科研成果转化为实验教学资源...及性能表征专业综合实验设计_刘敏.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023科研成果转化为实验教学资源的探索 室温氢气传感器的制备及性能表征专业综合实验设计刘 敏,陈明丽,杨 婷,杨冬梅,张学民(东北大学理学院化学实验教学中心,辽宁 沈阳 110819)摘 要:选取氢气传感器研究中取得的部分成果转化为专业综合实验教学内容,集半导体传感器的制备、表征及性能测试于一体,综合应用多种实验技能和测试方法。该实验采用研究型实验教学及科研论文式实验报告等形式将科研的思维方式及技能融入到实验教学中,着力创造科研氛围,放大科研的时空感,使学生可以在直观的实验教学中感知科研探索过程,逐步具备独立开展科研活动的能力。关键词:科研成果;实验教学;氢气传感器;专业综合实验中图分类号:G642.0 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0289-05 基金项目:教育部 2020 年产学合作协同育人项目(No:202002060055)。第一作者:刘敏(1990-),女,中级实验师,主要从事物理化学实验技术研究。通讯作者:张学民(1984-),男,副教授,主要从事气体传感器化学领域研究。Exploration on Transformation of Scientific Research Achievements into ExperimentalTeaching Resources Professional Comprehensive Experiment Design ofPreparation and Characterization of Room-Temperature Hydrogen SensorLIU Min,CHEN Ming-li,YANG Ting,YANG Dong-mei,ZHANG Xue-min(Chemical Laboratory Center,Northeastern University,Liaoning Shenyang 110819,China)Abstract:Scientific achievements on hydrogen sensor were integrated into the professional comprehensiveexperiment teaching program by deliberate design,including preparation,characterization and performance measurementsof semiconductor sensor.The research-driven course covered multiple experimental skills and measurement methodology.To train the attendee scientific thinking,the teaching on experiments adopted research-driven mode and requires researchreports.The purpose of these measures was to create the atmosphere of scientific research and simulate the sense of realscientific research.This process would make the students understand the process of scientific research in the intuitiveexperimental teaching.Finally,the students would perceive ability to conduct independent research.Key words:scientific achievements;experiment teaching;hydrogen sensor;professional comprehensive experiment应用化学是介于化学和化工之间的综合性应用学科,研究范围涵盖整个化学领域,并与多门学科互相渗透,互相融合。东北大学应用化学专业的培养目标是按照“厚基础、重实践”的要求,培养掌握现代化学科学技术,具备扎实化学基础和实践能力的高素质综合型人才。这就要求学生不仅要掌握全面扎实的专业知识,良好的科学素养,还应具备综合运用所学知识和实验技能进行应用研究与技术开发的能力。因此,实验教学对于应用化学专业的重要性和影响力是其他教学形式都无法取代的1。在实验教学中实验内容是核心要素,实验内容资源的充足与否,质量高低都直接影响着实验教学水平,进而影响学校的进一步发展。然而,当前化学专业实验教学内容面临的突出问题在于:(1)实验内容具有一定的滞后性2,大多与学科前沿成果有所脱节;(2)大量的验证性实验导致操作过程单层次、单侧面,与现代化学的研究思路、方法手段之间存在断层;(3)缺少具有自身特色和化学学科特色的专业化实验内容。因此,扩展更新实验内容,保障实验教学资源的高效运行已成为高校实验教学亟待解决的关键问题。科研成果向本科教学资源的转化为实验教学内容更新、解决传统课程的滞后性问题提供了新的方向3-6。高校丰富的科研成果能够为实验教学提供大量潜在的内容资源,我们要根据学科的发展不断更新改进实验教学内容,将具有本校学科科研特色的研究成果设计或移植转化为实验教学内容;转化时着重引入基本原理在前沿科研中的应用,与实验教学内容的关键知识点进行整合,保证基础性的同时兼具高阶性、实践性、综合性及创新性,促进科研与教学之间的良性互动,提高教学资源质量,推动学校内涵式发展7-9。为此,依据“重视基础、趋向前沿”的设计理念,我们尝试选取氢气传感器研究中取得的部分成果转化为专业综合实验的教学内容,将半导体传感器的制备、表征及性能测试有效结合起来,构建具有综合化学知识、强化实验技能与培养科研思维的实验教学模式,以实现对学生实践能力、创新意识与科研素养的塑造与养成。290 广 州 化 工2023 年 1 月1 专业综合实验设计原则科研成果顺利转化为教学资源的前提是其自身的适应性9,即成果自身的完整性、应用性、可操作性;转化后的内容应符合本科教学实践活动,同时还需兼顾科研转化实验教学的广度和深度。为实现科研成果的顺利转化,在实验的设计中要贯穿以下原则:(1)可操作性科研成果直接转化为实验教学内容是不妥当的,转化的实验内容虽具前沿性与独特性,但其与本科实验教学的知识点关联薄弱、内容上缺乏连贯性与完整性,易导致学生出现“水土不服”现象10,因此在选取转化的科研成果时,要以体现教学内容关键知识点在前沿科研中的应用为基本落脚点。我校应用化学专业学生虽然通过理论课的学习基本掌握了催化剂的相关知识,但并未亲自制备过催化剂,催化实验仅停留在简单的验证实验,学生对基本原理的认识和操作技能并未得到实质性的提升。基于此,我们根据学生的认知水平选取了半导体型的氢气传感器作为转化内容,旨在向学生展示催化性能等基本理论在前沿领域的应用。(2)安全性科研成果向本科实验教学内容转化过程中,必须确保学生操作的安全性,对涉及不安全因素的操作应进行相应的简化或保护性处理。气体传感器制备的预处理过程中涉及一些危险性的酸性试剂,这部分应由负责老师在实验前统一集中处理,在减少试剂用量的同时也避免危险试剂带来的不安全因素。实验所用氢气需从气袋采集,严格控制氢气用量,从而避免危险的发生。(3)综合性实验设计要体现化学知识的综合性,内容涉及化学反应方向、电化学制备、催化剂作用机理等基本原理,同时还引入表面修饰、电子敏化等新概念;在实验操作方面涵盖纳米粒子的制备、表征以及性能测试的全过程,以达到对学生创新能力、实操能力及研究能力的综合训练效果。(4)突出科研思维的培养实验设计的方向是在明确基本思路与方法的基础上,将科学的思维方式传授给学生,使学生逐步具备独立开展科研活动的能力;科研主体不仅面向教师,更应聚焦于学生,放大科研的时空感,着力创造科研氛围。2 专业综合实验教学模式图 1 科教融合实验教学模式Fig.1 The experimental teaching mode of scienceand education integration对由科研成果转化的实验教学内容,我们采用小组化探究、团队合作以及在探究中创新的教学模式,旨在打造有目标、有内容的实验课堂,如图 1 所示。教师通过“场外指导”方式,将学生置于课堂教学的主体位置上,使其由被动的灌输知识转变为积极主动的探索学习知识11。(1)在教学设计上,首先,在实验前以学术讲座的形式,介绍实验项目的科研背景,使学生充分了解研究意义。如本实验中氢气作为一种新兴的能源物质,具有常规燃料中最高的化学储能值,且无污染、储量丰富;然而,氢能源储存的安全隐患一直是其在实际应用中所面临的主要难题;由于氢气的小分子特征,其易于透过存储容器泄露至周围环境中,当其在空气中含量达到 4%以上时,极易发生爆炸;因此,实现氢气的高效检测是氢能存储和利用中亟待解决的重要问题。其次,在实验环节安排上,有意识地去模拟科研探索过程,在实验中设立一些不确定因素(如温度、时间、浓度等),引导学生观察发现实验中的不确定性并对其进行剖析12。如在半导体传感器制备过程中,对学生进行分组,每组进行不同时间的阳极氧化,从而得到一系列不同反应时间的 TiO2纳米管产物;在后续的结构表征和性能测试中引导学生探究不同反应时间对产物结构和性能的影响,加深对物质结构与性能之间构效关系的理解,实现由“授之以鱼”向“授之以渔”的转变。最后,在实验中引入扫描电子显微镜、气敏分析仪等现代科研仪器,并通过中心的虚拟仿真项目对学生进行仪器操作培训,通过培训后的学生可实现上机操作,进一步丰富了实验内容。(2)在教学方法上,更加注重对学生科研能力的培养。传统的应用化学专业实验教学模式是老师讲解实验内容、学生“依葫芦画瓢”、“照方抓药”等机械式按照讲义步骤做实验;在实验过程中学生无法产生自己的想法,出现问题不会思考、无法解决,只能求助于教师,学生的创新思维和科研能力完全没有得到培养,这对于本科实验教学是一种致命硬伤。本实验采用研究型教学模式,以学生为主导,教师发挥引导和组织作用,对学生在实验过程中发现的新现象、新问题及时交流探讨与解答;鼓励学生在实验中勇于创新、敢于尝试,对于不成熟的想法亦给予肯定和鼓励;允许实验结果的差异性,并对不同的实验结果进行科学分析。通过这种教学模式,将科学思维和研究方法融入教学,为学生营造浓厚的研究气氛。(3)在教学实施上,实验课前,教师预先发布实验内容,向学生介绍相关实验发展现状,并以问题导学的形式布置预习任务。实验课中,采取分组协同实验的方式,小组成员间分工协作,增加师生之间、学生之间的交流与讨论;教师则采取“场外指导”的方式,旨在将学生推至实验教学的主体位置,确保课堂上引发观点的相互碰撞,将知识内化引向更深层次。实验课后,要求学生对实验过程、现象及数据进行归纳与总结,并以科技论文的形式撰写研究报告。最终,通过这种多样化的实验训练给予学生对科研更加全面与深刻的认识。3 专业综合实验设计的依据3.1 二氧化钛气体检测原理以 N 型二氧化钛纳米管为例,说明其对氢气的检测机理。当 TiO2暴露于空气中时,空气中的氧分子吸附于半导体表面;由于氧元素较大的电负性,会夺取 TiO2中的电子转变成 O2-,该过程将导致 TiO2表面形成厚度为几纳米的电子耗尽层。当环境气氛中存在还原性气体如氢气时,其将与吸附在 TiO2表面的O2-进行反应生成水,氧气夺取的电子随即归还到 TiO2半导体第 51 卷第 2 期刘敏,等:科研成果转化为实验教学资源的探索 室温氢气传感器的制备及性能表征专业综合实验设计291