基于创新能力培养的光电功能材料创新性实验设计_杨为家.pdf

高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 18 期创新创业教育基于创新能力培养的光电功能材料创新性实验设计杨为家1，2，辛月1，2，申冬玲1，2*，何鑫1，2，曹小兵1，2（1.五邑大学 应用物理与材料学院，广东 江门 529020；2.江门市柔性电极材料及其应用工程技术研究中心，广东 江门 529020）新时代国家发展将科技创新、创新性人才培养放到了非常重要的位置，这在美欧对我国进行高科技技术封锁的国际环境下，培养德才兼备并具有较高创新能力的高层次人才就更具有现实的紧迫性。为此，党的十八大以来，我国高等院校因地制宜，因校施策，加快了对技术创新型人才培养的积极研究探索和尝试。有的高校提出，在新工科教育改革背景下，培养大学生的科研创新能力和素质对提升学生实践和创新能力有着十分重要的意义1-3。有的高校充分发挥课堂和实验、实训、课外科技活动的作用，系统化、全过程培育大学生的创新能力和综合实践能力4-5。有的高校积极探索“科教融合”的模式6，还有的高校趟出了“产教融合”模式下培养大学生创新创业能力的“路子”7。有的高校将培养具有多学科交叉背景、创新实践能力的复合型人才作为主要目标8，从跨学科、多领域角度锤炼大学生的创新素养5，9-10。五邑大学是一所地方综合性理工大学，主要目标是服务地方产业，为企业培养在一线工作的、具有较高创新能力的工程师或者技术骨干，即技术创新型人才。学校制定了人才培养的一系列文件，鼓励教师积极探索课程思政，用社会主义核心价值观武装学生的头脑，并通过课堂、实验、实训、创新创业训练项目、互联网+和科技竞赛等多种形式和途径，全方面、多角度、全过程训练大学生的创新能力。2021 年 12 月，五邑大学成功获批广东省大学生创新创业教育示范学校。光电功能材料是材料科学与工程、光电工程等专业的一门重要专业课，该课程由理论和实验两部分组成。其中，实验部分是技术创新型人才培养的重要途径。本课程实验的核心思想是以学生为中心，以创新性实验设计为桥梁，培养学生的创新思维和创新实践能力。大胆假设，小心求证。这是人们所遵循的科学思维。由此延伸，创新思维就是敢想、会想，敢于突破常规；创新实践能力，就是能干、巧干能够充分利用现有条件完成实验；没有条件，能够自行创造条件（或创造工具）。基于上述对创新思维和创新实践能力的认识，并结合五邑大学应用物理与材料学院现有条件和个人专业特点，本文选择将“规则多孔氧化物薄膜的设计与制备及应用探索”作为创新性实验设计的课题。基金项目：2021 年广东省普通高校创新团队项目“柔性微纳电极及器件研究创新团队”（2021KCXTD042）；2019 年广东省教育厅教改项目“材料科学与工程特色专业建设”（GDJX2019006）；2022 年度广东省大学生创新创业训练计划项目“基于 TiO2纳米管柔性紫外探测器的制备及性能优化”（S202211349076）；广东省 2022 年度教育科学规划课题（高等教育专项）“以培养技术创新型人才为导向，探索光电功能材料 课程中的创新教育”（2022GXJK354）；2022 年广东省研究生教育创新计划项目“光电薄膜材料与技术”（2022SFKC_081）；2022 年度五邑大学校级本科高质量课程建设与创新创业教育建设改革项目“光电功能材料”（KC2022081）；2021 年五邑大学课程思政示范团队“材料科学与工程专业教学团队”（SZ2021002）第一作者简介：杨为家（1980-），男，汉族，广西桂平人，博士，副教授。研究方向为纳米材料、光电功能材料与器件等。*通信作者：申冬玲（1980-），女，汉族，河南孟州人，硕士，讲师。研究方向为光学材料、光学设计。摘要：创新型技术人才是建设创新型国家、打造制造强国的重要基石。在“大众创业、万众创新”的时代背景下，创新型技术人才的培养就显得尤为重要。高等院校是培养高水平人才的摇篮，承担创新型技术人才培养的重任。在高等院校创新型人才培养体系当中，实验实训是关键一环。该文以光电功能材料课程的创新性实验设计为例，探索其在大学生创新能力培养过程中的作用规律。关键词：创新能力；培养；创新型；实验设计；光电功能材料中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：2096-000X（2023）18-0051-04Abstract:Innovative technical talents are an important cornerstone for building an innovative country and building a strongmanufacturing country.In the era of innovation and entrepreneurship by all,the cultivation of innovative technical talents isparticularly important.Colleges and universities are the cradle for cultivating high-level talents and undertake the important task ofcultivating innovative technical talents.In the innovative talent training system of colleges and universities,experimental training is akey part.This paper takes the innovative experimental design of the course of Optoelectronic Functional Materials as an example toexplore its role in the process of cultivating college students innovative ability.Keywords:innovation ability;training;type of innovation;experimental design;photoelectric functional materialDOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2023.18.01251-2023 年 18 期创新创业教育高 教 学 刊Journal of Higher Education表1实验材料与实验设备一览表一创新性实验设计思路由图 1 可知，通过查阅文献资料，从实验材料库、实验设备库和测试设备库（见表 1）当中选择恰当的资源和设备，自行合理设计实验方案，制备出微纳米级别规则多孔氧化物薄膜，并积极探索所制备的多孔氧化物薄膜的新用途。设计思路提示：3D 打印、丝网印刷、模板法、腐蚀法和阳极氧化。图1创新性实验设计思路导图二新手帮助“秘籍”宝典学生是本科生，除了少部分提前进入实验参加科技课外活动的学生之外，大都比较缺乏实验经历，实验设计经历几乎为零。学生在实验设计的初期必然会面临重重困难和不适应，需要老师及时给予恰当地帮助和指导，协助学生渡过难关，保证创新性设计的继续进行。因此，需要指导老师具有敏锐而开阔的思维，并以 OBE 理念为指导能够给学生设定较为合理的障碍和目标，让学生只要努力地跳一跳就可以够得着；同时，具有相对明显的成果，可以使学生有较好的获得感、满足感和成就感。在实验设计和实施过程中，应该有意识引导学生通过创造工具去解决问题。因为在这个创造过程中，学生最容易获得成就感和满足感。同时，这也是最能培养学生创新能力的地方。总之，指导老师应该提前做好预案，准备好新手“秘籍”宝典。以下是本文为学生提前准备的五种“秘籍”。秘籍一：3D 打印。思路一：以有机物为前驱体，将ZnO、TiO2等纳米或将微米颗粒作为溶剂制备成打印材料，利用 3D 打印获得规则多孔薄膜前驱体，然后高温烧结，从而获得规则多孔金属氧化物。思路二：在衬底 3D打印规则塑料微米点阵，磁控溅射或者水热法室温制备金属氧化物薄膜，然后高温煅烧，将塑料微米点阵分解掉，从而获得规则多孔金属氧化物。思路三：在 ITO 衬底3D 打印规则塑料微米点阵，电件化学沉积或者水热法制备金属氧化物薄膜，然后使用丙酮、乙醚等有机试剂将塑料微米点阵溶解掉，从而获得规则多孔金属氧化物。创新设计：仿生多级孔材料如图 2 所示11；人造骨骼或牙齿；净水机滤网。实验材料库 实验设备库 测试设备库 备注 PS 微球、PS 颗粒、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、氧化铁粉末、钨粉、醋酸锌、醋酸、草酸、盐酸、PP、PVA、PDMS、PI、PANI、PVDF 等前驱体、PEO、P123、食用淀粉、3D打印原料粉末、石蜡、A1 合金板/片、Fe 合金板/片等 丝网印刷机、直流稳压电源、旋涂仪、高温电热板、3D 打印机、退火炉、管式退火炉等 偏光显微镜、徕卡显微镜、紫外分光光度计、SEM、紫外探测器测试系统、光化学反应仪、电化学工作站、拉曼光谱仪、万能拉力测试机等 可以根据实际需要和现有设备进行增加 图2三级孔仿生材料示意图秘籍二：丝网印刷/纳米压印丝网印刷。将 AgNWs/PEDOT:PSS 溶液作为墨水，利用丝网印刷可以获得规则的多孔薄膜（前驱体）图案，如图 3 所示12。类似地，以有机物为前驱体，将 ZnO、TiO2等纳米或则微米颗粒作为溶剂，制备成墨水，通过丝网印刷可以得到ZnO、TiO2前驱体多孔薄膜；之后烘干，高温烧结，去除有机物，从而获得 ZnO 或 TiO2规则多孔薄膜。纳米压印：首先制备半固化的前驱体薄膜，然后采用纳米模板压印，获得规则多孔，此后，高温烧结，从而获得规则多孔金属氧化物薄膜。创新设计：一是将丝网印刷的线条尺寸控制在 1 m，高温烧结之后，就可以获得纳米级的线条。即可以采用非常简单的设备实现纳米材料的可控制备。二是在管式退火炉当中，使用氮气保护，高温下对有机物进行碳化处理，获得 ZnO/C、TiO2/C 等复合材料。秘籍三：模板法PS 微球、PEO、P123 等有机模板。PS 微球如果是采购，则成本相对较贵，不适应用于大规模学生实验。如果能够自行孔合成 PS 微球，或者使微纳米级别规则多孔氧化物薄膜文献调研及前期准备实验材料、实验设备、测试设备优选应用探索研究教师指导与帮助请教优化自行设计实验方案及创新性改进制备规则多孔金属氧化物薄膜问题反馈导向问题问题失败成功工具创造解决52-高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 18 期创新创业教育用尺寸较大且成本低廉的 PS 颗粒，则该方案是非常可行的。在之前的实验当中，作者已经掌握了使用 PS 微球制备的 NiO 薄膜的方法和工艺，并制备了规则的 NiO 多孔薄膜，如图 4（a）、图 4（b）所示。而使用 PEO 或者 P123与金属盐的混合溶液，通过恰当的温度使用 PEO 或者P123 结出纳米级的微晶，而后再高温煅烧，去除 PEO 或者 P123 微晶，从而获得规则多孔金属氧化物，如图 5 所示13。这种自组装制备 3D 规则多孔氧化物薄膜的方法得到了广泛的应用13。创新设计：利用不同直径的 PS微球制备多级孔仿生材料，如图 4（c）所示；3D 打印硬模板（创造工具），这类模板可以与溶胶-凝胶法相结合，从而达到模板反复使用的效果，从而大幅度节约成本。（a）六边形（b）正方形图3Ag NWs/PEDOT：PSS复合网格图5有机物模板自组装制备SnO2规则3D多孔薄膜秘籍四：腐蚀法石蜡或者有机掩膜板+弱酸腐金属氧化物，降低成本；ZnO 粉末与 NiO、TiO2粉末等混合均匀压制成型，并高温烧结，之后，醋酸或者盐酸腐蚀，去除 ZnO，从而获得多孔 NiO 或者 TiO2薄膜。创新设计：一是可以与丝网印刷相结合，丝网印刷制备有规则机物掩膜板（或者石蜡），弱酸腐蚀 ZnO、Fe2O3等容易腐蚀的金属氧化物，接着去除有机物模板（或者石蜡），从而获得规则多孔金属氧化物薄膜；二是在金属氧化物薄膜上面首先使用规则的纳米柱/微米柱阵列模板紧紧压在薄膜表面上，接着浇注石蜡，待石蜡完全凝固之后，去模具，弱酸腐蚀之后，热水洗掉石蜡，即可获得规则多孔氧化物薄膜；三是在金属薄膜上面首先均匀涂覆一层薄膜石蜡，然后使用规则纳米柱/微米柱阵列模板压印，直至金属氧化物薄膜暴露出来，再进行弱酸腐蚀，以及热水洗掉石蜡，从而获得规则多孔氧化物薄膜。应用研究探索：一是将规则多孔 ZnO、Fe2O3等金属氧化物薄膜浸入硫化钠溶液，在合适的温度下进行硫化，从而获得ZnOZnS、Fe2O3FeS2等核壳结构规则多孔薄膜材料，拓展材料的应用领域；二是将规则多孔 ZnO、Fe2O3等金属氧化物薄膜浸入 AuCl3、AgCl2等溶液当中，在光催化作用下，在规则多孔 ZnO、Fe2O3等金属氧化物薄膜上形成 Au、Ag 纳米颗粒，提高材料的性能，并拓展材料在生物传感领域的应用范围。秘籍五：阳极氧化将 Al、Fe 等金属板/片，阳极氧化成规则多孔金属氧化物薄膜（AAO 模板）。创新设计：一是通过对 Al 金属板/片进行合金化处理，可以满足不同的使用需求，例如气敏传感器、化学传感器、生物传感器、光催化、能源转化和催化反应等。二是以 AAO模板为基础，使用有机物前驱体制备高分子纳米柱阵列或者碳纳米柱阵列，进而作为纳米压印的模板（创造工具）。三是将 AAO 应用到爆氧机的喷头上，从而实现纳米爆氧。这类爆氧装置可应用于水产养殖的均匀加氧或者微生物发酵的均匀供氧。四是利用 AAO 模板制备纳米柱或者纳米点阵列14，如图 6 所示。这部分内容属于应用研究探索。（a）宏观图（b）微观图（c）二级孔NiO薄膜图4利用PS微球制备的规则阵列式多孔NiO薄膜53-2023 年 18 期创新创业教育高 教 学 刊Journal of Higher Education三结束语课后对上课学生进行了跟踪调查，调查内容主要包括信息的收集与综合、实践能力的提高、创新思维的培养、创新能力的应用（面对问题时应用创新思维或者模仿创新的方式去解决问题）和项目组织与实施的能力（团队领导、团队合作、协调与沟通）、规范性塑造（规范性实验操作、规范性撰写实验报告）等方面。调查结果表明，教学改革效果较好，基本达到了预期的目标。学生喜爱和主动学习是创新性实验设计的关键。未来，将通过设计类似游戏闯关性质的关卡和适当的奖励，充分调动学生的积极性，让学生喜爱这个创新性实验设计，从而更好地达到培养学生创新能力的目的。同时，不断完善和丰富新手“秘籍”宝典，从而更好满足不同学生的需求，促进学生的个性化发展。此外，本创新性实验设计具有良好的拓展性。一方面，学生可以根据自己的创新性成果去申请专利；另一方面，学生可以拿创新性、高价值的实验成果去参加科技竞赛或者“互联网+”创新创业大赛，这样可以进一步增加成果产出，增强学生的获得感。参考文献：1 陈凡，潘澍.建设创新型国家的中国道路J.科技导报，2021，39（21）：95-99.2 李金华.“十四五”初期中国建设制造强国供给力分析J.浙江工商大学学报，2021（6）：128-140.3 景佳娜，孙妍，徐准，等.新工科背景下大学生科研创新能力与素质培养途径以环境工程专业为例J.高教学刊.2021，7（Z1）：146-149.4 周晓明，任驰，高丽丽.基于创新能力培养的新能源材料与器件专业实验教学的探讨J.大学物理实验，2021，34（6）：141-144.5 杨章伟，张婉婉，肖俊宇.STEAM 理念下师范学生教育技术创新能力培养研究J.教育学术月刊，2021（12）：66-71，94.6 谭新旺，王华丽，王立杰.“科教融合”培养高职学生创新能力的关键路径研究J.创新创业理论研究与实践，2021，4（24）：149-151.7 郑轶.产教融合视域下大学生创新创业能力培养J.人才资源开发，2021（24）：71-72.8 康翌婷，马飞，赵鑫鑫，等.竞赛驱动的多学科交叉创新能力培养模式探索与实践以北京科技大学智能车队为例J.北京教育（高教），2022（1）：93-96.9 科学无国界，但科学家有祖国EB/OL.https:/ 李亮，李慧，程建华.研究生创新能力培养的思政教育实践探索J.思想政治教育研究，2021，37（6）：58-61.11 ZHENG X F，SHEN G F，WANG C，et al.Bio-inspiredmurraymaterialsformasstransferandactivity J.Naturecommunication，2017，8（1）：14921.12 XIN H，GENG Z S，RUI BIX，et al.Hexagonal andsquare patterned silver nanowires/pedot：pss composite gridsby screen printing for uniformly transparent heaters J.Polymers，2019，11（3）：468.13 BREZESINSKI T,FISCHER A,IIMURA K,et al.Generationof self-assembled 3D mesostructured SnO2 thin films withhighly crystalline frameworks J.Advanced Functional Materials，2006（16）：1433-1440.14 KOKONOU M，GIANNAKOPOULOS K P，GUNDUZ I E，et al.Reactive bimetallic Al/Ni nanostructures for nanoscaleheating applications fabricated using a porous alumina templateJ.Microelectronic engineering，2009，86（4）：836-839.图6使用AAO模板制备Al/Ni纳米柱示意图54-