基于創新能力培養的光電功能材料創新性實驗設計

楊為家，辛月，申冬玲，何鑫，曹小兵

摘? 要：創新型技術人才是建設創新型國家、打造制造強國的重要基石。在“大眾創業、萬眾創新”的時代背景下，創新型技術人才的培養就顯得尤為重要。高等院校是培養高水平人才的搖籃，承擔創新型技術人才培養的重任。在高等院校創新型人才培養體系當中，實驗實訓是關鍵一環。該文以光電功能材料課程的創新性實驗設計為例，探索其在大學生創新能力培養過程中的作用規律。

關鍵詞：創新能力；培養；創新型；實驗設計；光電功能材料

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：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

新時代國家發展將科技創新、創新性人才培養放到了非常重要的位置，這在美歐對我國進行高科技技術封鎖的國際環境下，培養德才兼備并具有較高創新能力的高層次人才就更具有現實的緊迫性。為此，黨的十八大以來，我國高等院校因地制宜，因校施策，加快了對技術創新型人才培養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，培養大學生的科研創新能力和素質對提升學生實踐和創新能力有著十分重要的意義[1-3]。有的高校充分發揮課堂和實驗、實訓、課外科技活動的作用，系統化、全過程培育大學生的創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“產教融合”模式下培養大學生創新創業能力的“路子”[7]。有的高校將培養具有多學科交叉背景、創新實踐能力的復合型人才作為主要目標[8]，從跨學科、多領域角度錘煉大學生的創新素養[5，9-10]。

五邑大學是一所地方綜合性理工大學，主要目標是服務地方產業，為企業培養在一線工作的、具有較高創新能力的工程師或者技術骨干，即技術創新型人才。學校制定了人才培養的一系列文件，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生的頭腦，并通過課堂、實驗、實訓、創新創業訓練項目、互聯網+和科技競賽等多種形式和途徑，全方面、多角度、全過程訓練大學生的創新能力。2021年12月，五邑大學成功獲批廣東省大學生創新創業教育示范學校。光電功能材料是材料科學與工程、光電工程等專業的一門重要專業課，該課程由理論和實驗兩部分組成。其中，實驗部分是技術創新型人才培養的重要途徑。本課程實驗的核心思想是以學生為中心，以創新性實驗設計為橋梁，培養學生的創新思維和創新實踐能力。大膽假設，小心求證。這是人們所遵循的科學思維。由此延伸，創新思維就是敢想、會想，敢于突破常規；創新實踐能力，就是能干、巧干——能夠充分利用現有條件完成實驗；沒有條件，能夠自行創造條件（或創造工具）。基于上述對創新思維和創新實踐能力的認識，并結合五邑大學應用物理與材料學院現有條件和個人專業特點，本文選擇將“規則多孔氧化物薄膜的設計與制備及應用探索”作為創新性實驗設計的課題。

一? 創新性實驗設計思路

由圖1可知，通過查閱文獻資料，從實驗材料庫、實驗設備庫和測試設備庫（見表1）當中選擇恰當的資源和設備，自行合理設計實驗方案，制備出微納米級別規則多孔氧化物薄膜，并積極探索所制備的多孔氧化物薄膜的新用途。

設計思路提示：3D打印、絲網印刷、模板法、腐蝕法和陽極氧化。

二? 新手幫助“秘籍”寶典

學生是本科生，除了少部分提前進入實驗參加科技課外活動的學生之外，大都比較缺乏實驗經歷，實驗設計經歷幾乎為零。學生在實驗設計的初期必然會面臨重重困難和不適應，需要老師及時給予恰當地幫助和指導，協助學生渡過難關，保證創新性設計的繼續進行。因此，需要指導老師具有敏銳而開闊的思維，并以OBE理念為指導——能夠給學生設定較為合理的障礙和目標，讓學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，可以使學生有較好的獲得感、滿足感和成就感。在實驗設計和實施過程中，應該有意識引導學生通過創造工具去解決問題。因為在這個創造過程中，學生最容易獲得成就感和滿足感。同時，這也是最能培養學生創新能力的地方。總之，指導老師應該提前做好預案，準備好新手“秘籍”寶典。以下是本文為學生提前準備的五種“秘籍”。

秘籍一：3D打印。思路一：以有機物為前驅體，將ZnO、TiO2等納米或將微米顆粒作為溶劑制備成打印材料，利用3D打印獲得規則多孔薄膜前驅體，然后高溫燒結，從而獲得規則多孔金屬氧化物。思路二：在襯底3D打印規則塑料微米點陣，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，從而獲得規則多孔金屬氧化物。思路三：在ITO襯底3D打印規則塑料微米點陣，電件化學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，從而獲得規則多孔金屬氧化物。創新設計：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。

秘籍二：絲網印刷/納米壓印——絲網印刷。將Ag NWs/PEDOT：PSS溶液作為墨水，利用絲網印刷可以獲得規則的多孔薄膜（前驅體）圖案，如圖3所示[12]。類似地，以有機物為前驅體，將ZnO、TiO2等納米或則微米顆粒作為溶劑，制備成墨水，通過絲網印刷可以得到ZnO、TiO2前驅體多孔薄膜；之后烘干，高溫燒結，去除有機物，從而獲得ZnO或TiO2規則多孔薄膜。納米壓印：首先制備半固化的前驅體薄膜，然后采用納米模板壓印，獲得規則多孔，此后，高溫燒結，從而獲得規則多孔金屬氧化物薄膜。創新設計：一是將絲網印刷的線條尺寸控制在1 μm，高溫燒結之后，就可以獲得納米級的線條。即可以采用非常簡單的設備實現納米材料的可控制備。二是在管式退火爐當中，使用氮氣保護，高溫下對有機物進行碳化處理，獲得ZnO/C、TiO2/C等復合材料。

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，不適應用于大規模學生實驗。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，則該方案是非常可行的。在之前的實驗當中，作者已經掌握了使用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，通過恰當的溫度使用PEO或者P123結出納米級的微晶，而后再高溫煅燒，去除PEO或者P123微晶，從而獲得規則多孔金屬氧化物，如圖5所示[13]。這種自組裝制備3D規則多孔氧化物薄膜的方法得到了廣泛的應用[13]。創新設計：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（創造工具），這類模板可以與溶膠-凝膠法相結合，從而達到模板反復使用的效果，從而大幅度節約成本。

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，并高溫燒結，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。創新設計：一是可以與絲網印刷相結合，絲網印刷制備有規則機物掩膜板（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，再進行弱酸腐蝕，以及熱水洗掉石蠟，從而獲得規則多孔氧化物薄膜。應用研究探索：一是將規則多孔ZnO、Fe2O3等金屬氧化物薄膜浸入硫化鈉溶液，在合適的溫度下進行硫化，從而獲得ZnO@ZnS、Fe2O3@FeS2等核殼結構規則多孔薄膜材料，拓展材料的應用領域；二是將規則多孔ZnO、Fe2O3等金屬氧化物薄膜浸入AuCl3、AgCl2等溶液當中，在光催化作用下，在規則多孔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域的應用范圍。

秘籍五：陽極氧化——將Al、Fe等金屬板/片，陽極氧化成規則多孔金屬氧化物薄膜（AAO模板）。創新設計：一是通過對Al金屬板/片進行合金化處理，可以滿足不同的使用需求，例如氣敏傳感器、化學傳感器、生物傳感器、光催化、能源轉化和催化反應等。二是以AAO模板為基礎，使用有機物前驅體制備高分子納米柱陣列或者碳納米柱陣列，進而作為納米壓印的模板（創造工具）。三是將AAO應用到爆氧機的噴頭上，從而實現納米爆氧。這類爆氧裝置可應用于水產養殖的均勻加氧或者微生物發酵的均勻供氧。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。這部分內容屬于應用研究探索。

三? 結束語

課后對上課學生進行了跟蹤調查，調查內容主要包括信息的收集與綜合、實踐能力的提高、創新思維的培養、創新能力的應用（面對問題時應用創新思維或者模仿創新的方式去解決問題）和項目組織與實施的能力（團隊領導、團隊合作、協調與溝通）、規范性塑造（規范性實驗操作、規范性撰寫實驗報告）等方面。調查結果表明，教學改革效果較好，基本達到了預期的目標。學生喜愛和主動學習是創新性實驗設計的關鍵。未來，將通過設計類似游戲闖關性質的關卡和適當的獎勵，充分調動學生的積極性，讓學生喜愛這個創新性實驗設計，從而更好地達到培養學生創新能力的目的。同時，不斷完善和豐富新手“秘籍”寶典，從而更好滿足不同學生的需求，促進學生的個性化發展。

此外，本創新性實驗設計具有良好的拓展性。一方面，學生可以根據自己的創新性成果去申請專利；另一方面，學生可以拿創新性、高價值的實驗成果去參加科技競賽或者“互聯網+”創新創業大賽，這樣可以進一步增加成果產出，增強學生的獲得感。

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