基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的光電功能材料創(chuàng)新性實驗設(shè)計

楊為家，辛月，申冬玲，何鑫，曹小兵

摘? 要：創(chuàng)新型技術(shù)人才是建設(shè)創(chuàng)新型國家、打造制造強國的重要基石。在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的時代背景下，創(chuàng)新型技術(shù)人才的培養(yǎng)就顯得尤為重要。高等院校是培養(yǎng)高水平人才的搖籃，承擔(dān)創(chuàng)新型技術(shù)人才培養(yǎng)的重任。在高等院校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系當(dāng)中，實驗實訓(xùn)是關(guān)鍵一環(huán)。該文以光電功能材料課程的創(chuàng)新性實驗設(shè)計為例，探索其在大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中的作用規(guī)律。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力；培養(yǎng)；創(chuàng)新型；實驗設(shè)計；光電功能材料

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）18-0051-04

Abstract： Innovative technical talents are an important cornerstone for building an innovative country and building a strong manufacturing country. In the era of "innovation and entrepreneurship by all"， the cultivation of innovative technical talents is particularly important. Colleges and universities are the cradle for cultivating high-level talents and undertake the important task of cultivating innovative technical talents. In the innovative talent training system of colleges and universities， experimental training is a key part. This paper takes the innovative experimental design of the course of Optoelectronic Functional Materials as an example to explore its role in the process of cultivating college students' innovative ability.

Keywords： innovation ability; training; type of innovation; experimental design; photoelectric functional material

新時代國家發(fā)展將科技創(chuàng)新、創(chuàng)新性人才培養(yǎng)放到了非常重要的位置，這在美歐對我國進(jìn)行高科技技術(shù)封鎖的國際環(huán)境下，培養(yǎng)德才兼?zhèn)洳⒕哂休^高創(chuàng)新能力的高層次人才就更具有現(xiàn)實的緊迫性。為此，黨的十八大以來，我國高等院校因地制宜，因校施策，加快了對技術(shù)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的積極研究探索和嘗試。有的高校提出，在新工科教育改革背景下，培養(yǎng)大學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和素質(zhì)對提升學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力有著十分重要的意義[1-3]。有的高校充分發(fā)揮課堂和實驗、實訓(xùn)、課外科技活動的作用，系統(tǒng)化、全過程培育大學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實踐能力[4-5]。有的高校積極探索“科教融合”的模式[6]，還有的高校趟出了“產(chǎn)教融合”模式下培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的“路子”[7]。有的高校將培養(yǎng)具有多學(xué)科交叉背景、創(chuàng)新實踐能力的復(fù)合型人才作為主要目標(biāo)[8]，從跨學(xué)科、多領(lǐng)域角度錘煉大學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)[5，9-10]。

五邑大學(xué)是一所地方綜合性理工大學(xué)，主要目標(biāo)是服務(wù)地方產(chǎn)業(yè)，為企業(yè)培養(yǎng)在一線工作的、具有較高創(chuàng)新能力的工程師或者技術(shù)骨干，即技術(shù)創(chuàng)新型人才。學(xué)校制定了人才培養(yǎng)的一系列文件，鼓勵教師積極探索課程思政，用社會主義核心價值觀武裝學(xué)生的頭腦，并通過課堂、實驗、實訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目、互聯(lián)網(wǎng)+和科技競賽等多種形式和途徑，全方面、多角度、全過程訓(xùn)練大學(xué)生的創(chuàng)新能力。2021年12月，五邑大學(xué)成功獲批廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育示范學(xué)校。光電功能材料是材料科學(xué)與工程、光電工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)課，該課程由理論和實驗兩部分組成。其中，實驗部分是技術(shù)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要途徑。本課程實驗的核心思想是以學(xué)生為中心，以創(chuàng)新性實驗設(shè)計為橋梁，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐能力。大膽假設(shè)，小心求證。這是人們所遵循的科學(xué)思維。由此延伸，創(chuàng)新思維就是敢想、會想，敢于突破常規(guī)；創(chuàng)新實踐能力，就是能干、巧干——能夠充分利用現(xiàn)有條件完成實驗；沒有條件，能夠自行創(chuàng)造條件（或創(chuàng)造工具）。基于上述對創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐能力的認(rèn)識，并結(jié)合五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院現(xiàn)有條件和個人專業(yè)特點，本文選擇將“規(guī)則多孔氧化物薄膜的設(shè)計與制備及應(yīng)用探索”作為創(chuàng)新性實驗設(shè)計的課題。

一? 創(chuàng)新性實驗設(shè)計思路

由圖1可知，通過查閱文獻(xiàn)資料，從實驗材料庫、實驗設(shè)備庫和測試設(shè)備庫（見表1）當(dāng)中選擇恰當(dāng)?shù)馁Y源和設(shè)備，自行合理設(shè)計實驗方案，制備出微納米級別規(guī)則多孔氧化物薄膜，并積極探索所制備的多孔氧化物薄膜的新用途。

設(shè)計思路提示：3D打印、絲網(wǎng)印刷、模板法、腐蝕法和陽極氧化。

二? 新手幫助“秘籍”寶典

學(xué)生是本科生，除了少部分提前進(jìn)入實驗參加科技課外活動的學(xué)生之外，大都比較缺乏實驗經(jīng)歷，實驗設(shè)計經(jīng)歷幾乎為零。學(xué)生在實驗設(shè)計的初期必然會面臨重重困難和不適應(yīng)，需要老師及時給予恰當(dāng)?shù)貛椭椭笇?dǎo)，協(xié)助學(xué)生渡過難關(guān)，保證創(chuàng)新性設(shè)計的繼續(xù)進(jìn)行。因此，需要指導(dǎo)老師具有敏銳而開闊的思維，并以O(shè)BE理念為指導(dǎo)——能夠給學(xué)生設(shè)定較為合理的障礙和目標(biāo)，讓學(xué)生只要努力地跳一跳就可以夠得著；同時，具有相對明顯的成果，可以使學(xué)生有較好的獲得感、滿足感和成就感。在實驗設(shè)計和實施過程中，應(yīng)該有意識引導(dǎo)學(xué)生通過創(chuàng)造工具去解決問題。因為在這個創(chuàng)造過程中，學(xué)生最容易獲得成就感和滿足感。同時，這也是最能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的地方?？傊笇?dǎo)老師應(yīng)該提前做好預(yù)案，準(zhǔn)備好新手“秘籍”寶典。以下是本文為學(xué)生提前準(zhǔn)備的五種“秘籍”。

秘籍一：3D打印。思路一：以有機物為前驅(qū)體，將ZnO、TiO2等納米或?qū)⑽⒚最w粒作為溶劑制備成打印材料，利用3D打印獲得規(guī)則多孔薄膜前驅(qū)體，然后高溫?zé)Y(jié)，從而獲得規(guī)則多孔金屬氧化物。思路二：在襯底3D打印規(guī)則塑料微米點陣，磁控濺射或者水熱法室溫制備金屬氧化物薄膜，然后高溫煅燒，將塑料微米點陣分解掉，從而獲得規(guī)則多孔金屬氧化物。思路三：在ITO襯底3D打印規(guī)則塑料微米點陣，電件化學(xué)沉積或者水熱法制備金屬氧化物薄膜，然后使用丙酮、乙醚等有機試劑將塑料微米點陣溶解掉，從而獲得規(guī)則多孔金屬氧化物。創(chuàng)新設(shè)計：仿生多級孔材料如圖2所示[11]；人造骨骼或牙齒；凈水機濾網(wǎng)。

秘籍二：絲網(wǎng)印刷/納米壓印——絲網(wǎng)印刷。將Ag NWs/PEDOT：PSS溶液作為墨水，利用絲網(wǎng)印刷可以獲得規(guī)則的多孔薄膜（前驅(qū)體）圖案，如圖3所示[12]。類似地，以有機物為前驅(qū)體，將ZnO、TiO2等納米或則微米顆粒作為溶劑，制備成墨水，通過絲網(wǎng)印刷可以得到ZnO、TiO2前驅(qū)體多孔薄膜；之后烘干，高溫?zé)Y(jié)，去除有機物，從而獲得ZnO或TiO2規(guī)則多孔薄膜。納米壓?。菏紫戎苽浒牍袒那膀?qū)體薄膜，然后采用納米模板壓印，獲得規(guī)則多孔，此后，高溫?zé)Y(jié)，從而獲得規(guī)則多孔金屬氧化物薄膜。創(chuàng)新設(shè)計：一是將絲網(wǎng)印刷的線條尺寸控制在1 μm，高溫?zé)Y(jié)之后，就可以獲得納米級的線條。即可以采用非常簡單的設(shè)備實現(xiàn)納米材料的可控制備。二是在管式退火爐當(dāng)中，使用氮氣保護，高溫下對有機物進(jìn)行碳化處理，獲得ZnO/C、TiO2/C等復(fù)合材料。

秘籍三：模板法——PS微球、PEO、P123等有機模板。PS微球如果是采購，則成本相對較貴，不適應(yīng)用于大規(guī)模學(xué)生實驗。如果能夠自行孔合成PS微球，或者使用尺寸較大且成本低廉的PS顆粒，則該方案是非?？尚械?。在之前的實驗當(dāng)中，作者已經(jīng)掌握了使用PS微球制備的NiO薄膜的方法和工藝，并制備了規(guī)則的NiO多孔薄膜，如圖4（a）、圖4（b）所示。而使用PEO或者P123與金屬鹽的混合溶液，通過恰當(dāng)?shù)臏囟仁褂肞EO或者P123結(jié)出納米級的微晶，而后再高溫煅燒，去除PEO或者P123微晶，從而獲得規(guī)則多孔金屬氧化物，如圖5所示[13]。這種自組裝制備3D規(guī)則多孔氧化物薄膜的方法得到了廣泛的應(yīng)用[13]。創(chuàng)新設(shè)計：①利用不同直徑的PS微球制備多級孔仿生材料，如圖4（c）所示；②3D打印硬模板（創(chuàng)造工具），這類模板可以與溶膠-凝膠法相結(jié)合，從而達(dá)到模板反復(fù)使用的效果，從而大幅度節(jié)約成本。

秘籍四：腐蝕法——石蠟或者有機掩膜板+弱酸腐金屬氧化物，降低成本；ZnO粉末與NiO、TiO2粉末等混合均勻壓制成型，并高溫?zé)Y(jié)，之后，醋酸或者鹽酸腐蝕，去除ZnO，從而獲得多孔NiO或者TiO2薄膜。創(chuàng)新設(shè)計：一是可以與絲網(wǎng)印刷相結(jié)合，絲網(wǎng)印刷制備有規(guī)則機物掩膜板（或者石蠟），弱酸腐蝕ZnO、Fe2O3等容易腐蝕的金屬氧化物，接著去除有機物模板（或者石蠟），從而獲得規(guī)則多孔金屬氧化物薄膜；二是在金屬氧化物薄膜上面首先使用規(guī)則的納米柱/微米柱陣列模板緊緊壓在薄膜表面上，接著澆注石蠟，待石蠟完全凝固之后，去模具，弱酸腐蝕之后，熱水洗掉石蠟，即可獲得規(guī)則多孔氧化物薄膜；三是在金屬薄膜上面首先均勻涂覆一層薄膜石蠟，然后使用規(guī)則納米柱/微米柱陣列模板壓印，直至金屬氧化物薄膜暴露出來，再進(jìn)行弱酸腐蝕，以及熱水洗掉石蠟，從而獲得規(guī)則多孔氧化物薄膜。應(yīng)用研究探索：一是將規(guī)則多孔ZnO、Fe2O3等金屬氧化物薄膜浸入硫化鈉溶液，在合適的溫度下進(jìn)行硫化，從而獲得ZnO@ZnS、Fe2O3@FeS2等核殼結(jié)構(gòu)規(guī)則多孔薄膜材料，拓展材料的應(yīng)用領(lǐng)域；二是將規(guī)則多孔ZnO、Fe2O3等金屬氧化物薄膜浸入AuCl3、AgCl2等溶液當(dāng)中，在光催化作用下，在規(guī)則多孔ZnO、Fe2O3等金屬氧化物薄膜上形成Au、Ag納米顆粒，提高材料的性能，并拓展材料在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

秘籍五：陽極氧化——將Al、Fe等金屬板/片，陽極氧化成規(guī)則多孔金屬氧化物薄膜（AAO模板）。創(chuàng)新設(shè)計：一是通過對Al金屬板/片進(jìn)行合金化處理，可以滿足不同的使用需求，例如氣敏傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、光催化、能源轉(zhuǎn)化和催化反應(yīng)等。二是以AAO模板為基礎(chǔ)，使用有機物前驅(qū)體制備高分子納米柱陣列或者碳納米柱陣列，進(jìn)而作為納米壓印的模板（創(chuàng)造工具）。三是將AAO應(yīng)用到爆氧機的噴頭上，從而實現(xiàn)納米爆氧。這類爆氧裝置可應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的均勻加氧或者微生物發(fā)酵的均勻供氧。四是利用AAO模板制備納米柱或者納米點陣列[14]，如圖6所示。這部分內(nèi)容屬于應(yīng)用研究探索。

三? 結(jié)束語

課后對上課學(xué)生進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容主要包括信息的收集與綜合、實踐能力的提高、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)、創(chuàng)新能力的應(yīng)用（面對問題時應(yīng)用創(chuàng)新思維或者模仿創(chuàng)新的方式去解決問題）和項目組織與實施的能力（團隊領(lǐng)導(dǎo)、團隊合作、協(xié)調(diào)與溝通）、規(guī)范性塑造（規(guī)范性實驗操作、規(guī)范性撰寫實驗報告）等方面。調(diào)查結(jié)果表明，教學(xué)改革效果較好，基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。學(xué)生喜愛和主動學(xué)習(xí)是創(chuàng)新性實驗設(shè)計的關(guān)鍵。未來，將通過設(shè)計類似游戲闖關(guān)性質(zhì)的關(guān)卡和適當(dāng)?shù)莫剟睿浞终{(diào)動學(xué)生的積極性，讓學(xué)生喜愛這個創(chuàng)新性實驗設(shè)計，從而更好地達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。同時，不斷完善和豐富新手“秘籍”寶典，從而更好滿足不同學(xué)生的需求，促進(jìn)學(xué)生的個性化發(fā)展。

此外，本創(chuàng)新性實驗設(shè)計具有良好的拓展性。一方面，學(xué)生可以根據(jù)自己的創(chuàng)新性成果去申請專利；另一方面，學(xué)生可以拿創(chuàng)新性、高價值的實驗成果去參加科技競賽或者“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，這樣可以進(jìn)一步增加成果產(chǎn)出，增強學(xué)生的獲得感。

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