石墨烯相关实验的学生素质培养模式探索

李 伯 平

(南开大学 化学国家级实验教学示范中心， 天津 300071)

0 引 言

从10年前的“钱学森之问”到当下的“中国制造2025”，凸显国家对卓越人才的急切需求。传统的本科教育以知识与技能的教学为重点，很少顾及学科兴趣、情怀、梦想的培育，学生难于从中了解学科的未来价值在哪里、他们的方向在哪里、他们该如何去创造人生价值与社会价值。

然而，大量的素质研究结论表明[1-5]，一个人是否能为社会创造价值、创造多少价值虽然与他的知识能力有关，但关键在于他的价值观、品格和梦想。如果学生的价值观、品格有问题，那么其知识和能力将很难转化为社会价值，在极端的情况下甚至可能成为社会的负能量。另一方面，没有梦想支撑的人生不会有力量攻坚克难，成就卓越。因此，一所出色的大学，除了应该竭尽所能传授知识、培养学生的学术能力之外，还应该有能力、有规划去塑造学生的灵魂[5]，否则，它所描绘的素质教育“蓝图”是不完整的。

因此，传统本科教育模式需要改革，可以从一门简单的课程、一个小小的实验、一次简短的师生对话开始。作者选择石墨烯相关的研究内容，设计了“走入前沿、发现价值、激发兴趣、培育梦想——石墨烯相关系列研究性实验”，尝试将综合化学实验的首要目标转至展示学科价值、激发兴趣、培育激情与梦想和提升解决问题能力的方向。

1 学生学科兴趣与梦想的缺失

如果在课堂里有一大半学生坦言对本学科没有多少兴趣，不知道有多少老师可以坦然接受。事实上这样的状况在许多学校已是常态[6-9]。从对化学院本科学生的调研发现，学生对学科的喜好程度随着在学时间的延长而降低，到大三时真正热爱化学的人数只有16%，55%的学生对化学的兴趣一般，而对化学“还能接受”以及明确“没有兴趣”的人数之和却高达29%。这对化学院而言是个难以接受的结果，那些对本学科缺乏足够兴趣的学生将来很难会留在本专业领域长期工作，即使勉强留下也难有创新激情，很难取得出类拔萃的专业成就。

是什么导致如此严重的“兴趣缺失”问题？招生方式局限、专业转换不易、就业收入不高固然是重要客观因素，但在课程架构、课程设计上对“兴趣培养”投入不足也是重要原因之一[9]。大家高度认同的兴趣才是最好的老师的观点[10]，就当下本科教育而言，急需让学生尽早走入学科前沿、发现学科价值、养成学科兴趣，并引导他们关心重大学术问题和社会问题，进而帮助他们确立人生梦想。学校应该是学生“筑梦”的地方[11]，而不仅仅是一个人生的中转站。

2 石墨烯相关系列实验的构架

石墨烯相关系列实验是高强度、系统化的研究性实验。其中部分流程是指定的，包括“石墨烯改变世界”、实验方案研讨、氧化石墨烯与石墨烯的制备；其它流程则依据学生提交的研究方案确定，包括石墨烯的功能化、金属氧化物纳米片的制备、柔性复合膜与超级电容的制备、柔性锂硫电池制备、各种表征等。实验至少需进行4天，2017年度实验的实施流程见图1。

3 石墨烯相关系列实验的内涵特征

3.1 承载了特别的教育理念

中心尝试把实验课程当作一个载体，将“能力、兴趣、情怀、梦想重于知识”的价值观载入其中，将实验室转变成展现非凡学科魅力、培养学生的学科兴趣以及人文精神、培育梦想、造就杰出学术能力的“综合素质塑造营地”。

图1 2017年度石墨烯相关系列实验实施流程

实验课程需要容纳充实的知识、技能训练内容，更需要导入最前沿的顶级科技成果、创造性的思维方法、面向未来的学术价值，甚至植入昂扬的人文精神，藉此引领学生去感受当下科技的脉动、关切重大学术问题与社会需求、体验科技改变世界的宏大力量，使实验课程具有开拓眼界、激发兴趣、鼓动创新、强化学术能力、培养情怀与梦想的作用。

3.2 优选可承载教学理念的课程内容

普通前沿科技相关内容的承载力有限，要求所选实验内容能同时满足以下四个关键特征：① 涉及当下科技最前沿最热方向之一;② 相关成果的学术价值、社会和经济价值特别巨大;③ 涉及有异于常规实验的创新方法;④ 相关知识与技能有很高学术价值。

石墨烯是当今料材料科技领域最璀璨的那颗“星”。未来若干年，石墨烯在很多领域将会有革命性应用，彻底改变日常生活。例如：锂硫电池[12]、锂空气电池[13]技术的突破将带来续航超过1 000 km的电动汽车，大幅推进能源革命的进程，大气环境污染问题、气候问题有望得到彻底解决；超薄、超灵敏传感技术完成后，功能强大的可穿戴式医疗和健康监测设备将会出现[14]，梦想中的在线诊治和健康监护将变成现实，人们的健康水平将因此得到大幅提升。同时，相关技术成果将创造万亿级的商业机会。石墨烯相关科技研究向我们展示了一个特别美好的未来世界，其研究内容完全具备前文所述的四个特征。

3.3 展示学科非凡魅力—激发兴趣—培育梦想

如果化学不能将其生动、灿烂、非凡的一面展示给学生，那么化学就无法真正打动他们。前期研讨的目的之一在于让学生重新发现化学之美，理解“没有化学，世界就没有未来”的内涵。

在研讨会上老师做一个开场演讲，解析化学如何为解决健康、环境等重大社会问题做出杰出贡献，同时向学生传递“知中国服务中国”“允公允能、日新月异”的人文精神。

每位学生有机会做约7 min的PPT演讲，分别涉及石墨烯与超导、超级电容[15]、锂硫电池、锂空气电池、导电功能材料、催化材料、传感器相关的顶级学术成果，就石墨烯潜在的非凡学术价值、社会与经济价值进行研讨，感受化学的“正能量”。

这样的专题研讨让学生从生硬的教科书中脱身，一下子站到今日化学主战场的最前沿，“抬头看化学”，他们会看到最近1～2个月内甚至几天前报道的超重量级的创新成果，见识生动、灿烂、非凡的化学。

通过这样的讲、听、问、答、辩过程，可以让学生逐渐形成多维度、国际化的学术视野。

随着研讨的深入，他们还可以发现，虽然石墨烯相关研究的大幕已经拉开，但其未来价值远未被充分挖掘，而且新的挑战就在眼前。这有可能激发出他们浓厚的学科兴趣与创新激情。

我们期待，通过这样的学术的研讨，可以在学生心中埋下一颗“改变世界”的伟大梦想的种子。

3.4 实验中的磨难是学生成长的助推器

该课程有特别的价值观与目标、有安全规则、有基本框架，但没有传统意义上的讲义与教科书、没有标准方案。对学生来说，该实验几乎就是一项真正的研究，是一次冒险，是一次大挑战。

课程前期学生需要检索、研究文献资料，各自确定研究方案，然后在研讨会上提出来讨论，老师从价值、创新性、安全性与可操作性四个方面对学生方案进行评估，学生根据评估意见修正方案。所提方案未被核准的学生会得到参考方案。

即使是修正过的学生自选方案往往还会存在不少问题，而老师提供的参考方案，会刻意预留种种困难(坑)。老师会挑出其中比较复杂的问题作为“挑战”项目，所有学生都有机会为此提供解决方案。

学生在实验过程中还会突遇各种意外问题与困难，他们依然是解决这些问题与困难的第一责任人，老师的指导与帮助一般只会在学生努力过后才会出现。

学生在不断遭遇、克服难题的“磨难”过程中，或主动或被迫“殚思极虑”地去探析问题本质、融会贯通所学、发散思维，这样的高强度锤炼有利于快速完善和增强他们的学术能力。

3.5 实验包含丰富的知识内容

实验课程强调能力、兴趣、情怀、梦想重于知识，但并没有忽视知识的传授。实验过程较长，研究内容较多，涉及近30台套在常规本科实验中没有接触过的仪器装备，知识量极为丰富。

2017年度的实验内容规划为：

(1) 石墨的插层氧化。

(2) 氧化石墨的分离、纯化与剥离。

(3) 氧化石墨烯的还原;① 水相化学还原;② 还原气氛下的高热还原;③ 微波作用下深度还原。

(4) 氧化石墨烯与石墨烯的冷冻干燥。

(5) 石墨烯的改性与功能化。

(6) 氧化石墨烯与石墨烯的应用；① 氢氧化镍纳米片的制备；② 柔性复合膜电极的制备；③ 柔性超级电容的制备。

(7) 系列表征；① 衰减全反射红外光谱测试；② X射线粉末衍射测试；③ N2吸附比表面积测试；④ 高分辨透射电镜测试；⑤ X射线光电子能谱测试；⑥ 拉曼光谱测试；⑦ 电导率测试；⑧ 电化学综合性能测试以及充放电测试。

3.6 融入了创新观念、创造性思维训练

中心将“时时处处可创新”的观念融入课程，激扬探索精神，鼓动学生挑战传统、提出创见。高度宽容因创新带来的实验意外或失败，保护学生的创新热情。

实验引入了不少创新，这些创新既为实验的安全、快速完成创造了条件，同时也成为创新教育的生动样本，创新技法与理念被融入其中，成为教学的重要内涵之一。例如：① 利用“开放式反应器”使发生爆炸的可能性降低到零;② 设计“安全反应箱”实现20个样品的批量、安全反应;③ 将反应方案简化到极致而又能保证结果的完美性;④ 研制了“超低成本、高安全性气体保护微波固相还原装置”;⑤ 设计了全覆盖式人体防护方案(采用带袖套的防腐蚀阻燃罩衣、防爆透明面罩、安全帽等)。

在具体做法上，先把问题或传统的方案提出来，给学生大胆设想的时间，最后公开已有的创新方案;老师从创新的方法、特征、价值、思维逻辑等方面作对比解析。如果学生设想的方案有较好的创新性和可操作性，就会应急准备研究条件让他们尝试。

让学生在实践中持续不断地参与创新至少可以实现四个方面的价值，① 学生可以真切感受创新的价值；② 让学生感悟到创新并不难，可以随时随地进行；③ 持续的创新行动有利于让学生养成创新习惯；④ 让参与创新者获得乐趣与成就感，这一点意义重大。在实验中，创新者会收获不同形式的激励，例如获得激励性加分，发表论文、申请专利，获得“杰出创新表现证书”。

当创新逐渐成为学生日常的思维习惯时，他们就会不习惯于、甚至厌恶于不创新了。我们不奢求每位学生都可以做出这样的改变，但我们期待可以改变更多的人。

3.7 在实践中培养学生的安全防护能力

开设石墨烯相关系列实验的难度不仅在于实验比较复杂、耗时长、所用仪器多，而且石墨烯制备是个比较“危险”的实验，涉及浓硫酸、高锰酸钾、石墨等药剂参与的强氧化放热反应，有潜在的爆炸危险，如何克服实验中的安全风险是个很大的挑战。为此，特设计了有7项“过度”防护措施的安全防护方案。3年多的实践证明，该方案为实验设置了多重安全防线，有很高的安全冗余，使实验具有很好安全性。

实践表明，在实验中让学生经历适度的“危险”，养成“安全冗余”意识，学会设计安全防护方案，为未来独立开展科技研究准备好足够的安全防护能力，这样做是可行的，颇有价值。

3.8 创建学生综合素质的评价新模式

在实验中常有学生提出“异想天开”的创意，这正是我们所渴求的，无论最终结果如何，他们的勇敢探索精神都很值得赏识。如果采取传统的模式来考评“石墨烯相关系列实验”中的学生成绩，无疑与实验的宗旨相背离。为此，我们确定了量化评定学生综合素质的新原则：① 学生课程成绩的差异主要源自多个方面的不同——基本素养，思维的活跃性，质疑与探索精神，热情与激情，创造力，奉献精神，观察、分析实验现象的能力，发现问题、临场应变、解决问题的能力，遵守安全规则，不该有的实验失误，团队协作与管理能力，研究报告是否完整、严谨、有逻辑性、无抄袭，对实验现象与结果的分析是否合理。② 实验结果好坏或实验过程的成败不作为测评项。③ 学生成绩不受“正态分布要求”局限。

新模式兼顾了量化、公平、准确、易操作要求，其价值不仅在于它可以比较准确地评判学生综合素质的高低，还在于它可以成为培养创新人才清晰可见的方向标，进而发挥引导作用。此外，公正客观的评价和合理的利益分配规则是这个世界上弥足珍贵的正能量，会激励年轻人奋发前行。

4 实验课程所取得的成效

研究性的石墨烯相关系列实验让南开化学院的学生在本科阶段就有机会走入这一前沿最热领域，提出研究方案，亲手制备、表征、改性、应用这种“神奇材料”，课程取得以下明显效果：① 学生对即将进行的实验充满好奇、期待和激情。② 学生重新发现了化学的魅力，对学科的兴趣提高了。③ 学生接触了多个新兴科技领域，运用了一系列新的仪器设备，形成了多维学术视野与能力。④ 学生的创新意识和能力普遍增强了。⑤ 学生们基本具备了独立开展石墨烯相关或类似研究的能力，综合学术能力得到明显提升。⑥ 学生们经历了一次“冒险”，增强了安全防护意识与能力。⑦ 学生在课程中接受昂扬的人文精神熏陶。

虽然学生很多内心的感悟与变化无法完全察觉，但深信本实验还是存在潜移默化的力量。

5 结 语

为了提升实验课程的内涵与价值，把实验课程转化为一个载体，将“能力、兴趣、情怀、梦想重于知识”的教学理念与价值观载入其中，让实验室成为展现非凡学科魅力、培养学生学科兴趣及人文精神、造就卓越学术能力、培育梦想的“综合素质塑造营地”。

在实际操作中，优选符合“四个特征”的实验内容，将新实验课程设计成一场高强度、有挑战性的研究实战，并酌情导入一些价值元素，比如文献检索与解读、前景展望、学术演讲与研讨、知识交叉与融合、探索与创新精神、创造性思维方法 、学术价值、团队意识、评价与激励模式创新、奉献精神、家国情怀。

石墨烯相关系列实验的成功探索，证明了新的教学模式可以被完美构建，通过石墨烯那闪耀的光芒，可以再一次将学生吸引到魅力无穷的化学世界中去，引领学生去追寻属于他们的天空，激励他们蜕变为改变世界的力量。