陈世良，黄亦军，黄嘉驰

（杭州师范大学 钱江学院，浙江 杭州 310018）

实验教学是教学工作的重要组成部分，是高校培养学生动手能力、实践能力和创新能力的重要环节。传统的实验教学以验证型教学项目为主，能使学生的基础操作技能得到较好训练，但在提高学生创新能力和综合素质等方面则有欠缺。如何在实验教学过程中突出创新思维培养，切实提高学生的科学素养和创新能力，是新时期高校教育教学改革研究的重要内容[1-3]。相较于验证型实验，探索型实验属于较高层次认知水平的实验[4-5]，在培养学生综合素质、提高创新能力等方面具有独特优势[6]，目前，诸多高校积极尝试在实验教学中引入探索型实验项目，为培养高素质创新型人才打下良好基础[7-8]。

我校高分子材料与工程专业是浙江省一流学科特色专业，培养目标是“为区域经济社会发展提供具备较强创新应用能力的高分子专业人才”。为了切实提高学生的创新能力，近年来，我们积极尝试将科研与教学相结合，在实验教学过程中融入教师科研成果，以探索型实验项目的形式开展实验教学，使学生近距离接触高分子专业发展前沿知识，在激发学生专业兴趣的同时，培养学生的创新思维和创新能力。本文以来源于教师科研项目的“功能化细菌纤维素的制备、表征与性能研究”为例，探讨如何从教师科研项目中提取适于实验教学的内容。

1 教师科研项目内容简介

本文所设计的探索型实验项目依托国家自然科学基金项目“细菌纤维素-石墨烯协同增强金属酞菁催化活性的增效机制研究”（项目号 51803044，在研）和浙江省自然科学基金项目“细菌纤维素纳米纤维耦合金属酞菁增强染料废水脱色及其机理研究”（项目号LQ15E030005，已结题）两个教师科研项目。其中，“细菌纤维素纳米纤维耦合金属酞菁增强染料废水脱色及其机理研究”项目选用细菌纤维素作为金属酞菁催化剂的载体，将金属酞菁固定于经化学改性的细菌纤维素上，制备得到金属酞菁功能化细菌纤维素异相催化材料，并以染料有机污染物为目标，考察异相催化材料的催化反应活性。“细菌纤维素-石墨烯协同增强金属酞菁催化活性的增效机制研究”则在以上研究基础上，将电子传输性能优异的石墨烯引入催化反应体系，提高金属酞菁的电子转移效率，从而达到提升异相催化材料催化反应活性的目的。这两个教师科研项目主要涉及如下三方面研究内容。

（1）通过生物法合成细菌纤维素，经过化学或物理改性后与金属酞菁相互作用，制备得到系列金属酞菁功能化细菌纤维素异相催化材料，并通过各种测试技术对改性前后的材料进行表征。

（2）将系列细菌纤维素基异相催化材料用于有机污染物的催化氧化降解，考察各实验因素对催化效率的影响，并探索异相催化材料结构与催化性能之间的构-效关系。

（3）通过各种技术手段研究反应过程中溶液的组成变化、活性种的形成和异相催化材料的形貌与结构情况，深入揭示该高分子功能材料的催化作用机理。

2 实验项目内容设计

考虑到学生的专业认知水平和教学实验条件等因素，将教师科研项目转化为适于教学的探索型实验项目时，在经过充分的思考与研究后，首先从中提取出难度适中且具有探索性的“功能化细菌纤维素的制备、表征与性能研究”作为研究主题，再围绕该研究主题精心设计核心实验内容，并将系统化后的各个独立的实验内容应用于高分子化学实验、高分子材料性能与表征等课程的教学，旨在使学生在掌握相应专业知识点的基础上，获得必要的创新思维训练，从而达到提高学生创新能力的目的。探索型实验项目内容的具体设计如下。

2.1 细菌纤维素的生物合成

细菌纤维素是一类由培养基通过特定的细菌或真菌在适宜的条件下生物合成的具有纳米尺寸的纤维素，其化学结构与传统纤维素相同。与常规化学聚合过程类似，细菌纤维素的生物合成也需要经历一个由单体转化为高分子的过程（见图1）。培养基组成、菌株和培养条件等均影响最终细菌纤维素的形成与产率。

图1 细菌纤维素的生物合成过程

为了适于课堂教学，同时考虑此实验的主要目标是使学生掌握一种新型的高分子合成方法，我们将实验内容进行简化。以前期教师科研成果为基础，选定木醋杆菌（acetobacter xylinum）作为菌株，培养基组分为葡萄糖、酵母浸膏和乙醇，培养温度为 30 ℃。学生在实验过程中需配制系列不同培养基组分含量的溶液，在给定条件下培养一定时间后测定所得产物的含量。

2.2 细菌纤维素的化学或物理改性及金属酞菁固定化反应

在获得细菌纤维素后，对其进行化学或物理改性，并作为金属酞菁固定化的载体，制备金属酞菁功能化细菌纤维素异相催化剂，即细菌纤维素基高分子功能材料。

以细菌纤维素的化学改性过程为例，为了实现金属酞菁（本实验选用的是四氨基钴酞菁CoPc）的共价固定化，需预先对其进行氧化处理，使细菌纤维素上形成易与氨基反应的醛基，典型反应步骤如图2 所示。该实验内容涉及高分子反应、氧化剂选择和氧化条件控制等。在前期研究中，已筛选出合适的氧化剂，并实现了金属酞菁的定量固定化[9]。将此研究成果进行简化，将其中的基础部分作为教学内容。在课堂实验教学过程中，建议学生选择高碘酸钠作为参考氧化剂，通过调节氧化剂浓度、氧化温度和氧化时间来控制氧化程度，通过盐酸羟胺滴定分析法确定形成的醛基含量。

图2 典型细菌纤维素化学改性及金属酞菁固定化过程

2.3 细菌纤维素基高分子功能材料的结构与性能表征

为了使学生通过实验较好地掌握高分子材料的常用表征技术，结合现有教学实验条件，我们选择如下实验项目作为实验教学内容。

（1）傅立叶红外光谱（FT-IR）测试。红外光谱是一种常见的鉴定高分子材料组分的分析方法。为了研究金属酞菁功能化过程的实施情况，我们指导学生将改性前后的样品（细菌纤维素、氧化细菌纤维素和金属酞菁功能化细菌纤维素）用于 FT-IR 测试（见图3）。通过学习该实验内容，可使学生掌握红外光谱仪的使用方法，直观地观察羟基和醛基等特征基团的变化，并初步了解红外光谱谱图中常见基团的分析方法。

图3 改性前后样品的典型红外光谱谱图

（2）原子吸收光谱（AAS）测试。金属酞菁固定量显著影响制得的异相催化材料的催化性能，本实验通过AAS 技术研究CoPc 的相对含量。为了使实验内容适于课堂教学，我们预先将样品消解，使钴酞菁被分解且以钴离子的形式释放出来，学生在实验时只需测试溶液中钴离子的含量，即可间接计算出异相催化材料上钴酞菁的含量。通过该实验内容，学生可掌握原子吸收光谱仪的使用、标准曲线绘制及金属含量测定的方法。

（3）场发射扫描电子显微镜（FESEM）测试。载体材料的结构对于功能材料的性能具有重要影响。本实验通过 FESEM 观察改性前后细菌纤维素的形貌与结构变化。通过该实验内容，可使学生初步接触电子显微镜的使用，并结合后续实验内容更好地理解高分子材料结构与性能之间的联系这一知识点。

（4）X-射线光电子能谱（XPS）测试。XPS 是一种常见的分析材料表面元素组成、结合状态及含量的测试技术。通过 XPS 技术研究细菌纤维素的改性过程，可使学生进一步掌握各官能团的反应情况和功能化的实施程度。

考虑课堂实验教学平台的硬件条件和实验课时的限制，将上述（1）、（2）两个实验内容设置为必做内容，而将（3）、（4）设置为选做内容，鼓励学有余力且具有浓厚科研兴趣的学生在教师指导下完成。

2.4 细菌纤维素基高分子功能材料的催化降解性能

功能材料催化降解性能部分的研究对学生的综合能力要求较高，我们将其作为选做项目，鼓励学生在查阅文献的基础上自行选择感兴趣的催化底物，以教师前期研究成果为基础给出参考实验条件，同时在教师的指导下建立合适的底物浓度监测方法。学生在完成这部分实验内容后，可进一步加深对材料结构与性能之间关系的理解，并熟悉功能高分子材料在催化领域的应用。

3 探索型实验项目的实施与成效

为了突出我校“创新应用型人才”的培养目标，依照高分子材料与工程专业课程培养方案，对“高分子化学实验”和“高分子材料性能与表征”等实践性要求较高的课程均配套了不少于理论课时量的实验课时，同时鼓励开展一定比例具有探索性质的实验项目。因探索型实验项目对学生要求较高，在具体实施过程中，我们将实验教学分为如下实施阶段。

（1）第一阶段，教师提前公布实验项目，并提供2—4 篇相关领域的经典参考文献或教师已发表的相应研究内容的科研论文，使学生在阅读后初步熟悉实验内容。在此基础上，引导学生组队设计实验方案。以“细菌纤维素的氧化改性”为例，其实验目的之一是使学生掌握如何将纤维素链上的羟基氧化为醛基。依据教师前期的研究结果，建议学生选择高碘酸钠作为参考氧化剂，学生需查阅文献并自行设计实验条件来控制氧化程度。同时，积极鼓励学生尝试通过其他技术路线完成该实验。学生经组内讨论后形成实验方案并提交，待教师修正不合理之处后敲定具体实验方案。通过该环节的训练，使学生的创新思维和创新能力得到有效提高。

（2）第二阶段，学生根据实验方案开展实验。由于在第一阶段已初步熟悉了实验原理和实验操作步骤，学生在本阶段将有更充足的课堂实验时间，教师也能更具有针对性地对学生展开一对一的指导。例如，在完成“细菌纤维素的氧化改性”实验项目过程中，部分学生对于形成醛基的含量与金属酞菁固定量之间的关系存在疑问。针对该问题，教师指导他们再次有针对性地查阅文献，帮助他们完善高分子材料检测技术知识体系，并鼓励他们在完成课堂实验的基础上利用课余时间开展深入研究。通过该环节的训练，能够提高学生的实践能力和解决问题的能力，能够激发学生的科研兴趣和创新思维。

（3）第三阶段，学生撰写实验报告、评估研究结果。除了常规的整理、分析实验数据等工作外，学生还需通过实验结果反思探索性实验项目方案设计的合理性及存在的不足之处。对于具有一定创新性的内容，引导学生通过申请学生科研立项做进一步深入探索，并撰写科研论文。例如，在完成“金属酞菁功能化细菌纤维素功能材料的催化降解性能”实验项目的过程中，有学生通过查阅文献获知改善电导率可提升异相催化材料的反应效率，因此主动请求深入研究这一问题。在教师的指导下，学生以课题组前期研究工作为基础，将石墨烯引入反应体系制得系列新型异相催化材料，显著改进了金属酞菁的催化活性，这一研究成果已以SCI 论文的形式发表。

笔者自2016 年开始尝试将科研与教学相结合，从教师科研项目中提取出具有科学意义且适于本科生实验教学的研究内容，通过精心设计，将各个独立的实验内容系统化并应用于学生探索型实验项目教学。目前已形成以“功能化细菌纤维素的制备、表征与性能研究”为主题的系列核心教学内容，显著提高了学生的创新能力和专业综合能力。近年来，相关研究内容共获国家级学生竞赛奖项2 项、省部级学生竞赛奖项4 项、立项学生科研项目10 余项，学生参与发表科研论文 6 篇，其中 SCI 论文 4 篇[9-13]，典型成果详见表 1。

表1 本科生参与竞赛获奖、承担科研项目和发表论文情况

4 结语

本文探讨了将教师科研项目融入本科生课堂实验教学，设计形成新型探索型实验教学项目的具体作法。以国家自然科学基金项目“细菌纤维素-石墨烯协同增强金属酞菁催化活性的增效机制研究”和浙江省自然科学基金项目“细菌纤维素纳米纤维耦合金属酞菁增强染料废水脱色及其机理研究”为基础，从中提取“功能化细菌纤维素的制备、表征与性能研究”作为研究主题，并立足教学实际精心设计了“细菌纤维素的化学改性”等系列核心实验项目，将其应用于高分子化学实验和高分子材料性能与表征等课程的教学。实践结果表明，基于教师科研项目的探索型实验教学项目既能使学生掌握实验技能和专业知识点，又能锻炼其查阅文献和独立思考的能力，有效提高了其创新能力和科研能力。