2.2 纳米材料的制备和应用

纳米材料具有特殊的体积效应、表面效应、界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应及介电限域效应，呈现出一系列独特的物理、化学性质[10-11]。无机纳米材料主要包括纳米氧化物、纳米复合氧化物、纳米金属及合金等。纳米氧化物在催化领域有十分广泛的应用，国际上把纳米粒子催化剂称为第四代催化剂，主要应用于石油化工催化和光催化；纳米复合氧化物具有优良的综合性能，被广泛应用于航空航天、国防、交通等领域。

重金属易在生物体内累积、对环境破坏性大。常规的污水处理对重金属的去除率低，运行费用高。纳米材料具有高比表面积、易分离、反应快和可重复利用等优势，是高效的吸附剂和催化剂。通过纳米材料吸附水溶液中的重金属离子是近年来的研究重点。该课题要求制备出能够吸附两种或两种以上重金属离子的纳米吸附材料，为处理含重金属的废水提供新型材料[12]。学生需要完成以下任务:(1)以过渡金属盐为原料，通过水热法和电沉积法进行纳米材料的合成，探究不同条件下的合成情况，测试扫描电镜，筛选出最佳的原料和方法；(2)进行纳米材料模拟净化含铅、汞等重金属污水，通过测试原子吸收进行效果表征，研究其最佳的净化条件和内在的动力学和热力学机理；(3)实验数据整理分析，PPT汇报和论文撰写。

2.2.3 柔性超级电容器电极材料的制备及应用

超级电容器(Supercapacitor， SCs)，又叫做电化学电容器，属于绿色环保可利用能源，具有高功率密、充放电度能力强、容量高、使用寿命长、可超低温工作、无污染等许多显著的优点，在消费电子和新能源汽车等各个不同的领域上有着广泛应用[13]。

随着环境的不断恶化和能量损耗，可再充电能量储存技术近年来引起人们广泛的关注。随着可穿戴、可弯曲、柔性电子产品的发展，能为其提供高能量、高功率的柔性储能器件得到越来越广泛的关注和研究。该课题要求制备出具有电极耐久性强、电荷储存能力强的柔性正负极材料，期望在超级电容器电极的研究上取得突破[14]。学生需要完成以下任务:(1)将以碳布为基底材料，制备柔性三维纳米氢氧化镍正极材料，探讨最佳实验条件以制备出耐久性强的五氧化二钒，作为负极材料；(2)将制备的正负极材料进行XRD等表征，利用电化学工作站正负极材料循环伏安和交变电阻测试，表征其电化学方面的性能；(3)尝试将该正负极材料进行组装成为超级电容器，测试其电极耐久性、电荷储存能力；(4)实验数据整理，PPT展示和论文、专利撰写。

2.2.4 新能源材料的制备和应用

新能源材料能实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术所需的关键材料，主要包括:储氢合金为代表的储氢材料；锂离子电池为代表的二次电池材料；质子交换膜电池为代表的燃料电池材料；硅半导体为代表的太阳能电池材料； 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料[15]。

化石燃料的匮乏和全球环境状况的恶化使得传统能源工业难以满足社会的发展需求，制备出能储存和有效利用现有传统能源的新材料是发展新能源的核心和基础。该课题以电池材料为研究对象，要求制备出新型相变储能和节能电池材料[16]。学生需要完成以下任务:(1)通过水热法和电沉积法合成电学性能优异的含镍纳米正极电极以及含氧化锰等纳米负极材料，利用电化学工作站和电镜扫描等进行表征；(2)制备出导电性能好，安全且能够成膜的电解液；(3)将电池的正负极以及电解液组装成新型的电池，学会组装电池的技巧和原理并对该电池的充放电性能进行测试；(4)实验数据整理，进行PPT展示和论文、专利撰写。

2.3 考核方式

“微型挑战杯”模式的化学创新实验课程的考核，改革传统的实验课程考核模式，不再以理论笔试、实验操作等内容作为考核要点，而是根据学生的创新思维、实验方案、完成的预定目标等指标进行考核。评价主体多元化，采取教师、社会、学生多元化评价主体，实现评价内容多维度，注重过程评价与结果评价相结合，根据学生创新意识、科学素养、实践精神、动手能力和团队精神，改变单一以考试成绩为唯一标准的考核模式，采用平时表现、实验操作、研究项目等综合成绩评价学生在创新实验课程中的学习能力、创新意识、创新能力。

3 “微型挑战杯”模式的化学创新实验课程的创新点

3.1 课程模式的创新

“微型挑战杯”模式的化学实验课程模式与传统的化学实验课程模式不同点，见表1。传统的实验教学课堂一般规定学生独立完成某一项规定的实验内容，并且操作内容必须按照实验教材进行，内容比较简单，学生只能被动地参与实验，实验课程评价一般基于实验报告的撰写。相比之下，“微型挑战杯”实验课程要求学生通过团队协作的方式完成实验课程，学生必须完成实验方案设计、药品的挑选及前处理、实验过程、实验问题解决、实验成果汇展等环节。实验课程所涉及到的知识较集中，聚焦于解决实际问题，有一定深度，要求学生深入了解特定项目课题，理论和实践紧密相结合，有利于解决实际工程问题。

表1 创新实验课程与传统实验课程模式比较

3.2 课程形式的创新

本课程是针对有一定专业基础大二以上的学生开设的综合实验课程，有兴趣的学生均可自主报名选课。学生根据自己的兴趣可以选择功能配合物材料、或柔性超级电容器电极材料、或新能源材料等课题，同时可自主选择指导教师，学生有充分的自主权。

根据选课人数进行课题分组，形成合作团队。各组指导教师对选定自己研究方向的小组进行课题的理论介绍，让学生对自己所选择的研究课题的背景有一个基本的了解。期间可邀请各领域的专家学者讲学，小组成员形成研究合作团队，明确分工和职责。上课时间不定，但教师要保证自己的工作量。

3.3 课程教学的创新

传统的化学实验课程存在一些问题:如实验课程开设一般都是独立学科的实验，如无机化学实验、有机化学实验、物理化学实验、分析化学实验等，目标只是对书本理论的简单论证，缺乏对所学各科知识的融会贯通；缺乏对学生实验创新素质的培养，如创新实验能力、实验设计能力和研究能力的培养；课程基本由任课教师主导，学生仅仅只是完成实验的基本内容，而缺乏对实验课程的总体认识、实验内容较为陈旧、教材更新速度慢、不能与时俱进等。

本项目的实验课程主要目的是要充分发挥学生的主观能动性，启发学生的创新思维，培养学生的创新实践能力。要求课程指导教师突破传统的思维定式和传统的授课模式，在指导学生实验过程中涉及的理论知识不再是简单的单科理论课知识，而是综合多个化学学科的知识进行实验设计、操作和分析，整体的实验流程学生不再仅仅涉及到单一的学科知识，而是充分联系到各个化学学科的知识，从实验的选题方向、资料的收集、实验的开展到实验的总结均以学生为主导。课题小组深入查阅相关的文献资料并进行小组讨论后，汇报给相应的指导教师，最后汇总成可行性较强的创新实验方案，指导教师仅仅起监督和技术指导的作用。

3.4 实践能力的创新培养

课程中不同方向的指导教师依据小组的实验情况，及时进行实验方法的调整，引导学生独立思考，大胆创新，充分发挥学生的积极性和创新性。从实验方案的设计，到实验仪器药品的准备和最优实验方法的筛选等都要求实验小组善于发现问题，解决问题。各个小组必须熟悉药品的安全储存方式及前处理方法，充分发挥主观能动性。各个小组针对自己特定的实验方向对各种实验方法进行尝试，根据科学合理的表征方式筛选最佳的实验方案。实验时间机动性强，小组可以自主合理安排实验时间，可以充分利用课余时间。指导教师进行基础的数据分析指导，小组成员根据实验数据推导出严谨科学的结论，以小组的形式根据进行实验进程中遇到的问题进行反馈，对实验的阶段性成果进行汇报展示等，培养学生发现问题、解决问题的能力。这个过程不仅提高了学生发现问题解决问题的能力，而且极大地丰富了第二课堂活动以及提升了学生的实践能力。

3.5 课程考核评价机制的创新

“微型挑战杯”模式的化学实验课程的考核，改变传统的实验课程考核模式，不再以理论笔试、实验操作等内容作为考核要点，而是根据学生的创新思维、实验方案、完成的预定目标等指标进行多维度考核。如图1中的子课题——配合物多孔材料的制备与应用的考核点:配体的设计及合成方案、配合物的合成及功能表征情况、数据整理和汇报等；子课题——纳米材料的制备与应用的考核点:材料合成、方法的选择、对污水处理能力的表征、成果展示及汇报等；子课题——柔性超级电容器电极材料的制备及应用的考核点:正负极材料的制备、实验和表征、组装和性能测试、实验汇总及展示等；子课题——新能源材料的制备与应用的考核点:负极和正极的制备、电解液的制备、组装及性能表征、数据整理及展示等。

4 结语

根据社会、企业对大学生创新创业能力的需求，结合本校实际，构建了一门学以致用创新创业实验课程。制定教学目标，遵循从认识到实践的循序渐进的原则，注重由通识到专业的双能协同原则和课内到课外的学时融通原则，实现与专业教育的深度融合。从低年级的启蒙教育，到中高年级的能力培养，到毕业生的实战实训建立层级化的课程体系，培养批判性思维能力，创新创业意识，着重培养学生创造性解决专业复杂问题能力，把教师科研成果、工程实践项目、各类学科竞赛和创新创业训练项目结合起来，开启研究方法、学科差异、创业基础、就业创业探索，构建面向应用的创新创业课程。

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