基于OBE理论的高分子专业科研基本训练的培养实践

黄新华,杨继年,张 雷

（安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽淮南 232001）

随着新一轮科教兴国、人才强国、创新驱动发展等一系列国家战略的实施，我国与世界各个国家交往日趋频繁，科技交流也不断加强[1]。高分子材料与工程专业（以下简称高分子专业）是高分子材料设计、合成、加工等技术开发、工程实践和科学研究等领域的交叉性学科，具有很强的理论系统性、专业实践性等特点。在现阶段新工科建设的背景下，高分子专业学生应该具有很强的专业理论功底和创新思维能力，能够将理论知识融合到实践能力当中[2]。对于一部分想升学做学术研究的学生来说，如果不具备一定的科研素养和创新思维，求职一些好的大学和科研院所，复试很难过关，学术生涯必然充满坎坷。因此，培养学生的创新思维和科研素养是专业教师的教学任务之一，也是“双非”高校学生进入更高档次院校或研究所的敲门砖和垫脚石。高分子专业师生们的教与学不应该只停留在书本教学方面，理论实践与创新思维的培养应该是重中之重[3]。高分子专业的培养方案中包括基础实验、大学生创新创业项目、高分子合成加工实验、综合创新实验、课程设计、工厂实习等，需要实践与理论相结合。但现实中理论实践往往脱节，实验操作的课程许多学生也是照本宣科，不知所以；另外，实习工厂出于安全和规范方面的考虑，限制了学生们的实际操作，采用走马观花式的实习过程，是无法取得实践效果的[4]。

科研素养和创新思维的培养不是一蹴而就的，也不是仅靠开设几门实验课程就能实现的，需要打破传统的实验教学方法和意识束缚，加强训练学生文献查阅、实验技能、数据分析以及科研报告写作等能力。然而，受到时间、场地和课程设置等因素的限制，无法长期有效地对本科学生进行科研培养，部分实验课程与理论知识脱节，学生完全是照葫芦画瓢，更谈不上创新。

目前高校开展的本科生导师制是一种有益的尝试，可以对一些有科研兴趣和意向的学生进行规划性的科研培训。通常来说科学素养体现在科研意识、科研方法和科研精神上，三者相互依存，相互促进[5]。这对教学管理和实施者提出了更高的要求，而这其中，结合课程理论的科研创新培养不可忽视。我们制定综合培养方案，结合有机化学、高分子物理、现代仪器表征、功能高分子、文献检索、科技论文写作、综合实验以及毕业设计等多门课程进行教学，具有培养综合、连贯等特点，取得了一定的成果。

1 综合科研训练培养设计

结构性导电高分子又称本征导电高分子，是基于分子中含有各种π-π、p-π 或σ-π 等共轭的长链结构，双键上离域电子可以在分子链上迁移形成电流，使得高分子本身具有导电性，在储能、显示材料、导体、传感器、电催化等方面有潜在的应用。并且共轭类型的导电高分子具备可控设计、制备简单、价格低廉等优势。结合高分子化学课程缩聚反应这一章内容[6]，设计了稠环化合物（萘、芘）和氯甲基甲基醚（CMME）为单体，通过傅-克烷基化方法，合成制备出一系列σ-π 超共轭的聚萘和聚芘多孔导电聚合物，并对其结构与光催化性能进行表征[7]。

由于课题的实验周期较长，将实验方案分解成若干小课题，分解到课程设计、综合实验以及毕业设计等阶段中，并结合大学生创新创业项目安排相关的研究。通过指导学生查阅文献了解导电高分子光催化原理和国内外发展动向；学习缩聚反应及其反应动力学，参与实验方案设计（图1）；样品表征技术可以学习到扫描、红外和X-射线粉末衍射（XRD）的实际操作，确定此类聚合物优异的可见光催化降解染料的性能。本实验的合成路线基于多官能度单体之间的缩聚反应，产物是热固性聚合物，通过洗涤、干燥后就可制得聚萘（或聚芘）。为了更好地提高其光催化性能，调节两种单体之间的比例，控制聚合物比表面积和孔径结构，进而理性调控导电聚合物的禁带宽度。总结光催化性能结构和降解动力学，并撰写英文科技论文和申请专利。

图1 综合实验流程图

2 综合科研实验的实施

2.1 稠环聚合物粉末的合成

以聚萘合成为例，萘单体环上有8个活性氢，都可以与CMME 发生傅克烷基化反应，它与CMME 组成的8-2官能度缩聚体系。实验中设计了两种聚合物合成：①称取一定量的萘与CMME(物质的量之比是1∶4和1∶8)加入适量的路易斯酸ZnCl2作为催化剂，在二氯乙烷中40 ℃搅拌反应6 h（图2）。完成后粗品过滤，乙醇洗涤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黄色粉末。②将方案①中的单体改为芘，重复方案1的步骤，制得PPy-1和PPy-2。上述实验过程作为学生学习缩聚反应溶液聚合的典型操作，在综合实验中，每3人一组，互相协作，按要求保质保量完成样品前期的制备，并利用XRD、红外初步表征样品，以供后期性能测试。

图2 合成路线图

2.2 光催化剂降解测试

用紫外氙灯和紫外分光光度计来测试制得的PNT 和PPy 粉末的光催化降解性能。由参与综合科研训练的学生参与性能测试。包括活性因子捕捉、光降解催化循环性能测试。耗时周期比较长，需要在课外以及毕业设计阶段进行。

3 实验结果与讨论

3.1 结构表征

实验前期是一个均相的溶液聚合反应，后期有沉淀析出，说明反应产生了不溶的热固性聚合物。以萘和CMME 物质的量比1∶4 为例，反应体系的平均官能度=3.2，也进一步证明了产物为体型聚合物。为了便于让学生了解缩聚产物的形貌，利用扫描电镜技术对PNT-1粉末的微观结构进行观察（图3），显示聚合物粉末形貌是由5 nm大小的颗粒聚集而成的纳米球，表面结构分析可知其比表面积大小接近131.4 m/g，是具有分级的孔径结构。固体紫外测试分析表明PNT-1 具有窄的禁带宽度（1.83 eV），小于常见的光催化剂如纳米二氧化钛或石墨氮化碳g-C3N4。上述表征证实了该材料适合用于光催化剂。

图3 聚萘PNT粉末的扫描(A)和场发射扫描(B)电镜照片

3.2 光催化降解测试

可见光催化染料降解测试利用紫外氙灯模拟太阳光。在光照下，加入催化量的PNT-1粉末于10 mg/L染料如罗丹明B（RhB）以及亚甲基蓝（MB）的水溶液中形成悬浊液，磁力搅拌形成均匀的降解环境。定时取样用液体紫外观察染料的吸收强度变化并记录，通过朗伯比尔定律计算染料的浓度变化，并绘制浓度-时间的曲线（图4A、B）。另外，由于实际染料废水都具有一定的酸碱度，进一步观察不同酸、碱条件下染料的光降解程度（图4C、D）。实验结果表明了制备的共轭聚合物具有良好的可见光催化降解染料的能力。最终的样品性能测试后，可以指导学生根据样品的合成、表征以及性能测试撰写科技论文。

图4 PNT-1在不同条件下催化降解染料的动力学曲线

4 考核与评价

基于OBE（outcome based education，成果导向）理念的高分子专业综合科研培养，能够融合多项技能，在考核方式上应灵活运用多种形式，因地制宜、因人而异并及时调整培养方案。基于专业认证的目标达成度要求，综合科研培养的考核内容对应了支撑度高的5 个毕业要求指标点，采用成绩累加的方式，总成绩为100分（表1）。其中课题分析部分，对应“问题分析”能力达成指标，主要考察学生就一个具体的实验给出解决方案的能力，包括实验思路，收集并分析国内外文献资料；“设计方案”考察学生提出的实验方案的合理性和可行性等；“研究”主要考察学生实验操作技能以及数据收集、处理能力；“专业道德”主要考察学生的环保意识和职业道德修养；“沟通”强调科研过程与人沟通，表述科研心得和成果的能力。

表1 科研基本训练综合培养考核内容

科研培训是促使本科生掌握科研基本方法，包括查阅文献、凝练科研思路、设计实验方案、数据处理以及撰写科技论文等一系列环节，这需要在导师指导下通过一个较为完整的科研课题来实现。因此，对于本科生科研培养应该依据上面各个环节的特点，强调基于OBE 理论的“结果为导向”[8]，通过串联各个培养环节，依托考核细则，获得1+1＞2的效果。

5 结语

设计的科研基本训练综合培养方案结合了文献查阅、实验方案设计、实验数据处理、实验报告撰写等一系列串联环节，让学生建立了从教材到科研成果连贯的实验OBE 导向，提高了学生的综合素质。通过对我校高分子专业本科生的科研综合培养效果反馈，证实了此方案可以大大调动学生科研兴趣和科研能力，更大程度上培养了学生的科研综合能力，消除了单一实验课程考核的片面性，弥补了培养方案课程设置的不足，满足高等教育对不同人才培养模式的需求。培养过程导师及时发现并纠正学生反映出的问题，提高了学生的自信心和综合技能。学生可以以专利或论文的形式发表自己的科研成果，为今后评奖学金、考研等方面积累重要的砝码。同时，贯穿始终的科研基本培训也在一定程度上减小了师生之间的隔阂感，拉近师生距离，也消除了学生后期对科研的恐惧感。