大學生創新創業項目的應用實踐

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[摘要]創新創業教育是高校人才培養的重要途徑之一，針對大二學生處于基礎課程學習階段尚未進行專業課程學習的情況，在物理化學教學過程中強化學生對實驗原理的掌握，加強實驗設計的主觀意識，嚴格要求實驗報告的撰寫規范等方面著手，培養學生創新創業技能，并設計一個物理化學知識衍生的創新訓練模式，將物理化學基礎課程學習與創新實踐相結合，使得學生學有所用，也促進教師在后期的理論課程教學中提供生動的教學案例。

[關鍵詞]創新創業；物理化學；實驗教學；訓練模式；案例

2021年10月12日國務院辦公廳印發《關于進一步支持大學生創新創業的指導意見》，其中指出深化高校創新創業教育改革，將創新創業教育貫穿人才培養全過程，建立以創新創業為導向的新型人才培養模式。完善中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽可持續發展機制，鼓勵各學段學生積極參賽[1]。在分析大學生創新創業項目實施過程中，不難發現部分項目與學科專業脫節、學生參與度低等問題[2-5]。造成如此局面的原因主要有兩種，一方面很多學生申請或參與創新創業項目主要是為了獲得學分，并非是源于興趣，缺少了主動性。另一方面，對于大二的學生而言，仍處于基礎課程學習階段，缺乏專業知識儲備，對研究背景、研究方法和技術路線、研究手段及擬解決的關鍵問題等一知半解，使得學生在創新項目選題、執行方面具有一定的挑戰性，從而影響影響了參與度和申報參與項目的積極性[6-7]。在此背景下，依托中南大學化學化工學院教學和科研實驗平臺，在教學過程中強化學生創新創業能力的培養，引導本科生利用已學的物理化學理論知識和實驗技能孵化創新創業項目，通過教師科研平臺幫助學生將想法進行驗證和探索，設計一個物理化學知識衍生的創新訓練模式，將物理化學基礎課程學習與創新實踐相結合，促進學生對知識的學有所用，同時為教師在后期的理論課程教學中提供生動的教學案例。

1教學過程中強化學生創新創業能力的培養

如圖1所示，在本科生創新創業項目中，需要團隊具有項目選題-文獻檢索-實驗方案設計-數據獲取-數據分析處理-撰寫調研報告及學術論文等能力[8]，因此在物理化學實驗教學中設計了實驗目的-實驗原理-儀器與試劑-實驗步驟和現象-原始數據收集-數據處理分析-實驗結果討論幾個部分進行相關的教學和能力培養。

1.1豐富的教學內容

物理化學實驗課程旨在鞏固和加深同學對物理化學原理的理解，提高學生對物理化學知識靈活應用的能力。課程主要涉及熱化學實驗、平衡實驗、化學動力學實驗、電化學實驗、表面化學實驗、膠體化學實驗等。在接觸常規實驗儀器(移液管、攪拌器)的同時，學生們有機會使用多種恒溫和加熱裝置(恒溫水浴槽、管式電爐、馬弗爐)、壓力測定和真空裝置(壓力計、真空泵)和多種測試儀器(阿貝折射儀、電導率儀、差熱分析儀、電位差綜合測試儀)等。這些儀器的使用拓寬了學生的視野，同時掌握這些儀器的原理和操作有助于學生們在后期創新創業實踐中部分實驗的順利進行。

1.2強化邏輯思維培養

大學生的創新創業項目一般都具有“目標導向”，因此在物理化學實驗教學中強化學生對應實驗目的的凝練和總結，在實驗報告的“實驗目的”部分，要求學生思考本次實驗的意義，所能測得的熱力學數據是什么，從而強化學生實驗過程中的“目標導向”。在教學過程中，與全程灌輸講授的授課模式相比，目標問題導向式的教學方式圍繞著各種問題展開，使學生從認識問題、分析問題、解決問題的角度出發，鍛煉學生的理解、分析和實踐能力。因此，在課堂講授實驗過程中，在已有的“目標導向”基礎上，通過設計多個輪次的問答(“理論課上什么反應能實現目標？”“基于什么方程能求解得到？”、“需要測定哪個物理量”、“如何實現物理量的測定”等)，促進學生思考，從設計實驗的角度幫助學生理解實驗原理-儀器和試劑的選擇-實驗步驟的順序，從而培養設計實驗的邏輯思維。以“二級反應—乙酸乙酯的皂化反應”為例，首先會確定此次實驗的主要目標，即“求二級反應的速率常數及反應活化能”。然后進入問答環節，由第一個問題“憑什么證明我們這個是二級反應”，可以從學生的回答——“反應級數是二”使學生明確反應級數的定義。由第二個問題“反應級數的確定方法？”，可以引導學生回憶理論課中學習的“嘗試法、圖解法、半衰期法、微分法、孤立法”，并通過互相對比，體會本次實驗選擇圖解法的理由，幫助學生建議篩選方法的思路。由第三個問題“圖解法對應公式中的濃度如何測定？”，幫助學生了解化學法測定濃度的操作難度，以及如何將待測的“濃度”轉移成可以即時讀取的物理量—電導率，從而幫助學生建立儀器選擇的概念。在此基礎上，設立一個問題，即“如何將乙酸乙酯皂化反應設計成一級反應，并求得相應的反應速率常數和表觀活化能？”，從而引導學生對于實驗的關鍵環節的理解，也培養學生設計實驗的能力。

1.3完善考核細則

課程考核是衡量學生學習效果的重要方式，通過完善考核細則，提高部分環節的分數占比，有助于提高學生對關鍵知識點和技能的重視和掌握。對于物理化學實驗報告而言，各部分的分散占比分別為實驗目的(8%)-實驗原理(8%)-儀器與試劑(8%)-實驗步驟和現象(8%)-實驗操作+原始數據收集(8%)-數據處理分析(40%)-實驗結果討論(20%)。其中，實驗原理部分嚴禁學生照搬書籍，需要同學們在預習的基礎上，從“化學反應原理”、“物理化學原理”和“數據測量原理”三方面進行總結和凝練，用自己的話將原理進行陳述。從而促進學生在閱讀書籍過程中的文獻檢索和整理能力。其次，通過對學生實驗現象記錄和原始數據卡的考核，培養學生及時記錄室溫和大氣壓等潛在的環境影響因素，以三線表形式規范化原始數據記錄，從而鍛煉學生嚴謹細心的態度，培養認真記錄原始數據及現象的“獲取數據”的習慣。與此同時，物理化學實驗課程重點考查學生的數據處理分析能力，著重考查數據處理的準確性，并要求學生查閱文獻參考值進行數據的誤差計算，個別實驗要求學生進行偏差計算。根據數據處理結果，學生需對誤差的來源進行分析，并提出實驗的主要結論。根據實驗過程的心得及查閱相關文獻，對實驗的方法和注意事項提出自己的看法。其中，所有的誤差分析要滿足定向性原則，即不可以空泛的討論，要根據自己提出的假設，自行推導對所引入的影響因素對結果造成的正、負向偏離。基于此，可以對學生的“數據處理分析”、“文獻檢索查閱”和“調研報告撰寫”等方面進行培養，為后續的專業課程和創新創業實踐做好基礎知識和基本能力的儲備。

2物理化學課程教學孵化大學生創新創業項目示例

2.1項目背景

化石能源占能源使用的比重最大，但其具有不可再生的性質，且使用過程會污染環境。因而迫切需要尋求新型綠色能源，以減少對化石能源的依賴[9]。其中，利用太陽能光電催化分解水制氫具有綠色、環保、反應條件溫和、無副產物等優點。為促進氫氣的產率，需要探究光電催化分解水的影響因素，并采取相關手段以提高光電分解水效率。其中，光電催化分解水一般的評價指標為1.23V(vs.RHE)電極電勢下的電流密度。作為一個光陽極體系，不僅僅要考慮材料自身對光電催化分解水性能的影響因素(光吸收、體相載流子分離效率、表面載流子注入效率)，還要保證測試體系中對電極的催化活性(氫的析出過電勢)和外接電路及溶液串聯電阻等。

2.2項目孵化

在物理化學的電化學實驗教學中，提供了“分解電壓”、“弱電解質電離平衡常數測定”、“陰極極化曲線的測定”等一系列實驗。在理論課學習的基礎上，學生總結發現四個規律：(1)溫度升高離子的電導率增加；(2)水的分解電壓中包含一定的過電勢，而該過電勢受到材料種類的影響；(3)溫度升高金屬電導率降低、半導體電導率增加；(4)隨著溫度的增加，水的分解反應吉布斯自由能是降低的，所需的分解電壓也降低。在以上四個規律基礎上，考慮到實際生活中光電分解水的反應溫度難以保證實驗室常規的25℃，因此學生提出通過提高反應溫度促進光電催化分解水的思路。后經文獻查閱，發現溫度升高可能會影響材料穩定性，且許多半導體在分解水過程中由于光腐蝕或材料本身的不穩定性而不能長時間工作[10]。因此學生提出了研究溫度對CuWO4基半導體光電催化分解水影響的思路，并將其作為研究內容的一部分申請大學生創新創業項目(S2021105330407)。在教師的科研實驗室，學生參考“陰極極化曲線測定”實驗中學習的三電極模式進行光電化學測試，通過“弱電解質電離平衡常數”和“表觀摩爾體積和偏摩爾體積的測定”等實驗中所掌握的恒溫槽操作技能進行恒溫，得到了不同溫度下的光電流密度數據。在5℃、15℃、30℃、45℃和60℃時，電流密度分別為0.10mA/cm2、0.11mA/cm2、0.15mA/cm2、0.16mA/cm2和0.19mA/cm2。可以發現隨著測試溫度的升高，體系的光電流增加，即具有更好的光電催化性能。采用“弱電解質電離平衡常數”和“二級反應”實驗中涉及的電導率測定方法，研究了不同溫度下的電解質溶液電導率。在5℃、15℃、30℃、45℃和60℃時，0.2mol/L的磷酸氫鉀緩沖溶液的電導率分別為20mS/cm、25mS/cm、32mS/cm、42mS/cm和52mS/cm，證明了之前的猜想，即溫度升高可以提高電解質溶液的電導，降低電阻。最后，采用交流阻抗測試(電化學實驗緒論部分涉及內容)研究了不同溫度下的測試體系的外部電阻(溶液+電極導線等串聯電阻)和半導體材料的內阻。在5℃、15℃、30℃、45℃和60℃時，測試體系的外部串聯電阻為26.5Ω、23.6Ω、20.1Ω、18.5Ω和18.4Ω，半導體材料的內阻為4.13kΩ、3.26kΩ、2.39kΩ、2.02kΩ和1.32kΩ。從中可以得出結論，即溫度在一定范圍內可以減小溶液、電極線等構成的外部電阻，但主要的內阻還是由材料內部貢獻，對此學生從物理化學理論課的統計熱力學方面給予了自己的解釋。同時，學生也期待通過后續的結構化學、半導體物理等課程的學校對其進一步的解釋。作為教師，這也可以成為一個案例用以理論課的教學。

2.3孵化項目案例反思

實踐證明，基于已學知識衍生的創新創業項目，對于學生而言難度適合，整個項目進行過程中學生總是可以找到自己熟悉的環節，除開疫情防控時期，基本保證了參與度。在執行項目的同時，學生進一步了解了光電催化體系的工作原理和主要的影響因素。由于在前期的實驗過程中學生已分段式的已經將基礎課中尚未接觸的專業知識涉及到，使得學生可以獨立的進行實驗操作，并對CuWO4的光電催化性能進行進一步的優化，確保了創新創業項目中后期研究內容的順利執行。

3結語

綜上，基于物理化學課程教學孵化大學生創新創業項目，從強化教學過程中學生對實驗原理的掌握，加強實驗設計的主觀意識，嚴格要求實驗報告的撰寫規范等方面著手，為學生進行大學生創新創業實踐打好基礎。同時，在課程教學中激發大學生主動思考的習慣以及通過參考文獻給老師挑錯的能力，促進其提出改進和升級實驗的想法，從而孵化大學生創新創業項目。采取這種模式孵化的項目是基于學生掌握技能和一定文獻閱讀后自我思考的結果，具有較高的可執行性。測試手段大部分與物化實驗涉及的原理和儀器相關，學生能獨立承擔的實驗內容明顯增加，避免了部分大學生創新創業項目中學生參與度低的問題。而且在充分參與實驗的過程中，學生的實踐操作技能得到進一步提高，對于一些現象激發其對后續專業課的興趣，加強其對自身專業的興趣和信心。另一方面，這種模式可以促進教師發現培養學生的著力點，所孵化的項目也幫助教師在理論課教學中提高生動接地氣的案例，拉近學生與物理化學知識的距離。

作者：劉洋 丁治英 李文章 李潔 單位：中南大學化學化工學院