“课程思政”视域下科研渗透式实验教学模式初探

薛庆旺，徐树玲，张远馥，黄德宾，李爱峰，李霞,＊，王怀生

1聊城大学化学化工学院，山东 聊城 252000

2聊城市第一中学，山东 聊城 252000

2020年，教育部在《高等学校课程思政建设指导纲要》中指出，重点落实立德树人根本任务，使各类课程与思政德育同向同行，将显性教育和隐性教育相统一，形成协同效应，构建全员全程全方位育人大格局[1]。在这一背景感召下，众多高校教师开始积极探索“思政进课堂”的有效模式[2-5]。相对于教师讲授为主的理论课，实验教学是以学生操作为主的实践性教学，如何精准提炼大学实验课中蕴含的德育元素，并将其潜移默化转化为学生精神层面的指引，实现课程思政“润物无声”融入实验教学过程，是目前实验教学教师面临的严峻考验和极大挑战[6-10]。

尽管高校教师对“思政进实验教学课堂”进行了大量的尝试和探索，但仍存在许多瓶颈问题和挑战[11,12]：(1) 实验教学素材主要来自单一学科(有机化学、无机化学、分析化学和物理化学)，不能有效体现化学各科之间的互相交叉渗透、相互交融的特点，容易造成化学知识的相互孤立，不利于培养复合型化学人才；(2) 本科实验教学内容缺乏新意和活力，与当今科研的最新前沿衔接不够充分，缺乏对于科研动态前沿相关思政教育的合理引入，难以引领学生与时俱进，造成社会责任感教育的缺失，导致人才培养模式不完整；(3) 思政理念架构通常局限于教学大纲和全书框架，缺乏“解剖麻雀式”典型范例，无法精准实现专业教学和德育融入无缝衔接，不利于学生勇于探索的创新精神和解决问题实践能力的培养。

本文以“BiVO4纳米纤维制备及电化学性能表征”综合化学实验为“渠道”，将静电纺丝技术合成光电材料前沿学术知识融入于化学实验教学中，拓宽学生的科学视野，培养学生的创新能力和科研能力。通过将科研前沿技术和应用成果渗透在爱国教育和德育教育方面，提升自身的思想境界、道德情操和学习动力。通过“解剖麻雀式”典型范例剖析，提炼综合化学实验中蕴含的德育元素，实践专业教学和德育融入无缝衔接，培养学生勇于探索和创新的思辨精神，增加学生的社会责任感，实现全方位育人。

1 基于“双向传输，科研渗透”式教学模式初探

本综合性化学实验拟以“BiVO4纳米纤维的静电纺丝制备及性能研究”为例，构建一种新型的“师生间双向传输知识-科研渗透式”综合实验教学模式。通过将静电纺丝技术合成光电材料前沿研究领域引入到本科生化学实验教学中，并与本科期间四大化学中相应理论知识点相结合，实现课堂实验教学向课堂外的无限延伸。此实验过程中思政元素的提炼和融入，既要从宏观上设计也要从具体实验步骤细节上实施，具体如下：

从方案设计、实验内容和实验过程中精准提炼思政元素。本综合实验涉及到BiVO4电纺溶液的制备模块、形貌和结构表征模块(Scanning Electron Microscope (SEM)、Transmission Electron Microscope (TEM)和Diffraction of X-rays (XRD))、光电性能测试模块等多个关键步骤，每个步骤都需要在前一步骤基础上进行，其中每一步都有可能出现异常导致整个实验失败。因此，在实验方案设计方面，顺势引导学生从整体考虑，小处着手，步步推进；在实验内容方面，引导学生从课本上讲述的电解水反应为起点，逐渐过渡到制备优异的光电性能电极材料的紧迫性，最后总结光解水是当前解决能源危机和环境污染的有效途径。这部分顺势引导学生学以致用，紧跟科学前沿，增强社会责任感；在实验过程方面，引导学生以严谨的科学态度面对出现的实验问题，学会抓住主要矛盾，透过问题现象挖掘本质根源，深化学生认识事物规律的原理，注重学思结合，知行统一，增强学生勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力。

2 实验组织运行方式和具体实施方案

(1) 本实验是一个涉及到无机纳米材料合成和表征、实验条件探究和光电性能测试等内容的综合实验，适用于面向已经初步掌握无机化学、分析化学和物理化学的化学专业高年级本科生开设。由于本综合实验的特殊性，每一步的结果均能决定整个实验的成功与否，前一步结果稳妥才能进行下一步操作，因此，关于学习和分析问题能力的培养贯彻始终，但在不同的步骤思想政治工作融入的侧重点有差别。总体来说可以从严谨的科学态度、正确的人生观和辩证的哲学思维等方面给予引导。

(2) 实验学时为24学时，分3周完成，每周8个学时，每2人一组开展实验。具体安排如下：第一周，建议教师带领学生回顾本科仪器分析化学电化学章节中关于控制电位电解分析方法原理，列举在实际生产实际中运用该原理的实例。结合当前科研前沿，带领学生充分进行文献调研和小组内讨论，由小组长将各组拟采用的实验方案一一汇报指导教师，教师进行汇总并带领学生对各个方案进行详细剖析、论证方案可行性，经过师生间多轮讨论、筛选改进方案，最终选定最佳的实验方案；第二周，讲解BiVO4电纺溶液的制备模块、形貌和结构表征模块(SEM，XRD)、光电性能测试模块等多个关键步骤操作方法和注意事项，介绍用到的仪器(静电纺丝仪器、扫描电镜，光电化学工作站)的测定原理和使用方法。由小组长及时反馈其实验进展，教师跟进顺势引导学生解决实验中遇到的各种问题；第三周分组分析、讨论和汇总实验数据，将各实验模块实施过程的操作视频、实验方案文献调研、实验步骤以及涉及到的本科理论知识点，以PPT形式阐述整个实验过程和科研体会，以小组为单位进行考核。

2.1 实验目的

利用光解水制氢将太阳能直接转化并储存为氢和氧的化学能是解决能源危机和环境污染的有效途径之一，因此，制备具有优异的光电性能的新型纳米材料作为电极材料，有望用于光解水制氢领域。结合本科仪器分析化学电化学章节电解水反应控制电位电解分析方法原理，在pH = 7的中性溶液中，H+/H2的标准电位为-0.41 V，H2O/O2的标准电位为0.82 V。理论上将1个水分子分解成氢气和氧气最少需要1.23 eV。对于其半反应氧析出反应而言，动力学缓慢，反应效率极低，需要较高的过电势(约为1.8 V)，成为整个电解水中的速控步骤。

阳极反应：H2O - 2e-= 1/2O2+ 2H+

阴极反应：2H2O + 2e-= H2+ 2OH-

引导学生分析如何解决氧析出反应过电位高的问题？能否通过已经学过的化学理论提出解决方案，在较低电位下仍能实现氧析出反应？组织学生分组讨论，教师可以从能量守恒角度对学生进行启发，例如电解水反应是将电能转化为化学能过程，能否借助其他形式能量参与电解水过程？比如借助光能与电能结合一起用于水分解反应。若可以，如何针对电极材料进行设计，对电极材料有哪些具体要求？按照逐步递进的引导思路，启发学生加深对仪器分析中光学基础知识和物理化学中氧化还原体系的理解应用。具体安排如图1所示。

图1 “师生双向输送，科研渗透”模式的综合化学实验设计

2.2 实验部分

仪器：高压直流电源，注射泵，小型高温烧结炉，电热鼓风干燥箱，电子分析天平，磁力加热搅拌器，透射电子显微镜(TEM，Talos F200S，美国FEI公司)。

实验试剂：五水硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)，乙酰丙酮氧钒，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)，以上试剂均为分析纯。

2.3 结果讨论

第一周的教学安排：带领学生充分文献调研和小组内讨论，收集各小组汇总上来的实验方案进行比对和汇总，获悉BiVO4纳米纤维光吸收系数高，具有优异光电转换性能，若利用该材料作为三电极中工作电极，提升电极光电流密度，有望有效捕获外界光能参与水分解过程。经过师生间多轮讨论、带领学生剖析不同制备BiVO4方法的优缺点，最终选定利用静电纺丝技术合成粒径均一的BiVO4纳米纤维。具体实验流程如图2所示：该综合化学实验分为静电纺丝制备BiVO4纳米纤维、产物形貌表征、光电性能考查和数据回收汇总四个模块。

图2 综合化学实验操作流程示意图

2.3.1 静电纺丝制备BiVO4纳米纤维

(1) 电纺溶液的制备：首先，移取12 mL DMF和2 mL乙酰丙酮于25 mL的烧杯中，用电子分析天平依次称取1.454 g五水硝酸铋和0.825 g乙酰丙酮钒，缓慢加入到上述溶液中，磁力搅拌5 h；然后，往上述溶液中加入1.2 g PVP，继续搅拌1 h，得到澄清的蓝色溶液。通过该部分实验，让学生回顾教材中涉及的分析天平的正确使用、搅拌溶解、加热和过滤等基本操作。在实验过程中发现，某组同学配制的溶液不澄清，前体溶液沉淀析出；还有同学出现配制溶液的气泡较多等不正常现象。经过教师多次指导学生摸索条件和优化，调整加入前体溶液的顺序、延长陈化时间等策略，最终得到澄清的蓝色溶液，如图3B所示。在这个过程要顺势引导学生，实验过程中遇到困难，仍要坚持不懈、迎难而上，不放弃，小组之间互帮互助，共同克服困难。

(2) 静电纺丝设备搭建：指导学生利用实验室现用的高压电源、注射泵、红外烤灯和铝板搭建如图3A所示的简易静电纺丝设备，鼓励学生大胆动手。

(3) 静电纺丝流程：将制备的溶液超声2 h排除气泡，装入10 mL注射器并固定在注射泵上，用正高压导线夹住针头部分，在距针头18.5 cm的正前方安装一个连接地线的铝板作为接收板，在针头与接收板之间形成一个静电场。设置注射泵的各项参数，将速度设定为0.4 mL·h-1，高压电源的电压设定为18 kV并做好接地处理。静电纺丝结束后，将产物从铝箔上收集，获得白色絮状产物，立即150 °C烘干3 h，得到颗粒状产物(图3B)。静电纺丝过程中经常出现从针头喷出来的产物迅速成球，粘连在注射器针头，导致针头堵塞，无法获得纤维状产物。该阶段应提示学生发现问题本质，克服困难，解决问题。最终，可用开启红外加热灯，维持湿度在30%解决上述问题。同时顺势融入从细节决定成败的科学做事态度，遇到困难积极剖析问题本质、锤炼不畏困难的坚强意志品质。

图3 学生自制简易式静电纺丝设备(A)和产物外观形貌(B)

2.3.2 BiVO4纳米纤维的形貌表征和性能测试

第二周的教学安排：带领学生对前一周得到的BiVO4纳米材料分别进行形貌、结构表征和性能测试。首先进行扫描电子显微镜(SEM)表征，得到图4所示结构，让学生直观观察所制备的BiVO4纳米材料呈管状多孔纤维结构，直径在150-300 nm之间，长度约2-4 μm。元素成分测试显示所制备的纳米纤维分别含有Bi、V和O元素，并通过X射线衍射仪(XRD)测定纳米纤维的物相结构。通过比对BiVO4的特征衍射峰，在28.5°、30.5°和34.5°的衍射峰，分别对应单斜BiVO4的(121)、(040)和(200)晶面，进一步验证各组已成功制备BiVO4纳米纤维。之后，通过热重和差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry，DSC)扫描进一步表征纳米纤维的结构。各组将得到的表征结果汇总反馈指导教师，教师点评剖析纳米纤维形貌过程中，提示他们回顾物理化学中设计到的热重、DSC等热力学知识和常用表征材料形貌的方法，让学生体会如何将化学学科相关理论知识学以致用和深入拓展。

图4 静电纺丝产物的SEM表征

其次，根据三电极测试方案。如图5所示，各组获取的BiVO4的纳米纤维修饰的FTO (Fluorinedoped tin oxide)导电玻璃作为工作电极，银-氯化银作为参比电极，铂丝电极为对电极，利用光电工作站进行测试电流密度。通过图5可以看出，开启氙灯，光电流密度升高，关闭氙灯，光电流急剧下降。教师对测试过程中电极制备、电解液优化、测量参数设置等细节进行指导和评估。该部分顺势结合当前科研前沿，如果将该材料作为三电极中的工作电极，能提升电极光电流密度，有望有效捕获外界光能，将太阳能直接转化并储存为氢和氧的化学能，有望解决能源危机和环境污染等社会民生问题。从而，让学生增强社会责任感，将社会主义核心价值观内化为精神追求、外化为自觉行动，激发创造创新活力。

图5 基于BiVO4纳米纤维的光电性能测试

2.3.3 基于“双向传输，科研渗透”式综合化学实验教学效果反馈

第三周教学安排：以小组为单位对上述综合化学实验进行考核。考核内容有各实验模块实施过程的操作视频、实验方案、文献调研、实验步骤以及涉及到的大学本科理论知识点，以PPT形式阐述整个实验过程和科研体会。由各组长代表讲述本小组的具体工作。评判标准包括以下几个部分：PPT讲解占40% (实验操作视频，设计方案和实验步骤)、实验报告占20% (数据处理)、实验结果分析和科研心得占40%。为考核标准更加客观公正，让每个学生都参与打分，教师只是评分者中的一份子。评分方式为小组成绩(百分制) = (小组自评分(百分制)+组间评分(百分制)+教师评分(百分制))/3，即小组最终成绩等于小组自评分与组间互评加教师评分的平均分。按照上述评分标准，分别给出各组成绩。指导教师对每个组的成绩和存在的问题进行点评，例如，某小组文献调研不够全面，实验操作不够规范；某小组准备的电镜样品浓度太大和数据分析不详尽；某小组在工作电极制备中，电极面积未能固定，FTO基底玻璃未实行固定面积。针对存在问题，教师给予改正意见。最后，教师针对每一个实验模块中涉及到的本科期间所学的理论知识点进行梳理，重点点评学生的动手能力、团结协作能力、分析和解决问题的能力。做到将“学有所依”与“学以致用”充分融合，引导学生开拓思维和培养学生善于思辨的科研品格，激发学生的科研热情。最终实现课堂实验教学向课堂外的无限延伸，使学生在潜移默化中对其人生观、价值观以及做事的态度和分析问题能力诸多方面进行提升，从而提高学生的综合素质。

3 结语

综上所述，本文以“BiVO4纳米纤维制备及电化学性能表征”综合化学实验为“渠道”，充分挖掘大学化学课程中的思政元素，发挥化学实验教学课程在立德树人方面的重要作用。通过“双向传输”模式引导学生以主体姿态参与课题研究，拓宽学生科学视野，提升学术创新能力和科研能力，激发对化学实验课程的热爱。作为一个较为系统的新型教学模式的探索，后续将陆续开发更多的实验并建立相应的案例库，对上述教学理念进行有效支撑。聚焦立德树人根本任务，紧扣专业教学和德育融入无缝衔接主旨主线。通过渗透融入科研前沿技术成果、“解剖麻雀式”教学方式和价值引领双轨并行，开展爱国教育和德育教育，增强学生对基础研究的热爱，培养学生勇于探索和创新的思辨精神，实现全方位育人。