大學(xué)生課余研究計劃淺論及實例分析

陳健壯， 王立權(quán)， 李 默， 何 勁， 吳佳霖， 楊曉玲

（華東理工大學(xué)a．材料國家級實驗教學(xué)示范中心；b．材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200237）

0 引 言

黨的十九大報告闡明我國的發(fā)展進(jìn)入新時代，以創(chuàng)新帶動發(fā)展是今后的主旋律。創(chuàng)新型人才成為我國高質(zhì)量發(fā)展的第一位戰(zhàn)略資源。大力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，提高科學(xué)研究能力，為推動經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展、科技成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化和提升國際綜合競爭力提供了重要保障［1-3］。培養(yǎng)高質(zhì)量創(chuàng)新型人才一直是高校發(fā)展和改革的目標(biāo)［4-5］?，F(xiàn)階段為了培養(yǎng)既具備創(chuàng)新意識和精神、創(chuàng)新實踐和可持續(xù)發(fā)展能力又適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展需求的創(chuàng)新型人才［6］，高校急需大力提高大學(xué)生創(chuàng)新實踐項目的管理水平和實施效果。創(chuàng)新實踐項目的開展讓大學(xué)生了解科學(xué)前沿知識的同時，還可以激發(fā)他們的創(chuàng)新潛力并提升創(chuàng)新實踐能力［7］，有效推動教育現(xiàn)代化和實現(xiàn)教育強(qiáng)國。

1 大學(xué)生課余研究計劃項目

1.1 大學(xué)生課余研究計劃項目簡介

為了培育適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的高質(zhì)量創(chuàng)新型人才，華東理工大學(xué)從2003 年開始實施大學(xué)生課余研究計劃（Undergraduated Student Research Program，簡稱USRP）。USRP項目是我校大學(xué)生創(chuàng)新實踐的重要內(nèi)容［8］（見表1）。為了USRP 項目的順利實施，學(xué)校組建了大學(xué)生創(chuàng)新實踐活動指導(dǎo)委員會，并于2003 年制定了“華東理工大學(xué)關(guān)于大學(xué)生參與研究計劃（USRP）的實施意見”（校教字〔2003〕005 號），于2017年修訂了相關(guān)管理辦法制定了“大學(xué)生課余研究計劃（USRP）管理辦法（修訂）”（校教〔2017〕75 號）。

表1 華東理工大學(xué)大學(xué)生課余研究計劃（USRP）項目

1.2 大學(xué)生課余研究計劃項目分析

圖1 華東理工大學(xué)近5年USRP項目情況匯總表

迄今為止，我校USRP 項目已開展17 屆，近5 年來該項目開展情況（見圖1）。近5 年每年項目數(shù)都在400 項以上，參與學(xué)生人數(shù)都超過1 000 人，參與教師人數(shù)都在300 人左右。例如，2019 年第17 屆立項課題405 項，參與學(xué)生1 141 人，參與指導(dǎo)教師287 人。值得注意的是USRP項目開展第14 屆以后，項目數(shù)和參與人數(shù)都略有減少，主要原因是近年來學(xué)校在加大支持“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”的同時，還新增開展了“教學(xué)及興趣實驗項目”，使學(xué)生參與創(chuàng)新實踐的機(jī)會更加多樣化。USRP項目的開展既豐富了創(chuàng)新教育模式，又提高了大型儀器使用率和學(xué)校的創(chuàng)新教育水平。對參與USRP 項目的學(xué)生而言，有效激發(fā)了創(chuàng)新潛能，提高了獨立分析和解決問題能力、表達(dá)和溝通能力，增強(qiáng)了團(tuán)隊協(xié)作、自主創(chuàng)新實踐和可持續(xù)發(fā)展能力，在就業(yè)、考研和出國留學(xué)的競爭力得到普遍提高。

USRP 項目已取得了較好的實施效果，但在項目開展過程中仍然存在一些問題，現(xiàn)總結(jié)相關(guān)建議如下：

（1）要充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位?，F(xiàn)階段USRP項目方案大多由教師提出，完全由學(xué)生個人或團(tuán)隊提出的很少。在項目開展過程中，只有充分保證學(xué)生的主體地位、獨立開展項目，才能充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛力和創(chuàng)新精神，為學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展打好基礎(chǔ)。

（2）將USRP項目與本科教學(xué)的其他環(huán)節(jié)結(jié)合起來。部分學(xué)生是為了就業(yè)、考研和保研等目的參與USRP 項目，缺少實踐的積極性和主動性。要促進(jìn)USRP項目與課堂教學(xué)、興趣小組、專業(yè)實踐、教改研究、科研成果轉(zhuǎn)化、企業(yè)實習(xí)、畢業(yè)論文（設(shè)計）、各級各類學(xué)科競賽等有機(jī)的銜接和結(jié)合，與學(xué)生的專業(yè)知識和興趣結(jié)合，鼓勵交叉學(xué)科或跨專業(yè)領(lǐng)域的研究，全面加強(qiáng)與推進(jìn)創(chuàng)新實踐教育系統(tǒng)化。

（3）完善和加強(qiáng)教師創(chuàng)新激勵制度。指導(dǎo)教師往往受科研或教學(xué)等事務(wù)影響，對USRP 項目的投入不夠。這就需要參與教師具有高度的責(zé)任感和奉獻(xiàn)精神，在掌握培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的技巧和方法的同時，注重勉勵學(xué)生大膽說出自己的想法。為鼓勵更多的教師投入更多的精力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，學(xué)校應(yīng)改革教師晉升或獎勵等激勵制度。

（4）倡導(dǎo)教師和研究生協(xié)同指導(dǎo)。為了減輕指導(dǎo)教師對USRP項目的指導(dǎo)壓力（例如：減少一些基本實驗操作的重復(fù)性指導(dǎo)等），可以培養(yǎng)部分優(yōu)秀研究生作為輔助指導(dǎo)教師，實現(xiàn)對學(xué)生更加全面的指導(dǎo)。

（5）鼓勵更多的教師去奉賢校區(qū)實施USRP 項目。學(xué)生從奉賢校區(qū)到徐匯校區(qū)參加項目往返耗時約2 h，學(xué)校應(yīng)繼續(xù)加大對教師在奉賢校區(qū)創(chuàng)新實驗室或?qū)嶒炂脚_實施USRP 項目的支持力度，讓學(xué)生將寶貴的時間用于創(chuàng)新實踐。

（6）與企業(yè)合作促使項目研究更接近實際生產(chǎn)和應(yīng)用。大學(xué)生參與USRP項目做出的創(chuàng)新成果往往停留在理論或概念層面，難以在實際中得到應(yīng)用?？梢詫⒁恍┢髽I(yè)需要解決的實際問題引入到USRP項目研究中，在避免“產(chǎn)學(xué)研用”分離的同時，形成學(xué)校與企業(yè)共贏的局面。

2 大學(xué)生課余研究計劃項目實例

2.1 藥品與試劑

聚苯乙烯PS（Mn＝1． 03 × 104，PDI ＝1． 12）、聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸PS206-b-PAA24（由PS206-b-PtBA24（Mn＝2． 48 × 104，PDI ＝1． 18）水解得到）和聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸PS285-b-PAA24（由PS285-b-PtBA24（Mn＝3． 30 × 104，PDI ＝1． 13）水解得到）參考文獻(xiàn)制備［9］。三氯甲烷、乙醇等從上海泰坦科技股份有限公司購買，分析純。

2.2 薄膜的制備與表征

分別配置不同濃度的聚合物氯仿溶液，在15 ℃下，60 mL廣口瓶內(nèi)在一定的濕度（RH ＝80%）水氣或乙醇氛圍，將10 μL聚合物溶液滴到0． 5 cm × 0． 5 cm的玻璃片上并密封，溶劑揮發(fā)后就制得了聚合物薄膜。

通過接觸角測量儀（JC2000D2）測薄膜親疏水性能，共測5 次，取平均值；通過掃描電子顯微鏡（JCM-6000）對噴金處理的薄膜形貌進(jìn)行觀察。

2.3 呼吸圖法制備聚合物多孔薄膜

呼吸圖法（Breath Figures，BF）因經(jīng)歷水蒸氣遇冷凝結(jié)過程而得名［10］。研究表明，可以穩(wěn)定水滴形狀和用于制備薄膜的可溶聚合物均可用于呼吸圖薄膜的制備。呼吸圖法是一種簡便的大面積制備具有規(guī)整表面形貌薄膜的組裝技術(shù)［11-12］。因具有成本低、操作簡捷、模板（水滴等）能夠揮發(fā)去除等特色，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用潛力［10-14］。呼吸圖法的過程一般會受到聚合物結(jié)構(gòu)和種類、濃度、溶劑、溫度、濕度或非水氣氛等因素的影響［10，15-16］。常用的呼吸圖法中靜態(tài)氣氛法在成膜過程中有效防止了潮濕氣流的擾動，展現(xiàn)出較好的重復(fù)性，受到越來越多的重視。該文USRP項目研究實例選用的就是靜態(tài)氣氛法。

選用第16 屆結(jié)題的USRP 項目（編號：201700362）為例。該USRP項目系統(tǒng)研究了聚合物種類，濃度和氛圍（水或乙醇）等條件對制得的薄膜表面形貌及性質(zhì)的影響，通過掃描電鏡（SEM）和接觸角等表征手段，探究制備具有規(guī)則表面形貌的薄膜材料的最佳條件。為了對比研究選用了PS、PS206-b-PAA24和PS285-b-PAA24為原料，通過靜態(tài)呼吸圖法制備聚合物多孔和微球薄膜。

首先，對不同濃度（5． 0 ～30 mg ／ mL）的PS樣品進(jìn)行研究，水氣氛中制得的薄膜的掃描電鏡圖片見圖2。在較低的濃度［5 和10 mg ／ mL，圖2（a），（b）］下形成的薄膜的表面存在較多的裂紋，并且孔徑分布不均勻；當(dāng)濃度升高到20 mg ／ mL，薄膜表面沒有觀察到裂紋的存在，并且孔徑分布變得均勻［圖2（c）］；當(dāng)濃度升高到30 mg ／ mL，薄膜表面孔徑分布較20 mg ／ mL略微變差（圖2d）。通過PS 薄膜的接觸角數(shù)據(jù)［圖2（a）～（d）］可見，5． 0 mg ／ mL濃度下制備的薄膜孔徑分布最不均勻，接觸角最小（102°）；20 mg ／ mL 濃度下制備的薄膜孔徑分布最均勻，接觸角最大（106°）。

然后，對不同濃度（20． 0 ～100． 0 mg ／ mL）PS206-b-PAA24樣品進(jìn)行研究，水氣氛中制備的薄膜的掃描電鏡圖片見圖3。在較低的濃度（20 ～50 mg ／ mL）下形成的薄膜表面既有微米孔也有納米孔，孔徑分布并不均勻［圖3（a）～ （c）］；濃度升高到100 mg ／ mL，多級孔的現(xiàn)象消失且薄膜表面孔徑分布變得均一［圖3（d）］。通過PS206-b-PAA24薄膜接觸角數(shù)據(jù)［圖3（a）～ （d）］可見，20 mg ／ mL 濃度下制備的薄膜孔徑分布最不均勻，接觸角最?。?09°）；100 mg ／ mL 濃度下制備的薄膜孔徑分布最均勻，接觸角最大（118°）。

圖2 通過呼吸圖法制備的PS薄膜的SEM圖片

圖3 通過呼吸圖法制備的PS206-b-PAA24薄膜的SEM圖片

接著，對不同濃度（10． 0 ～150 mg ／ mL）PS285-b-PAA24樣品進(jìn)行研究，水氣氛中制備的薄膜的掃描電鏡圖片見圖4。在較低的濃度［10 mg ／ mL，圖4（a）］下形成的薄膜的孔徑分布不均勻；當(dāng)濃度升高到20 mg ／mL，薄膜表面孔徑分布變得較為均勻［圖4（b）］；當(dāng)濃度升到30 mg ／ mL 以上，薄膜表面孔徑分布變得很均勻，且隨著濃度的升高孔徑出現(xiàn)變小的趨勢［圖4（c）～（f）］。通過PS285-b-PAA24薄膜的接觸角數(shù)據(jù)［圖4（c）～（f）］可見，10 mg ／ mL濃度下制備的薄膜孔徑分布最差，接觸角最小（110°）；濃度大于30 mg ／ mL的樣品制備的薄膜孔徑分布都很均勻，接觸角都較大（114°以上）。表明PS285-b-PAA24可以在較高濃度范圍內(nèi)制備出表面具有規(guī)則孔形貌的薄膜。相較于PS206-b-PAA24只有在較高濃度（100 mg ／ mL）下才能制備出表面孔徑分布均一的薄膜［圖3（d）］。說明對于具有同樣的親水鏈段長度的PAA24-b-PS，疏水鏈段的長度對其組裝性能也會產(chǎn)生較大影響。

圖4 通過呼吸圖法制備的PS285-b-PAA24薄膜的SEM圖片

2.4 呼吸圖法制備聚合物微球薄膜

除了濃度，改變環(huán)境氛圍同樣對薄膜表面形貌產(chǎn)生較大影響。通過掃描電鏡對不同濃度（5． 0 ～20． 0 mg ／ mL）的PS 樣品在乙醇氛圍中制備的薄膜表面形貌研究發(fā)現(xiàn)，該濃度范圍內(nèi)形成的薄膜都為表面光滑的圓球狀組裝體，并且濃度對球的粒徑分布影響并不大［圖5（a）～（c）］。通過3 種濃度制備的PS微球薄膜的接觸角數(shù)據(jù)［圖5（a）～（c）］可見，薄膜接觸角變化不大；但PS微球薄膜相對于同樣的濃度制備的PS多孔薄膜，接觸角上升了36° ～40°［圖2（a）～ （c）］。充分說明了PS的不同組裝形態(tài)對薄膜親疏水性能具有較大的影響。進(jìn)一步制備了乙醇氛圍中PS285-b-PAA24的微球薄膜［圖5（d）］，為表面粗糙的圓球狀組裝體。通過PS285-b-PAA24微球薄膜的接觸角數(shù)據(jù)［圖5（d）］可見，PS285-b-PAA24微球薄膜相對于同樣的濃度（10 mg ／ mL）制備的PS285-b-PAA24多孔薄膜，接觸角上升了41°［圖4（a）］。充分說明了PS285-b-PAA24的不同組裝形態(tài)對其薄膜親疏水性能具有較大的影響。

圖5 通過呼吸圖法在乙醇?xì)夥罩兄苽涞腜S 和PS285-b-PAA24薄膜的SEM圖片

3 結(jié) 語

USRP項目是我校大學(xué)生創(chuàng)新實踐的重要內(nèi)容。分析和總結(jié)了我校USRP 項目開展情況，提出了進(jìn)一步提高該類項目管理水平和實施效果的措施和方法。展示了呼吸圖法制備聚苯乙烯（PS）和聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸（PS-b-PAA）多孔或微球薄膜的研究項目的相關(guān)研究內(nèi)容和實施效果。參與項目的學(xué)生在深入理解呼吸圖法這種前沿科學(xué)知識的同時，提高了獨立處理和分析問題的能力，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新潛力，增強(qiáng)了創(chuàng)新實踐和可持續(xù)發(fā)展能力，對培養(yǎng)高質(zhì)量創(chuàng)新型人才具有很好的借鑒意義。